基于STM 32的物资搬运小车的研究

文/葛金梅 阳志杰 刘科明 梁克杭 陈春 黄东

根据物资搬运特点进行设计灵动物资搬运小车，通过APP上的控制，利用STM 32单片机输出方向信号，及脉冲输出控制直流减速电机控制麦克纳姆轮全方位移动和单片机输出PWM控制舵机，OpenMV配合六自由度机械臂PID闭环抓取和放置物资，超声波模块完成避障，进而使小车完成具体路线极其灵活抓取物资。

0.引言

全球疫情反复多变，为了更好地避免人群聚集，同时又不影响人们的正常生活，保证好物资的供给，因此物资的搬运尤为重要，迫切需要设计出一款“灵动物资搬运小车”，该物资搬运小车结合传感的测试技术，智能控制方法论技术及电网拖动技术，能够应对复杂多变的状况，达到机器代替人工的作用。

1.创新性设计方案

物流、快递的迅猛发展，物件分类越发细化，尤其是对搬运件的物品，在需要对物资分类搬运的情形下，就会变得非常繁琐，浪费大量的人力，效率低下。这时搬上灵动物资搬运小车，就可对物资自主进行分类，减少人力的付出，大大提高工作效率。

2.主要硬件设计

2.1 STM 32单片机。STM 32单机结构较为简单，成本比较低，应用泛。不仅能使用寄存器展开编程，并且能使用官所提供的库档展开编程，所以选用STM 32单机展开整体的控制与运。

2.2 数字舵机。机械手指选用多台数字舵机，数字舵机依靠所确定是数据，然后将驱动力信号传输给电机马达，对于输出的信号源展开妥善处理。数字化舵机以低得多的频率向马达传送驱动力信号。进而提升了夹取精确度及稳定性，以达到预期实际效果[1]。

3.技术设计

用STM 32芯片输入方向信号源以及脉冲输入控制步进电动机，通过对输出脉冲数量控制及频率控制可驱动小车直行、转向、倒车等动作。单片机输出pwm 控制舵机，调整占空比等可调节机械臂工作速度。检测部分设计思路为：使用两个八路灰度传感器，分别装在小车的前面与左侧。小车平衡状态的控制，当小车到达设定的格子边缘时，前侧的八路传感器与左侧的八路传感器同时转为低电压时，小车为平衡状态，如果不是同时转为低电压时及时调整小车，使其前侧与左侧的灰度传感器都传回低电压，使小车变为平衡状态，两个传感器同时作为记录，作为小车经过格子数量来判定小车在地图的具体位置，进而使小车规划好具体路线[2]。

4.底板设计

底板设计主要包括小车的底板、轮子、电动机及各种传感的放置位置。底板选用克力板制作，激光切割加工完成，使用四轮四驱动的行走方式。小车设计采用隔空层模式，车体隔空层预留了3cm 的空间，用来安装各种驱动模块的电路板及导线，可以为小车整体提供足够的空间。除了安装机械臂外，上层车板，也预留有12*17cm 的长度空间，专门为搬运物体的存放空间设计，可以用来放置载物台。底板的材料为亚克力板长度和宽度分别设计为24*20cm，厚度为5mm，采用激光切割。车轮选用麦克纳姆轮，除能够前行、后退与滑行外也能够可以促成横移，轻退。对来说，可以消除多种路况[3]。

电机驱动模块设计：小车使用4个舵机搭配麦克娜姆轮来进行走动，舵机使用直流减速电机，舵机型号为MG513P30_12V，质量145g，外形尺寸73mm×33mm，输出轴径6mm，D型轴，额定参数12 V、0.36 A、293 r/m in、扭矩0.01 N，以对PWM 占空比的控制去进行转速的调整，从而以轮与轮之间的速度差来达到转向的目的。电机采纳大功率的隔离模块，能够实现反复分正方转，而且用起来非常简捷，只要电机的电源线与驱动相连，驱动IN1～IN4分别接STM 32F103RCT6的PWM 输出I/O口就可以实现PWM 信号控制[4]。

