智能搬運(yùn)小車運(yùn)動(dòng)無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)小車運(yùn)動(dòng)無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要隨著工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的多樣化和環(huán)境的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)搬運(yùn)小車的機(jī)械搬運(yùn)方式已不適合電子、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境，急需研究智能搬運(yùn)小車去解決這一問(wèn)題。智能搬運(yùn)小車采用樹(shù)莓派控制器作為主控單元，由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩部分組成?？刂葡到y(tǒng)由一些傳感器、開(kāi)關(guān)、攝像頭、無(wú)線接收發(fā)送裝置等部件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的遠(yuǎn)程控制的運(yùn)動(dòng)、智能識(shí)別避障、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能;同時(shí)利用紅外無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和小車的通訊，選用合適功率、體積小的直流力矩電機(jī)，同時(shí)，配以合適的驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在交互上使用藍(lán)牙無(wú)線通信模塊完成手機(jī)APP對(duì)機(jī)械臂的控制以及小車運(yùn)動(dòng)的控制。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)功能穩(wěn)定，智能化程度高、功能集成性高、遠(yuǎn)程精確控制、操作方便靈活，能夠完美保護(hù)工人的安全還能提升工廠的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了貨物的智能化搬運(yùn)。關(guān)鍵詞：智能搬運(yùn)小車；樹(shù)莓派控制器；機(jī)械臂設(shè)計(jì)；紅外控制；APP控制；目錄TOC\o"1-3"\h\u28343第1章緒論 圖6.2紅外遙控系統(tǒng)軟件流程圖6.4驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)包含分揀模塊和輸送模塊，分別采用機(jī)械臂和傳送帶。相機(jī)用于采集快遞信息，主控模塊對(duì)信息進(jìn)行處理后，發(fā)送指令給機(jī)械臂進(jìn)行不同方向的分揀。傳送帶由樹(shù)莓派控制運(yùn)轉(zhuǎn)，占空比可調(diào)，便于實(shí)時(shí)控制速度。為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要在主控模塊中設(shè)置相應(yīng)引腳的GPIO口為輸出模式。驅(qū)動(dòng)模塊程序設(shè)計(jì)流程如圖6.3所示。圖6.3驅(qū)動(dòng)電路流程圖6.5APP傳輸軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的核心是Android終端，通過(guò)安裝自行開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙通信軟件，用戶可以通過(guò)XBee藍(lán)牙模塊發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino平臺(tái)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小車的各個(gè)模塊工作。同時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集路徑信息、前方障礙物信息以及終點(diǎn)信息，控制搬運(yùn)裝置完成搬運(yùn)任務(wù)，并向Android終端反饋信息，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的智能搬運(yùn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的核心是Android終端，通過(guò)安裝自行開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙通信軟件，用戶可以通過(guò)XBee藍(lán)牙模塊發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)Arduino平臺(tái)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)小車的各個(gè)模塊工作。同時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集路徑信息、前方障礙物信息以及終點(diǎn)信息，控制搬運(yùn)裝置完成搬運(yùn)任務(wù)，并向Android終端反饋信息，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的智能搬運(yùn)系統(tǒng)。圖6.4APP控制示意圖藍(lán)牙模塊主要有三個(gè)步驟：1.定義9600的波特率2.讀取藍(lán)牙的字符3.通過(guò)讀取不同的字符，判斷不同的操作。