面向科技競賽的自動控制搬運小車設(shè)計

吳羽歆 趙振偉 陳思羽 王海琛 張力文 張悅

摘要：本文基于單片機keil和Arduino技術(shù)，設(shè)計、制作并控制一臺起重機器人，對中國大學(xué)生創(chuàng)新類比賽的實際賽況線路控制，做了較為詳細的技術(shù)分析。本設(shè)計采用OpenMV作為識別標(biāo)識的前端輸入部件，Arduino與單片機為控制元件，通過利用Arduino與單片機串口通信來實現(xiàn)車體移動，單片機控制鉤取裝置和其他連接元件實現(xiàn)精準識別取物，保證重物擺放位置的精準性，實現(xiàn)全自動化。

關(guān)鍵詞：搬運機器人 控制系統(tǒng) 單片機 Arduino PID

Design of automatic control handling trolley for science and technology competition

WU Yuxin，ZHAO Zhenwei，CHEN Siyu，WANG Haichen，ZHANG Liwen， ZHANG Yue

（School of mechanical engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang， Liaoning Province， 110870，China）

Abstract：Based on the keil and Arduino technology of single-chip microcomputer， this paper designs， manufactures and controls a crane robot， and makes a detailed technical analysis of the actual circuit control of the innovation competition of Chinese college students. This design uses OpenMV as the front-end input component of the identification mark， Arduino and single-chip microcomputer as the control components， and realizes the movement of the car body by using the serial communication between Arduino and single-chip microcomputer， and the single-chip computer controls the hooking device and other connecting components to achieve accurate identification and retrieval， ensuring heavy objects. The accuracy of the placement position is fully automated.

Key Words：Handling robot; Control system; MCU; ArduinoPID

中國大學(xué)生起重機創(chuàng)意大賽是由中國機械工程學(xué)會主辦的“中國大學(xué)生機械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽”系列專業(yè)賽事之一，其宗旨是通過大賽增強大學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，鼓勵大學(xué)生積極投身科技創(chuàng)新與工程實踐活動，提高大學(xué)生針對實際需求進行起重機設(shè)計和工藝制作的動手能力，拓寬大學(xué)生的科技創(chuàng)新視野，提升大學(xué)生對起重機在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域的應(yīng)用意識。2020年中國大學(xué)生起重機創(chuàng)意大賽成為全國創(chuàng)新人才培養(yǎng)與學(xué)科競賽評估排名賽事之一。

大學(xué)生科技競賽是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要手段[1]。大學(xué)生科技競賽中的自動控制搬運小車，采用機器視覺、步進電機、伺服電機、自動控制等技術(shù)[2-5]。搬運小車的設(shè)計為參加中國大學(xué)生起重機創(chuàng)意大賽，要求設(shè)計、制作一臺起重機器人，基于機器視覺，對固定取物區(qū)具有特定顏色及形狀標(biāo)識的搬運物品進行識別，通過自主有序的控制方式將物品從取物區(qū)按通行規(guī)則通過設(shè)置有兩個障礙物的通行區(qū)搬運到堆碼區(qū)，期間不得觸碰障礙物圓柱體，搬運物品的最底面不能超過障礙物的最高端面，完全堆完6個箱子即完成比賽。

1搬運小車的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

搬運小車整體呈方形框架，上方為車體抓取部分，下方為車體移動部分。所述車架的四角分別設(shè)有空心鋁方管，4根空心鋁方管的上端均安裝有支撐座，一對所述支撐座上設(shè)置有同步帶模組，另一對所述支撐座上設(shè)置有光軸，同步帶模組和光軸上另設(shè)有另一個同步帶模組，同步帶模組上設(shè)有步進電機，用于驅(qū)動同步帶模組;同步帶模組上設(shè)有隨同步帶板一起移動的立體板，用于放置驅(qū)動電機，所述車架的四角安裝有步進電機，該步進電機的輸出端設(shè)有麥克納姆輪，為搬運小車運動機械結(jié)構(gòu);鉤取結(jié)構(gòu)中橫桿的兩端設(shè)置有一對豎桿，鉤取裝置形狀成一個“工”字形。自動控制搬運小車結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示，自動控制搬運小車結(jié)構(gòu)建模圖如圖2所示。

2控制系統(tǒng)

2.1 OpenMV識別校準

在攝像頭捕捉到標(biāo)識圖標(biāo)，在機器視覺中的閾值編輯器調(diào)閾值參數(shù)，將其反饋的閾值參數(shù)編入OpenMV程序中[6-8]。若最后OpenMV的串口打印輸出與實體標(biāo)識不一致，則為閾值參數(shù)調(diào)整不到位，需要進一步調(diào)整參數(shù)閾值。在調(diào)試過程中，因為有其他物體的干擾，所以在調(diào)試中將OpenMV的鏡頭識別范圍調(diào)小，前后挪動鏡頭的固定位置，取該區(qū)間的閾值范圍作為最終數(shù)據(jù)。特別需要注意競賽場地光線的影響，由于打印的標(biāo)識反光度比較大，在攝像頭識別標(biāo)識時候需要人工進行光線遮擋，以避免影響后續(xù)抓取。

2.2步進電機控制

當(dāng)單個調(diào)整鉤取裝置得到的電機反饋的圈數(shù)數(shù)據(jù)直接用于整體機械運行，可以看見單個部分調(diào)整與整體調(diào)整的圈數(shù)是不一致的。出現(xiàn)這個問題的原因是整體運行時各部分分布的電壓的不同，可以通過微調(diào)受影響的零部件參數(shù)進行調(diào)整。該搬運小車的同步帶采用的驅(qū)動器是雷賽智能的M542C高細分驅(qū)動器，一個M542C驅(qū)動器控制一個步進電機，在Signal接口中，采用的共陰接法[9-10]。B22B7373-4DEC-4753-A110-A474BB5AF2DF

