智能搬運小車運動無線控制系統(tǒng)的設(shè)計

智能搬運小車運動無線控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要隨著工廠生產(chǎn)產(chǎn)品的多樣化和環(huán)境的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)搬運小車的機械搬運方式已不適合電子、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境，急需研究智能搬運小車去解決這一問題。智能搬運小車采用樹莓派控制器作為主控單元，由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)兩部分組成?？刂葡到y(tǒng)由一些傳感器、開關(guān)、攝像頭、無線接收發(fā)送裝置等部件組成，實現(xiàn)對小車的遠(yuǎn)程控制的運動、智能識別避障、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能;同時利用紅外無線通信模塊實現(xiàn)上位機和小車的通訊，選用合適功率、體積小的直流力矩電機，同時，配以合適的驅(qū)動模塊來實現(xiàn)對電機的驅(qū)動，在交互上使用藍牙無線通信模塊完成手機APP對機械臂的控制以及小車運動的控制。經(jīng)測試，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，能夠完美保護工人的安全還能提升工廠的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了貨物的智能化搬運。關(guān)鍵詞：智能搬運小車；樹莓派控制器；機械臂設(shè)計；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)動模塊程序設(shè)計本系統(tǒng)包含分揀模塊和輸送模塊，分別采用機械臂和傳送帶。相機用于采集快遞信息，主控模塊對信息進行處理后，發(fā)送指令給機械臂進行不同方向的分揀。傳送帶由樹莓派控制運轉(zhuǎn)，占空比可調(diào)，便于實時控制速度。為了驅(qū)動電機，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)動模塊程序設(shè)計流程如圖6.3所示。圖6.3驅(qū)動電路流程圖6.5APP傳輸軟件設(shè)計本系統(tǒng)的核心是Android終端，通過安裝自行開發(fā)的藍牙通信軟件，用戶可以通過XBee藍牙模塊發(fā)出指令，實現(xiàn)對Arduino平臺無線網(wǎng)關(guān)的控制，進而驅(qū)動小車的各個模塊工作。同時，系統(tǒng)可以實時采集路徑信息、前方障礙物信息以及終點信息，控制搬運裝置完成搬運任務(wù)，并向Android終端反饋信息，實現(xiàn)了一個完整的智能搬運系統(tǒng)。本系統(tǒng)的核心是Android終端，通過安裝自行開發(fā)的藍牙通信軟件，用戶可以通過XBee藍牙模塊發(fā)出指令，實現(xiàn)對Arduino平臺無線網(wǎng)關(guān)的控制，進而驅(qū)動小車的各個模塊工作。同時，系統(tǒng)可以實時采集路徑信息、前方障礙物信息以及終點信息，控制搬運裝置完成搬運任務(wù)，并向Android終端反饋信息，實現(xiàn)了一個完整的智能搬運系統(tǒng)。圖6.4APP控制示意圖藍牙模塊主要有三個步驟：1.定義9600的波特率2.讀取藍牙的字符3.通過讀取不同的字符，判斷不同的操作。為了實現(xiàn)Android手機與樹莓派的通信，需要在兩端分別配置藍牙模塊，并開發(fā)藍牙通信軟件。Android手機在2.0以上版本中提供了藍牙API接口和相應(yīng)功能，可以實現(xiàn)藍牙的開啟、關(guān)閉、搜索、連接等功能。藍牙通信軟件主要功能是建立套接字通信，通過藍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，需要進行藍牙搜索和配對，然后可以進行數(shù)據(jù)傳輸和藍牙設(shè)置。在Android平臺中，藍牙協(xié)議被支持，并提供藍牙功能包，可以在藍牙設(shè)備之間建立無線連接，實現(xiàn)藍牙串口通信。詳細(xì)功能包見表6-1。表6-1藍牙功能包Android手機藍牙軟件主要實現(xiàn)藍牙設(shè)備間串口通信鏈路的建立，其中包括藍牙的搜索、配對、建立通信、發(fā)送指令、數(shù)據(jù)顯示、斷開連接和退出等功能。Android藍牙通信軟件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6.5所示：圖6.5Android藍牙通信軟件功能結(jié)構(gòu)6.6物體跟隨模塊程序設(shè)計在小車前面安裝一個超聲波傳感器，小車通過藍牙串口接收到自動跟隨的指令。打開超聲波傳感器，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原路返回到超聲波傳感器，通過超聲波發(fā)出和接收的時間差，可以計算出實時的距離，再通過比較距離根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的跟隨閾值大小，判斷小車應(yīng)該前進、后退還是停止。圖6.6物體跟隨流程圖系統(tǒng)調(diào)試和測試7.1樹莓派與傳感器的測試在開始使用樹莓派之前，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啟串口設(shè)置指令，并連接顯示屏以進入系統(tǒng)開啟SSH、遠(yuǎn)程VNC功能和WIFI連接。