為了實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)與樹(shù)莓派的通信，需要在兩端分別配置藍(lán)牙模塊，并開(kāi)發(fā)藍(lán)牙通信軟件。Android手機(jī)在2.0以上版本中提供了藍(lán)牙API接口和相應(yīng)功能，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的開(kāi)啟、關(guān)閉、搜索、連接等功能。藍(lán)牙通信軟件主要功能是建立套接字通信，通過(guò)藍(lán)牙串行端口軟件以數(shù)據(jù)流的形式輸入和輸出數(shù)據(jù)。在建立連接之前，需要進(jìn)行藍(lán)牙搜索和配對(duì)，然后可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和藍(lán)牙設(shè)置。在Android平臺(tái)中，藍(lán)牙協(xié)議被支持，并提供藍(lán)牙功能包，可以在藍(lán)牙設(shè)備之間建立無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙串口通信。詳細(xì)功能包見(jiàn)表6-1。表6-1藍(lán)牙功能包Android手機(jī)藍(lán)牙軟件主要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備間串口通信鏈路的建立，其中包括藍(lán)牙的搜索、配對(duì)、建立通信、發(fā)送指令、數(shù)據(jù)顯示、斷開(kāi)連接和退出等功能。Android藍(lán)牙通信軟件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6.5所示：圖6.5Android藍(lán)牙通信軟件功能結(jié)構(gòu)6.6物體跟隨模塊程序設(shè)計(jì)在小車前面安裝一個(gè)超聲波傳感器，小車通過(guò)藍(lán)牙串口接收到自動(dòng)跟隨的指令。打開(kāi)超聲波傳感器，超聲波傳感器持續(xù)發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到物體后會(huì)原路返回到超聲波傳感器，通過(guò)超聲波發(fā)出和接收的時(shí)間差，可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的距離，再通過(guò)比較距離根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的跟隨閾值大小，判斷小車應(yīng)該前進(jìn)、后退還是停止。圖6.6物體跟隨流程圖系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試7.1樹(shù)莓派與傳感器的測(cè)試在開(kāi)始使用樹(shù)莓派之前，需要先將操作系統(tǒng)安裝到SD卡中。為此，可以從樹(shù)莓派官網(wǎng)下載Raspbian鏡像文件并將其燒錄到SD卡中。在完成安裝后，需要修改配置文件以開(kāi)啟串口設(shè)置指令，并連接顯示屏以進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)啟SSH、遠(yuǎn)程VNC功能和WIFI連接。這樣可以方便地?zé)o線登陸樹(shù)莓派桌面進(jìn)行使用，并使用文件傳輸應(yīng)用程序?qū)⒕幊檀a傳輸?shù)綐?shù)莓派上運(yùn)行。在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，首先需要連接傳感器并確認(rèn)其是否正常工作。將傳感器與樹(shù)莓派連接后上電預(yù)熱一段時(shí)間，可以在樹(shù)莓派端執(zhí)行數(shù)據(jù)上報(bào)程序的腳本來(lái)測(cè)試傳感器的功能。如果客戶端能夠正常顯示傳感器上傳的數(shù)據(jù)，就說(shuō)明傳感器正常工作，并且通信連接正常。這樣可以保證在實(shí)際運(yùn)行中，傳感器能夠正常地上傳數(shù)據(jù)并與樹(shù)莓派進(jìn)行通信。圖7.1傳感器測(cè)試圖7.2電機(jī)與舵機(jī)測(cè)試將電機(jī)與樹(shù)莓派相連接，樹(shù)莓派連接電源，然后燒入電機(jī)控制小程序，控制電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止均正常，說(shuō)明電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路無(wú)誤。同理燒入舵機(jī)控制程序，將舵機(jī)與樹(shù)莓派相連接，控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，說(shuō)明舵機(jī)電路無(wú)誤可正常運(yùn)行。7.3小車的組裝測(cè)試小車各個(gè)模塊都能正常運(yùn)行后，我們開(kāi)始小車的組裝，先將電機(jī)和電機(jī)支架安裝到亞克力底板上，支架在亞克力地板下側(cè)。然后將的小車的四個(gè)輪子分別安裝到四個(gè)電機(jī)上并用螺絲固定好。然后將機(jī)械臂按照原理圖進(jìn)行拼裝，將機(jī)械臂和樹(shù)莓派用螺絲固定在亞克力的上板上，將樹(shù)莓派與各個(gè)模塊進(jìn)行連接，然后用螺絲將亞克力上下板進(jìn)行拼接，拼接同時(shí)將超聲波傳感器安裝到小車前后的卡槽中。在進(jìn)行組裝的時(shí)候我們要注意先要樹(shù)莓派與各個(gè)模塊進(jìn)行連接，然后再進(jìn)行小車上下底盤的拼接，由于本人開(kāi)始時(shí)不太了解，先拼接的小車上下地盤后進(jìn)行樹(shù)莓派與各個(gè)模塊連接，導(dǎo)致后面樹(shù)莓派與各個(gè)模塊連接很困難，甚至有的模塊與樹(shù)莓派連接不上。