基于單片機的自動航材運輸機器人方案設計

盛騰飛

摘 要：隨著國家推進工業4.0、互聯網+等一系列產業升級的戰略方針，自動化機器人成為當前熱議的話題。各行各業掀起了以自動化機器人廣泛應用為標志的產業革新。文章設計了一種新型自動化運輸機器人，其具有自動壁障、路線規劃等智能功能，可以應用在一些需要要實現自動導引功能和避障功能運輸場景下。本運輸機器人可以自行感知在地面上設置的引導線，并跟隨引導線完成自動運輸的功能，同時利用超聲波原理，感知前方和側面的障礙物，當障礙物和小車的距離低于安全距離時，小車可以自動完成壁障，同時可以智能地回到之前所規劃的路線繼續行進，完成運輸任務。

關鍵詞：傳感器；路況感知；壁障；自動化；方案設計

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0096-02

Abstract： With the national promotion of industrial 4.0， Internet Plus and a series of industrial upgrading strategy， the automatic robot has become a hot topic. A variety of industries have set off an industrial innovation marked by the widespread use of automated robots. In this paper， a new type of automatic transportation robot is designed， which has intelligent functions such as automatic wall barrier， route planning and so on. It can be used in some transportation scenarios where automatic guidance function and obstacle avoidance function are needed to be realized. The transport robot can sense the guiding line set on the ground and follow the guiding line to complete the function of automatic transportation. At the same time， it can use the principle of ultrasonic wave to perceive the obstacles in front and side. When the distance between the obstacle and the car is lower than the safe distance， the vehicle can automatically complete the wall barrier， and can intelligently return to the planned route to continue to complete the transportation task.

Keywords： sensor； road condition perception； wall barrier； automation； scheme design

1 概述

該智能航材運輸小車作為智能機器人的一種形態。它主要可以分為四大模塊：光電傳感器檢測模塊、超聲波避障模塊、動作執行模塊、單片機中央處理模塊。由于獨立的視覺感知系統算法過于復雜，且需要高清CMOS傳感器，因為本文討論對比強烈的黑白標記，所以，使用普通的光電對管來完成圖像的感知。因為單片機端口輸出能力的限制，一般單片機無法直接輸出驅動較大功率的直流電機，在此條件下，有兩種常用方案來驅動電機：第一種，為了減小單片機的資源占用，直接選取可以輸出PWM波的單片機，同時選取小功率，小負載的直流電機，這樣既可以實現調速功能，又可以減少電路的復雜程度，由于單片機I/O口功率的限制，這種方案只適合驅動玩具小車等一些電機功率比較小的場景，無法應用與運輸類別的智能機器人；第二，使用專門的驅動電路或驅動芯片，將單片機I/O口的輸出功率進行線性放大，可以通過軟件模擬的方式實現PWM波型輸出，這種方式需要犧牲一定的單片機資源，但是可以通過性能更好的單片機來彌補性能上的損失，整體上對電機的驅動能力也更強，適合需要一定載重的使用場景?？紤]的本設計的應用場景，本設計選擇第二種方案。中央處理單元上選取89C52單片機，性能上可以很好的滿足需求。

2 硬件設計

2.1 系統總體設計

在自動運輸車部署前，需要在地面上部署深色的引導線（以黑色最佳），以引導運輸車按固定的航材運送路線行進。自動航材運輸小車使用兩個獨立的直流電機作為動力單元，并且單獨控制每個電機，使左右輪產生速度差即可以完成轉向功能，使用一個獨立的萬向輪作為支撐輪，它會隨著兩個動力輪的轉動而轉動。本設計使用一排三組共六對光電對管作為檢測地面黑線的傳感器。這六對光電對管分別位于車身前面板的左、中、右三處，用來分辨車身和黑線的相對位置。當左側的光電對管檢測到黑線在車身左側時，則主控模塊控制車身向左方轉動，相當于運輸車往左修正，當右側光電對管檢測到黑線在車身右側時，控制運輸車往右側修正，當中間光電對管檢測到黑線時，此時控制車身直行。