該搬運小車的步進電機驅(qū)動器程序設(shè)計需要定義方向信號和脈沖信號的引腳。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。電機的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。本程序設(shè)定需要間隔設(shè)定初始化引腳，以控制一定時間的脈沖個數(shù)達到控制速度的目的;以調(diào)整脈沖IO口的GPIO_ResetBits與GPIO_SetBits函數(shù)間隔時間來調(diào)整速度大小。

2.3伺服電機控制鉤取裝置調(diào)試

本文所設(shè)計搬運小車的取物方式為鉤取，本鉤取裝置的動力源為伺服電機。伺服電機的控制原理是通過控制脈沖時間的長短控制轉(zhuǎn)動角度。鉤取物品需要較為精準的伸縮位移和適宜的電機速度，所以在控制程序上采用“速度+位置PID雙閉環(huán)”的方法來實現(xiàn)精準控制鉤取位置。為了使鉤取物體的時候保證物體不滑落和到達指定距離時候維持鉤取穩(wěn)定，需要觀察傳輸至PC端的數(shù)值嘗試多個值細微調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速和剎車距離來確保鉤取物體的有勁與穩(wěn)定。

伺服電機需要用PMW波控制的，所以在控制程序上設(shè)定使能PMW的IO口;使能時鐘TIM4并設(shè)定定時器TIM4的中斷服務(wù)函數(shù)，為計算電機旋轉(zhuǎn)路程做準備;設(shè)定電機的編碼器模式，初始化IO口和定時器TIM3;設(shè)置基礎(chǔ)PID的計算函數(shù)，確保PID閉環(huán)精確控制速度與距離?？刂齐姍C正反轉(zhuǎn)程序一起并入PID的程序，便于設(shè)計鉤取裝置以位置環(huán)為主，速度環(huán)為輔，把位置值采回去給單片機CPU，CPU把這個采集回來的實際位置和設(shè)定位置做比較，若實際數(shù)值小，就通過控制信號讓電機繼續(xù)正轉(zhuǎn)，若實際數(shù)值大，就通過控制信號讓電機反轉(zhuǎn)。

2.3四驅(qū)步進電機驅(qū)動板控制車體運動

驅(qū)動板的上層為設(shè)計的電路板用于連接DRV8825驅(qū)動器和下層的Arduino控制板。上層電路板接通24V電源，通過電路板中的電容降壓到5V來控制驅(qū)動器，驅(qū)動器為64細分，能較為精準控制電機移動量。Dir函數(shù)?來控制步進點擊的正反轉(zhuǎn)，以達到控制?輛前進、后退等功能;Step函數(shù)表示電機轉(zhuǎn)的路程，Step函數(shù)根據(jù)控制?低電平的次數(shù)達到輸出穩(wěn)定的脈沖個數(shù)，脈沖個數(shù)代表了電機可以?進的位移;Speed函數(shù)?來表示電機的轉(zhuǎn)速。

3搬運小車整體調(diào)試

在整體調(diào)試的時候，搬運小車出現(xiàn)了程序運行亂套問題。最初調(diào)試時，一個單片機串聯(lián)所有設(shè)備，在程序過渡時，控制輪子的步進電機不動，且伺服電機未能閉環(huán)反而開始亂轉(zhuǎn)。經(jīng)過多方面排除，初步懷疑步進電機四驅(qū)步進電機驅(qū)動板通過單片機發(fā)出的信號干擾伺服電機接收。將四驅(qū)步進電機驅(qū)動板單獨出一個單片機但與同步帶同電源，干擾仍存在，查閱資料后懷疑四驅(qū)步進電機驅(qū)動板通過同電源的電源線產(chǎn)生電磁進行干擾。最后將同步帶與四驅(qū)步進電機驅(qū)動板分開電源，干擾消除。當(dāng)伺服電機與步進電機共同運轉(zhuǎn)時，需要獨立單片機控制和獨立電源供電來消除相互干擾。自動控制搬運小車如圖3所示。

4 結(jié)語

基于OpenMV圖像處理算法和競賽中的比賽規(guī)則設(shè)計并實現(xiàn)了競賽型起重機的運動。設(shè)計了新型起重機通過設(shè)計鉤子的種類，解決了重物不穩(wěn)定的問題。通過串聯(lián)攝像頭與電機之間的關(guān)系，實現(xiàn)了重物擺放位置的精準性，并且實現(xiàn)了全自動化，全程只需人工進行啟動此機構(gòu)。通過OpenMV識別標(biāo)識并與主控制板通信，主控制板與四驅(qū)步進電機驅(qū)動板的通信，實現(xiàn)整體起重機的按比賽要求進行移動、鉤取的運轉(zhuǎn)。中國大學(xué)生起重機創(chuàng)意大賽，以起重機工程應(yīng)用為牽引，充分融合了結(jié)構(gòu)、控制、智能及機械加工技術(shù)，作品新穎性強、實用性高。通過大賽增強大學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，提高大學(xué)生針對實際需求進行起重機設(shè)計和工藝制作的動手能力，擴寬大學(xué)生的科學(xué)視野。比賽中通過匯聚行業(yè)學(xué)會專家、知名企業(yè)代表、高等院校學(xué)者等一系列學(xué)術(shù)競賽交流活動，激發(fā)出當(dāng)代大學(xué)生的潛力，提高了大學(xué)生工程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和工程實踐能力，是行業(yè)、企業(yè)、高校之間知行并舉、協(xié)同育人、產(chǎn)學(xué)合作的一次有益探索，為培養(yǎng)一流工程創(chuàng)新人才不斷改革創(chuàng)新。

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