拼裝好的小車如圖7.2所示。圖7.2組裝好的小車7.4物體跟隨功能的測(cè)試將物體跟隨程序代碼發(fā)送到樹(shù)莓派上，打開(kāi)電源，開(kāi)啟物體跟隨功能，實(shí)時(shí)觀測(cè)物體距離小車的距離以及小車的運(yùn)動(dòng)情況，并記錄下來(lái)，測(cè)試結(jié)果如表7.3所示表7.3測(cè)試結(jié)果第一次距離物體的距離小車移動(dòng)情況2-80cm小車向物體反方向移動(dòng)當(dāng)?shù)?8cm時(shí)小車靜止80-100cm小車保持不動(dòng)100-180cm小車向物體方向移動(dòng)第二次距離物體的距離小車移動(dòng)情況2-80cm小車向物體反方向移動(dòng)80-100cm當(dāng)再95cm時(shí)小車向物體方向移動(dòng)100-180cm小車向物體方向移動(dòng)第三次距離物體的距離小車移動(dòng)情況2-80cm小車向物體反方向移動(dòng)當(dāng)?shù)?9cm時(shí)小車靜止80-100cm小車靜止100-180cm當(dāng)?shù)?01cm時(shí)小車向物體方向移動(dòng) 根據(jù)測(cè)試結(jié)果我們可以看出，物體跟隨功能的實(shí)現(xiàn)基本符合我們的預(yù)期，由于物體和小車之間角度問(wèn)題，有一點(diǎn)偏差屬于正常情況。在調(diào)式程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確導(dǎo)致小車失靈，對(duì)于這段程序調(diào)試用了很長(zhǎng)的時(shí)間，由于當(dāng)時(shí)程序并未調(diào)好所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果并未計(jì)算在內(nèi)。7.5app控制功能的測(cè)試打開(kāi)手機(jī)藍(lán)牙連上小車的信號(hào)，進(jìn)入小車控制界面，app控制界面如圖7.4所示，然后點(diǎn)擊手機(jī)上的指令鍵，觀察小車是否按照指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，結(jié)果分析，小車反應(yīng)良好，動(dòng)作靈敏。符合app控制的基本要求。圖7.4app控制界面結(jié)論移動(dòng)機(jī)器人的出現(xiàn)給人類帶來(lái)了重大的變革，作為高新技術(shù)的代表，它綜合了多個(gè)領(lǐng)域的成果。本文基于國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r和課題設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線控制模式的智能搬運(yùn)小車，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其正確性和實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：1.小車整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。選擇小車的運(yùn)動(dòng)模式，建立小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)計(jì)和分析控制系統(tǒng)、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和主控制模塊，并引入電機(jī)控制技術(shù)。2.小車傳感器模塊設(shè)計(jì)，包括障礙物檢測(cè)模塊、車輪速度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)檢測(cè)程序并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得出超聲波的穩(wěn)定測(cè)距范圍、不同占空比下小車的速度變化曲線以及利用電子羅盤測(cè)得小車航向角。3.app控制方面，在協(xié)議堆棧的APP層中，設(shè)計(jì)了鍵盤響應(yīng)和串行端口通信程序圖形接口。同時(shí)，對(duì)本課題的無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明傳輸穩(wěn)定可靠，適用于小車的通信。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，系統(tǒng)反應(yīng)較為靈活，硬件電路由可拆卸模塊拼接而成有很大的擴(kuò)展空間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該小車設(shè)計(jì)方案正確，可行。其實(shí)現(xiàn)的功能符合預(yù)期結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定，可靠。雖然智能小車系統(tǒng)有很多的優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)中也存在著一些不足，如如果在開(kāi)始物體跟隨功能時(shí)，中間突然出現(xiàn)其他物體，小車會(huì)跟隨其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，破壞了原來(lái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以在使用過(guò)程中要注意環(huán)境影響。

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