這樣可以方便地?zé)o線登陸樹莓派桌面進行使用，并使用文件傳輸應(yīng)用程序?qū)⒕幊檀a傳輸?shù)綐漭缮线\行。在進行實際測試時，首先需要連接傳感器并確認(rèn)其是否正常工作。將傳感器與樹莓派連接后上電預(yù)熱一段時間，可以在樹莓派端執(zhí)行數(shù)據(jù)上報程序的腳本來測試傳感器的功能。如果客戶端能夠正常顯示傳感器上傳的數(shù)據(jù)，就說明傳感器正常工作，并且通信連接正常。這樣可以保證在實際運行中，傳感器能夠正常地上傳數(shù)據(jù)并與樹莓派進行通信。圖7.1傳感器測試圖7.2電機與舵機測試將電機與樹莓派相連接，樹莓派連接電源，然后燒入電機控制小程序，控制電機進行正反轉(zhuǎn)，停止均正常，說明電機與電機驅(qū)動電路無誤。同理燒入舵機控制程序，將舵機與樹莓派相連接，控制舵機運轉(zhuǎn)正常，說明舵機電路無誤可正常運行。7.3小車的組裝測試小車各個模塊都能正常運行后，我們開始小車的組裝，先將電機和電機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輪子分別安裝到四個電機上并用螺絲固定好。然后將機械臂按照原理圖進行拼裝，將機械臂和樹莓派用螺絲固定在亞克力的上板上，將樹莓派與各個模塊進行連接，然后用螺絲將亞克力上下板進行拼接，拼接同時將超聲波傳感器安裝到小車前后的卡槽中。在進行組裝的時候我們要注意先要樹莓派與各個模塊進行連接，然后再進行小車上下底盤的拼接，由于本人開始時不太了解，先拼接的小車上下地盤后進行樹莓派與各個模塊連接，導(dǎo)致后面樹莓派與各個模塊連接很困難，甚至有的模塊與樹莓派連接不上。拼裝好的小車如圖7.2所示。圖7.2組裝好的小車7.4物體跟隨功能的測試將物體跟隨程序代碼發(fā)送到樹莓派上，打開電源，開啟物體跟隨功能，實時觀測物體距離小車的距離以及小車的運動情況，并記錄下來，測試結(jié)果如表7.3所示表7.3測試結(jié)果第一次距離物體的距離小車移動情況2-80cm小車向物體反方向移動當(dāng)?shù)?8cm時小車靜止80-100cm小車保持不動100-180cm小車向物體方向移動第二次距離物體的距離小車移動情況2-80cm小車向物體反方向移動80-100cm當(dāng)再95cm時小車向物體方向移動100-180cm小車向物體方向移動第三次距離物體的距離小車移動情況2-80cm小車向物體反方向移動當(dāng)?shù)?9cm時小車靜止80-100cm小車靜止100-180cm當(dāng)?shù)?01cm時小車向物體方向移動 根據(jù)測試結(jié)果我們可以看出，物體跟隨功能的實現(xiàn)基本符合我們的預(yù)期，由于物體和小車之間角度問題，有一點偏差屬于正常情況。在調(diào)式程序時，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確導(dǎo)致小車失靈，對于這段程序調(diào)試用了很長的時間，由于當(dāng)時程序并未調(diào)好所以實驗結(jié)果并未計算在內(nèi)。7.5app控制功能的測試打開手機藍牙連上小車的信號，進入小車控制界面，app控制界面如圖7.4所示，然后點擊手機上的指令鍵，觀察小車是否按照指令進行運動，結(jié)果分析，小車反應(yīng)良好，動作靈敏。符合app控制的基本要求。圖7.4app控制界面結(jié)論移動機器人的出現(xiàn)給人類帶來了重大的變革，作為高新技術(shù)的代表，它綜合了多個領(lǐng)域的成果。本文基于國內(nèi)外移動機器人的發(fā)展?fàn)顩r和課題設(shè)計要求，設(shè)計了一套基于無線控制模式的智能搬運小車，并通過實驗驗證了其正確性和實現(xiàn)了預(yù)期功能。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：1.小車整體架構(gòu)設(shè)計，包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個部分。選擇小車的運動模式，建立小車的運動學(xué)模型，設(shè)計和分析控制系統(tǒng)、傳感器模塊、驅(qū)動模塊和主控制模塊，并引入電機控制技術(shù)。2.小車傳感器模塊設(shè)計，包括障礙物檢測模塊、車輪速度檢測模塊設(shè)計檢測程序并進行相關(guān)實驗，得出超聲波的穩(wěn)定測距范圍、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)計了鍵盤響應(yīng)和串行端口通信程序圖形接口。同時，對本課題的無線通信系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明傳輸穩(wěn)定可靠，適用于小車的通信。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，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展空間。經(jīng)實驗測試，該小車設(shè)計方案正確，可行。其實現(xiàn)的功能符合預(yù)期結(jié)果，各項指標(biāo)穩(wěn)定，可靠。雖然智能小車系統(tǒng)有很多的優(yōu)點，但在設(shè)計中也存在著一些不足，如如果在開始物體跟隨功能時，中間突然出現(xiàn)其他物體，小車會跟隨其進行運動，破壞了原來的運動規(guī)律，所以在使用過程中要注意環(huán)境影響。

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