智能搬运车控制系统设计

夏天+++杨斌

摘 要：针对智能搬运车的控制问题，提出了采用STM32F103控制器构建控制系统的方法，应用于智能搬运车的寻迹及运动控制。首先进行了智能搬运车的总体控制方案设计；然后设计了STM32最小系统、机械手控制、舵机控制和驱动电机的速度控制算法；最后进行了系统整体调试。实验表明，该控制系统实现了智能搬运车的全向运动、精确定位和智能避障。

关键词：全向移动平台；智能控制；STM32F103

1 概述

1980年代初期，为了提升公司生产的效率，美国一家生产公司从其他地方学习了智能搬运车的关键技术，在此技术上又做进一步的改进，整体提升了智能搬运车的实用性及稳定性[1]。此后，许多的公司都进行了研究与创新，智能搬运车技术有了长足发展。比较典型的例子包括：瑞典的一家制造企業开发了激光智能寻线车，利用激光引导小车寻线；荷兰发明了以磁体技术导引的智能寻线车[2]。随着网络技术和信息技术的高速发展，智能搬运车充分利用了网络资源、电子技术、传感技术等一系列新技术的优势，大大提高了运动控制、智能寻迹和精确定位的性能，使得智能搬运车的应用越来越广泛，比如汽车、餐饮、航天、医院、工厂、农业等[3]。随着智能搬运车应用领域越来越广泛，推进了该技术不断地完善与发展。本文提出了采用STM32F103控制器构建控制系统的方法，采用白光传感器实现自动寻迹，超声波传感器对移动方向的障碍进行检测，对障碍的位置进行判断从而选择最优的路线移动；设计了STM32F103主控电路、超声波处理电路、电机驱动电路、舵机控制电路和机械手控制电路，实现了搬运车全向运动、精确定位和智能避障。

2 总体方案设计

智能搬运车共有STM32F103微控处理器、电机驱动、机械手、寻迹模块、避障模块、电源模块和稳压模块等七个部分组成。智能搬运车控制系统以微控制器为核心，接收外围传感器的信号，经过相关算法的分析、判断，输出控制信号到电机驱动模块，实现智能搬运车的运动控制；输出控制信号到机械手控制模块，实现抓取物体和放下的操作。在运动控制中，一方面要实现智能车的精确定位，另一方面要实现智能避障控制。在抓取与放下控制中，要实现精确定位和机械手的柔性控制。

2.1 搬运车寻线方案

智能搬运车有多种寻线方式，比如红外传感器寻迹、白光传感器寻迹、电磁感应寻迹和激光导引等，电磁感应需要庞大的运行轨道，激光导引需要大量的计算和严格位置要求，根据用户需要，本设计选择白光传感器寻线[4]。

该传感器把发射装置和接收装置作为一体，这样减少了安装时不必要的误差。接收装置检测被反射回来的光强的大小，传感器上面的转换芯片把模拟量转换为数字量上传到主控芯片。提前预设好的轨道为白线轨道，把白光传感器安装在智能搬运车的前端，从左到右分别标记为1-15号传感器。若7号传感器感应到白线，智能搬运车将会跟着白线直走；若1-6号传感器感应到白线，说明智能搬运车发生偏离并且是左边车轮靠近白线。此时控制器会接收到白光传感器微控芯片传来的八位二进制信号，将会立即调整左右电机的速度使其产生速度偏差，让右电机速度大于左电机速度，从而使智能搬运车发生左转弯，实现智能搬运车对其行驶方向的矫正。同理，若此时8-15号传感器感应到白线，智能搬运车放生偏离并且车身发生右偏，控制器会调整左右电机速度，让左电机的速度高于右电机的转速，从而使智能搬运车发生右转弯。

2.2 机械手控制方案

本设计的智能搬运车车身采用四轮模型车，车身重量比较轻，为了整个设计安全性，采用简单的机械手设计。就是通过STMF103微控制器产生PWM方波，通过控制舵机的转动，让机械手可以抓取货物和放下物体。整个机械手使用两个舵机，两个舵机相互配合完成操作，一个舵机控制角度的转向，另一个舵机控制物品的抓取与放下。

2.3 电源方案

在智能搬运车的控制中，需要较大的输出电流和电压，选用四块基于LM2596来提供稳定的电压。该稳压模块能够输出3A的驱动电流，而且该模块对电源的高频率的干扰具有抗干扰的能力，减少对设计的影响。在输入电压最高为40V的情况下，它可以调节出最高为37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率放生器，LM2596的内部振荡频率为150KHz，具有功耗小，效率高的特性。相对于低频开关，它的滤波元件规模更小，该电压调节器添加几个外部元件就可以使用，通常该模块只需要四个外接元件，它可以使用通用的标准电感，这使开关电源电路的设计非常的简单，但是又具有自我保护的功能。