5.机器臂的主要组成及其功能

5.1 舵机控制板块：单片机作为舵机控制单元可将PWM 方形波幅的变化设为微秒电平舵机的转角准确度都能得到提升。接着单片机完成控制算法，在舵机上与PWM 信号源得到算法结果并相互转换，数字化系统的单片机系统减少了外界干扰整个系统运行比较平稳，得益于硬件计数支撑着控制信号源的变动。单片机想要去精准调整电机的转速，需要完成两个首要任务：第一步要生成PWM 的周期信号，在这里是延迟为0m s的信号；第二步是控制脉宽，以及控制占空比。在控制电机当中，系统实现其中一项任务即可。可采用中断定时长短的次数，分为两次进行中断执行，其优势就是减少硬件原件的浪费，软件开发的成本及工程可降低一定程度，还得到定位精度和管理效率都得到很大提升的控制管理系统，此控制方式就是使用改变初值的定时器中断的单片机。

5.2 六自由度机械臂：六个数字舵机组成六自由度机械臂，六自由度机械臂效果好、灵活高效，因此可以替人去完成各种比较精细的工作，实用性较高，市场潜力大[5]。机械臂在M atlab2020a的RoboticsToolbox工具箱去进行编程来控制机械臂的初端和末端进行转动的仿真以及角的转速的计算。进而用STM 32单片机作为中心模块，去完成六自由度机械臂的各个部位的转动的调控，并在Sim ulink中去将PID控制器添加到建立的模块当中来完成仿真。

5.2.1 机械臂动力学模型。在进行机械臂算法的设计以及转动的仿真模拟中，机械臂动力学模型的推导必不可少。常见机械臂建模方法有多种，本次使用拉格朗日公式法来建立系统模型[6]。

5.2.2 机械臂运动学分析。本款小车使用D-H法在xArm 1S智能总线的基础上去建立数学模型。这款设计的机械臂共有1个底座、3个旋转关节以及一个抓手，底座可以让机械臂进行360°任意旋转，所以对于基座的连杆X坐标轴与Y坐标轴都在平面内，而Z坐标轴位于平面内向上。而对于与基座和连杆1相连接的关节1，X坐标轴和Y坐标轴的方向都在纸面内，而Z坐标轴朝纸面向内的方向[7]。

5.2.3 机械臂运动仿真与角度计算。（1）基于Robtics Toolbox工具箱的机械臂运动仿真。使用Robotics Toolbox10.4工具箱编程器完成对六自由度机械臂的仿真的模型搭建，进而完成机械臂的UIG界面。RoboticsToolbox能够完成机械臂的图形效果以及进行关节的位置还有一些数据的计算，在这时X、Y、Z三大坐标轴还可以显示抓手的位置信息。通过仿真来收集各个关节与机械臂的转动信息，记录这些信息，即可使用实物来调整实现。

5.3 Openm v配合机械臂PID闭环抓取和放置物资。Openm v作为图像识别传感，分别采用特征点检测算法识别和颜色识别块和臂，进而达到定位目标。然后计算两者欧几里得距离，展开摄像机失真补偿，将结果通过串口发送，利用PID闭环算法展开机械臂传动装置控制与此同时继续运转直至偏差成为极小值然后展开抓取。在现实的工作环境中如出现一些误差，就可以PID去调控六自由度机械臂的每一个旋转关节，能够减低机械臂在运作时外界对其造成的影响。进行比例的修改，能够加快系统的运行速度以及减少峰值响应所需的时间；进行积分的修改，能够提升系统的稳定性及精确度，降低系统响应时的误差；进行微分的修改，能够尽早降低系统响应的超调量，加强系统的稳态。

6.结语

设计的灵动物料搬运小车经过测试，能够完成对物资搬运基本任务。在未来的设计创作道路上，只有不断进取，对物料搬运小车不断地进行完善改进、优化，才能取得进一步成功。