基于STM32的智能物料搬运小车的设计

何宗志 李海华 张 琳 崔志远 李鹏飞

（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003）

1 比赛场地、物料尺寸及放置要求

1.1 比赛场地

赛场采用近水平铺设，尺寸为4 800 mm×2 400 mm的长方形平面区域，如图1所示。

图1 比赛场地（单位：mm）

赛场周围设有挡板（无高度限制，颜色和高度不做任何要求，仅作为场地边界），由于边界挡板的不确定性，故不适合用边界测距的方式确定小车的位置。赛道地面为亚光白色或浅黄色等浅色底色，路线有线宽为20 mm、线中心距为300 mm的黑色方格组成。比赛场地内，设置半成品区、精加工区、原料区、粗加工区、出发区、返回区、库存区。决赛时拆除挡板。

1.2 比赛所搬运的物料

搬运的物料模型图由solidworks绘制，利用3d打印机用三种不同颜色（红、绿、蓝）PLA耗材打印出模型。

搬运的物料所放置的原料区和库存区的尺寸（长×宽×高）为580 mm×145 mm×（80～100）mm双层货架，白色哑光，原料区的高度为100 mm，物料采用颜色识别，库存区货架高度为80～100 mm，采用条形码识别物料放置位置。

物料尺寸、原料区和库存区如图2、图3所示。

图2 物料尺寸（单位：mm）

图3 原料、库存区（单位：mm）

1.3 物料放置的要求

依据小车放置的物料接触的最外一圈色环，通过查表得出分数，如表1所示。

表1 环号及环尺寸

2 系统设计

2.1 主控制器

主控芯片采用STM32F103ZET6，为中等容量增强型，32位基于ARM核心的128 kB字节闪存微控制器USB、CAN，7个定时器、2个ADC、9个通信接口、2个12位模数转换器，1 μs转换时间（多达16个输入通道）；ARM 32位的Cortex™-M3 CPU（最高72 MHz工作频率），内核为Cortex-M3，该款处理器适合处理大量信息和同时控制多个硬件，能够较好地处理此次比赛。

Cortex-M3模块如图3所示。

图4 Cortex-M3模块

2.2 颜色识别与捕捉设计

匹配原装进口芯片TCS3200的颜色识别传感器，8引脚SOIC表面贴片式封装。

芯片集成64个光电二极管，其中16个光电二极管（带红色滤波器）、16个光电二极管（绿色滤波器）、16个光电二极管（蓝色滤波器）、16个光电二极管（无任何滤波器）。64个二极管可以用于接收全部的光信息。由于光电二极管为交叉排列式，能够有效保证入射光辐射的均匀性，提高颜色识别的精确性。

2.3 电源模块设计

采用12 V锂电池分别为直流减速电机和单片机以及传感器供电，除了给电机提供12 V电源以外，其余电压供电方式采用L7812CV三端电源稳压模块进行供电。提供正常工作的5 V直流电压给单片机，提供正常工作的7.2 V直流电压给数字电机（机械手组件）。

2.4 灰度传感器巡线设计

采用四路灰度传感器，X轴和Y轴方向各装一个，用于循迹和记录小车所处位置。采用进口聚光高亮LED，前置发光探头设计，可在一定范围内抵抗巡线赛；场地灯光和环境光的干扰；配合四路线性可调电阻，灵敏度、稳定性更高。数字信号以1或0输出，编程控制简单；根据场地光线等情况调节信号灵敏度。电压比较器有两个电压输入，一个为接收管的电压，一个为电位器输入的基准电压，根据接收管2种色的电压值调节基准电压。

2.5 超声波避障设计

避障模块采用超声波避障模块HC-SR04，在一定距离内能够高效地检测障碍物与小车的距离，并将检测的距离与程序设定的安全距离进行判定，判断是否需要启动自动避障动作。对外界发送40 kHz的工作频率，可自行设定每秒发射超声波的次数（过高会加重单片机内核运算负荷，过低会导致距离检测不及时，无法地避障）。超声波模块将反射时间输入给单片机内核，单片机将时间带入声波和距离计算公式，即可计算小车与障碍物的距离，有效躲避障碍物。

3 系统软件设计

3.1 系统整体软件设计思路

软件流程如图5所示。

图5 软件流程

采用配备双霍尔磁性编码器775减速直流电机码盘的直流减速电机。根据比赛赛道建立绝对坐标系和相对坐标系，单片机根据传感器和电机采集的数据进行计算，得出小车所处位置，让小车执行相应的指令。执行指令过程中，通过小车自身传感器配以PI算法产生中断对指令的执行进行微调，更好地完成任务。执行的任务有采用GM65条形码/二维码扫描识别模块扫描二维码接受任务和扫描条形码确定物品；内部算法定位，用配以颜色识别模块和距离传感器的机械臂（20 kg数字舵机）抓取物品运送到指定区域；单片机读取速度并控制速度最终计算出行驶的距离，确定小车自身所处位置，采用两个四路灰度传感器循迹并识别路线；执行的任务通过LCD1602字符液晶屏显示。

3.2 搬运目标颜色识别软件设计

本设计利用TCS3200D颜色传感器模块对搬运目标进行识别。对TCS3200D颜色传感器模块进行初始化，即进行白平衡设置；单片机通过传感器采集搬运物品反射光线的信息；通过程序进行三基色分离，通过RGB中三种颜色设置的参数值范围识别颜色。软件程序流程如图6所示。

图6 软件程序流程

4 结语

程序高效地安排了程序运行时间，有效提高了程序运行的速率，编译的程序能够快速发现错误并修改，满足了比赛中遇到比赛任务改变的情况。小车在赛道上运行平稳，能够有效执行任务。软、硬件均经过多次测试，保障在运行稳定，出现问题时内部检测系统能够及时报错，便于修改。