避障的原理和循跡原理不同，在車身前方裝一對超聲波模塊，利用超聲波測距的原理，可以實時判斷前方障礙物和運輸車的距離、接近速度，當障礙物和車身的距離小于門限值時，主控模塊控制小車轉動，從而避開障礙物。

2.2 電機驅動電路（動作執行模塊）

本設計采用H橋式驅動芯片L298N完成智能運輸車電機的驅動。L298N最高輸出電流為4A，最大工作電壓為50V，完全可以滿足大功率電機的使用需求。同時，L298N的四個輸入管腳，通過單片機輸入不同的電平組合，可以分別實現控制左右電機正轉、反轉、停止，從而實現轉向控制。其標準電路圖如下所示：

2.3 光電傳感器檢測模塊

由于地面的導引線一般漆成黑色，且黑色會吸收絕大多數波長的光波，所以黑色對于紅外線具有很好的吸收性，而除了黑色以外的其他顏色，對紅外線又具有很好的反射性，利用這種特性，我們就可以實現對黑色導引線的識別。

本設計采用TCRT5000性光電對管作為傳感器，使用LM339作為電壓比較器，探測電路的電路圖如圖2所示：

2.4 單片機中央處理模塊

本模塊主要是以89C52為核心的信號中央處理電路，其作用只要是將傳感器模塊所采集到的光電信號、超聲波模塊采集的障礙物距離信號，進行綜合處理和分析，同時控制運輸車的動作執行機構-電機，從而實現運輸車的各種避障循跡功能。

2.5 超聲波收發電路設計

超聲波收發電路的主要功能是實時測量小車和障礙物之間的距離，并通過超聲波模塊本身的數碼管進行顯示，同時，如果距離障礙物過近的話，超聲波模塊上的蜂鳴器會發出滴滴聲，進行警報。其電路設計如圖3所示：

3 總結驗證

整個系統采用模塊化設計原則，整體通過光電傳感器模塊、超聲波模塊、單片機中央處理模塊，動作執行模塊，配合相應的循跡軟件、距離探測軟件、避障軟件以實現如下功能：

（1）自動沿著運輸導引線行駛：運輸車可以自動檢測導引線軌道，并沿著導引線軌道行駛，并不受導引線形狀的影響，當運輸車偏離時，可以實現自動糾正。

（2）運輸車可自動探測前方障礙物的距離，并通過超聲波模塊上的數碼管顯示出來，當障礙物距離低于門限值時，運輸車可以自動規劃路徑，實現避障，避障完成后，小車將自動回歸導引線，繼續運輸任務。

通過protues仿真軟件對每個模塊進行模擬驗證，每個模塊都可以實現目標設計功能。仿真的成功只能說明本設計在邏輯方面可行，但如果做出航材運輸小車實物，后續需要解決很多實際問題，例如：蓄電池的選型問題，能量密度不能過小，不然運輸車需要經常充電，無法滿足實用化要求。電機功率不能過小，太小會導致小車載重能力不足。此外，超聲波模塊的探測距離，光電對管的靈敏度等，都需要在后期實際調整。本設計為全新的全自動化運輸機器人提供了研發參考。

參考文獻：

[1]李郭惠，吳迅.單片機C語言程序設計完全自學手冊[M].電子工業出版社，2008，10：1-200.

[2]王東鋒，王會良，董冠強.單片機C語言應用100例[M].電子工業出版社，2009，3：145-300.

[3]王曉明.電動機的單片機控制[J].學術期刊，2002，13（15）：1322-1755.

[4]Yamato I ，et al 1 New conversion system for UPS using high frequency link[J].1 IEEE PESC，1988：210-320.

[5]劉浩.MATLABR2012a完全自學一本通[M].電子工業出版社，2013.