基于ARM的智能搬运机器人设计

何丙禄

摘   要：文章设计的是一款以STM32微控制器为控制核心的可实现寻迹驾驶、避障和抓取物体功能的智能搬运机器人，微控制器可以处理外围的寻迹模块和避障模块采集到的信号，保证机器人稳定的运行和能做出避障动作，并配有4个舵机构成的四自由度机械臂，整个系统由锂电池供电，保证整个系统供能稳定运行。

关键词：微控制器;机器臂;寻迹;避障

智能小车发展十分迅速，主流的是自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV），但是AGV仅有搬运功能，本作品主要是通过识别地面上的黑线来判断小车需要行驶的方向，通过超声波模块来判断是否有障碍物，并以此做出相应的避障动作，是结合机械臂和搬运车于一体的机器人，配置的机械臂可以实现对物体的搬运，加强工作性能[1-3]。

1    硬件系统设计

图1是整个硬件系统的设计框架，采用STM32微控制器作为设计的控制核心。整个设计主要分为运送和抓取两部分：（1）运送部分，由小车构成，车上搭载了电机驱动、循迹模块和避障模块，通过循迹模块，可以识别地面的黑线，保证小车的正常运行。同时，为保障运行顺畅，加入了避障模块，将循迹和避障模块采集到的数据，通过输入/输出（Input/Output，I/O）口发送给微控制器分析后控制驱动，保证小车的稳定运行。（2）抓取部分，由一个有4个舵机的机械臂完成，通过远程手柄控制实现机械臂抓取物体。整个系统由锂电池供电，但是由于微控制器所能接收到的电压很小，所以加入稳压模块。

1.1  微控制器

STM32微控制器是一款32位微控制器，性价比高。STM32内部具备调压器、精确的RC震荡电路、时钟控制电路、低压检测等丰富的功能，时钟频率可倍频值为72～180 MHz。采用ARM架构，精简指令集，丰富外设资源，本设计主要使用了处理器的0-13号管脚，来控制整个系统的运行，并使用了片内的模/数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）模块、定时器串口等功能。

1.2  电机驱动及电压转换模块

本系统驱动IC采用的是L298N芯片，这是驱动IC专门应用于小功率性的电机驱动。其驱动电流最大能达到2 A，平局电流能达1.5 A，使用于多数消费型电子产品。内部集成一个独立的H桥，通过控制对应的I/O，可以控制电机的正转、反转等。

本系统需要使用多种电源供电，所以将输入的电压转变成6 V和5 V的供电电源，对应的供给电机和微控制器使用。电源变化有多种技术，直流变换常用的就是BUCK降压电源和现行电源。但现行电源的供电功耗大、易发烫，所以采用6 V电源直接供给驱动电机，而在微控制器的工作电流下，输出电压稳定。

1.3  寻迹模块

机器人正常运行方式是两个寻迹模块都没有接触到黑线，但始终保持检测。在整个过程中，如果1号和2号传感器检测到黑线，那么这两个传感器就会电平调变，此时微控制器做出反应，控制驱动使小车向左侧行驶;同理，如果右侧的3号、4号传感器检测到有黑线，那么就向右侧行驶;这样就能不断调整方向，使小车保持直线状态。转向是通过4个轮子的差速完成的，对于不同的弯道调整转速和方向。电路包括传感器和调理电路两个部分，传感器部分有红外发射管，主动发出红外线，若有信号返回，接收管接收，证明地面有黑线;调理部分采用的是lm393型电压比较器，内部有两路电压比较器，可同时比较两路电压。

1.4  避障模块

超声模块有测距功能，利用该功能进行避障。模塊发出超声波，遇到遮挡物返回声波，对于返回的超声波做出判断，检测并计算与前方的距离，程序预设一个临界范围，若在规定阈值内没有检测出障碍物，则机器人可以运行。该设计采用的是hc-sr04型超声波，模块上有VCC，GND、发射信号和接收信号4个引脚，供电电压为5 V，信号管脚连接到微控制器的I/O口上。

1.5  机械臂及遥控模块

机械臂是由4个舵机组成的四自由度机械手爪，每一个关节处都是由舵机支架连接在一起的，通过驱动给舵机供电，保证其运行。通过微控制器编写的程序实现远程的遥控控制，这样保证其工作的准确度和稳定性。

按键模块主要包括以下几个部分：（1）整个系统的供电开关，采用自锁式开关。（2）复位按键，在系统出现问题时，保证系统不被损害，设置复位按键。由于考虑按键的误动作，常用软件程序削抖，采用延时检测的方法，延时5～10 ms再次判断按键的按下情况，避免误动作的发生。（3）遥控部分，使用PS2摇杆模块，有发射端和接收端，分别在远程操作者和机器人端实现远程对接，完成遥控执行任务。

2    工作流程

程序开始对处理器进行初始化，初始化分为硬件模块初始化和微控制器两部分。内部为硬件模块初始化，包括超声波模块初始化和循迹模块初始化。内部配置包括微控制器的时钟配置，输出模式及管脚配置。之后进行寻迹模块和超声模块数据采集，对采集到的数据进行判断。判断传感器是否有识别到黑线，如果有则沿线行驶，如果未找到，则保持直行。判断采集到的超声数据是否有障碍物，如果有，则避开障碍物，如果未扫描到障碍物，则保持直行状态。系统主流程如图2所示。

3    结语

经过不断的实验，使智能搬运机器人工作正常，可以实现智能的寻迹驾驶和避障行为，同时，远程可以操控舵机机械臂搬运物体。整个作品的完成过程，积累了很多的知识与经验，将理论的知识和实际中的硬件设备结合在一起，更加理解智能产品的工作原理，受益匪浅。

[参考文献]

[1]邓哲宇.轮式移动机器人建模与运动控制策略研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[2]王大宇.轮式移动机器人控制系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2013.

[3]王珊珊.轮式移动机器人控制系统设计[D].南京：南京理工大学，2013.