2.4 避障方案

避障传感器采用E18-D80NK，是一种红外传感器，这种红外传感器是集接受和发射于一体，该传感器拥有较远的探测距离，可以不受可见光干扰，而且操作起来比较方便。该红外传感器对黑色绿色等比较敏感，对白色红色不敏感，而且在粗糙的面比光滑的面效果更好，红外传感器的实质并不是通过检测颜色来判断，而是通过检测红外对光的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。

3 硬件系统设计

智能搬运车控制系统包括控制器最小系统、电机驱动电路、稳压电路、机械手系统等。

主控芯片采用STM32F103，是STM32系列单片机的一种，符合AMR公司Cortex-M3内核标准。它的最高工作频率为72MHz，是一款性能非常高的产品，STM32微处理器的工作电压为3.3V，在工作时能耗非常低。自带电源监控，看门狗定时器，复位电路检测，拥有非常精确的振荡电路，该振荡电路频率为8MHz，可以作为时钟源使用[5]。

电机驱动电路选用BTS7970芯片，BTS7970可结合其他的BTS7970形成全桥和三相驱动结构。每一个芯片有7个引脚，IN是一个输入引脚，它决定着高低电位的开启，当设置为低电平的时候，INH会控制进入休眠状态。SR引脚为速率转化，其速率的调节为SR和地线之间的电阻R5控制。OUT1、OUT2两个输出接口连接左电机的两个控制端。同理，OUT3、OUT4接右电机的两个控制端。Vs可接逻辑电平信号，这里直接连接12V逻辑电压。

电源通过LM2596芯片实现DC-DC变换，经过一系列变换，整合电流，过滤掉杂波以后生成直流电。它可以自己进行调节电压，并且能够达到稳定电压的效果。LM2596稳压最高可以输入40V电压，选择接入一个12V的输入电压，开关电源经过降电压，滤波以后输出一个电压为5V的稳定电压。

机械手的动作靠舵机控制，STM32的定时器输出两路PWM波控制相对应的舵机来工作，每一路PWM控制一个舵机。每一个PWM波的周期是二十毫秒，通过在占空比百分之五到百分之十之间调节来控制舵机的转向。上电以后，舵机输出一个0.5ms-2.5ms的高电平脉冲，舵机也会转动相对应的角度，舵机的转动角度为0度到180度，LD-2015在断电的时候可以手动转动360度。两个舵机组成的机械手结构，通过调节每一个关节处舵机转动的角度即可实现机械手在两维度间的动作，同时实现一定限度的机械手的升降。

4 软件系统设计

编程软件选择Keil uVision4，对STM32F103芯片进行C语言程序编写，采用的是STM32F103标准的库函数编写。包括主程序、巡线子程序、PWM产生子程序、避障子程序等。

程序初始化以后，智能搬运车首先通过STM32微控制器控制机械手搬运物品，然后智能搬运车会利用寻线模块进行寻线。寻线传感器会根据白线所在位置进行位置的调整，最终经过不断地位置调整，智能搬运车可以寻着白线向正确方向前进。当到达位置时，机械手放下物体，即为完成工作。

寻线程序是设计的重点，当白光传感器检测白线并发送信号，判断智能搬运车是否发生跑偏现象。如果没有检测到偏离白线，智能搬运车会沿着预设好的轨迹直行。如果小车发生向左偏离，小车会自动向右转，并且不断地判断小车是否还偏离，直到小车不发生偏离；同理，若果小车发生右偏移的，它也能够向左转调整方向，直到小车可以沿着轨迹直走为止。

通过改变PWM波的脉冲宽度，来改变舵机的转轴角度，STM32微控制器通过数字输出对模拟电路来进行调节，通过调节脉冲的宽度来达到整体的控制。STM32F103一共有八个定时器，而一般通用的定时器如TIM2，3，4，5都可以产生四路的PWM，但是TIM6和TIM7不能产生PWM方波。

5 结束语

本文設计的控制系统实现了智能搬运车的自动寻迹、自动避障、物体精确的抓取和放置等功能，制作出了智能车模型，通过实验和测试，结果表明达到了预期的设计目标，具有很好的推广应用价值。

参考文献

[1]梁侨，赵宏才，赵晓杰，等.自动避障避险小车的研究[J].辽宁科技学院学报，2015，02：4-6.

[2]王秀星.电子商务环境下智能仓储系统的应用[J].信息技术与信息化，2015，04：73-74.

[3]黄丽莉，张智勇.物联网技术在物流仓储管理体系中的应用[J].中国集体经济，2012，31：67-69.

[4]高云华.基于AT89S52的多功能智能小车设计[J].山西电子技术，2012，05：26-27.

[5]张锴，李世光，朱晓莉，等.基于STM32的智能巡线小车[J].电子测量技术，2012，02：105-107.