盛腾飞

摘 要：随着国家推进工业4.0、互联网+等一系列产业升级的战略方针，自动化机器人成为当前热议的话题。各行各业掀起了以自动化机器人广泛应用为标志的产业革新。文章设计了一种新型自动化运输机器人，其具有自动壁障、路线规划等智能功能，可以应用在一些需要要实现自动导引功能和避障功能运输场景下。本运输机器人可以自行感知在地面上设置的引导线，并跟随引导线完成自动运输的功能，同时利用超声波原理，感知前方和侧面的障碍物，当障碍物和小车的距离低于安全距离时，小车可以自动完成壁障，同时可以智能地回到之前所规划的路线继续行进，完成运输任务。

关键词：传感器；路况感知；壁障；自动化；方案设计

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：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

該智能航材运输小车作为智能机器人的一种形态。它主要可以分为四大模块：光电传感器检测模块、超声波避障模块、动作执行模块、单片机中央处理模块。由于独立的视觉感知系统算法过于复杂，且需要高清CMOS传感器，因为本文讨论对比强烈的黑白标记，所以，使用普通的光电对管来完成图像的感知。因为单片机端口输出能力的限制，一般单片机无法直接输出驱动较大功率的直流电机，在此条件下，有两种常用方案来驱动电机：第一种，为了减小单片机的资源占用，直接选取可以输出PWM波的单片机，同时选取小功率，小负载的直流电机，这样既可以实现调速功能，又可以减少电路的复杂程度，由于单片机I/O口功率的限制，这种方案只适合驱动玩具小车等一些电机功率比较小的场景，无法应用与运输类别的智能机器人；第二，使用专门的驱动电路或驱动芯片，将单片机I/O口的输出功率进行线性放大，可以通过软件模拟的方式实现PWM波型输出，这种方式需要牺牲一定的单片机资源，但是可以通过性能更好的单片机来弥补性能上的损失，整体上对电机的驱动能力也更强，适合需要一定载重的使用场景。考虑的本设计的应用场景，本设计选择第二种方案。中央处理单元上选取89C52单片机，性能上可以很好的满足需求。

2 硬件设计

2.1 系统总体设计

在自动运输车部署前，需要在地面上部署深色的引导线（以黑色最佳），以引导运输车按固定的航材运送路线行进。自动航材运输小车使用两个独立的直流电机作为动力单元，并且单独控制每个电机，使左右轮产生速度差即可以完成转向功能，使用一个独立的万向轮作为支撑轮，它会随着两个动力轮的转动而转动。本设计使用一排三组共六对光电对管作为检测地面黑线的传感器。这六对光电对管分别位于车身前面板的左、中、右三处，用来分辨车身和黑线的相对位置。当左侧的光电对管检测到黑线在车身左侧时，则主控模块控制车身向左方转动，相当于运输车往左修正，当右侧光电对管检测到黑线在车身右侧时，控制运输车往右侧修正，当中间光电对管检测到黑线时，此时控制车身直行。

避障的原理和循迹原理不同，在车身前方装一对超声波模块，利用超声波测距的原理，可以实时判断前方障碍物和运输车的距离、接近速度，当障碍物和车身的距离小于门限值时，主控模块控制小车转动，从而避开障碍物。

2.2 电机驱动电路（动作执行模块）

本设计采用H桥式驱动芯片L298N完成智能运输车电机的驱动。L298N最高输出电流为4A，最大工作电压为50V，完全可以满足大功率电机的使用需求。同时，L298N的四个输入管脚，通过单片机输入不同的电平组合，可以分别实现控制左右电机正转、反转、停止，从而实现转向控制。其标准电路图如下所示：

2.3 光电传感器检测模块

由于地面的导引线一般漆成黑色，且黑色会吸收绝大多数波长的光波，所以黑色对于红外线具有很好的吸收性，而除了黑色以外的其他颜色，对红外线又具有很好的反射性，利用这种特性，我们就可以实现对黑色导引线的识别。

本设计采用TCRT5000性光电对管作为传感器，使用LM339作为电压比较器，探测电路的电路图如图2所示：

2.4 单片机中央处理模块

本模块主要是以89C52为核心的信号中央处理电路，其作用只要是将传感器模块所采集到的光电信号、超声波模块采集的障碍物距离信号，进行综合处理和分析，同时控制运输车的动作执行机构-电机，从而实现运输车的各种避障循迹功能。

2.5 超声波收发电路设计

超声波收发电路的主要功能是实时测量小车和障碍物之间的距离，并通过超声波模块本身的数码管进行显示，同时，如果距离障碍物过近的话，超声波模块上的蜂鸣器会发出滴滴声，进行警报。其电路设计如图3所示：

3 总结验证

整个系统采用模块化设计原则，整体通过光电传感器模块、超声波模块、单片机中央处理模块，动作执行模块，配合相应的循迹软件、距离探测软件、避障软件以实现如下功能：

（1）自动沿着运输导引线行驶：运输车可以自动检测导引线轨道，并沿着导引线轨道行驶，并不受导引线形状的影响，当运输车偏离时，可以实现自动纠正。

（2）运输车可自动探测前方障碍物的距离，并通过超声波模块上的数码管显示出来，当障碍物距离低于门限值时，运输车可以自动规划路径，实现避障，避障完成后，小车将自动回归导引线，继续运输任务。

通过protues仿真软件对每个模块进行模拟验证，每个模块都可以实现目标设计功能。仿真的成功只能说明本设计在逻辑方面可行，但如果做出航材运输小车实物，后续需要解决很多实际问题，例如：蓄电池的选型问题，能量密度不能过小，不然运输车需要经常充电，无法满足实用化要求。电机功率不能过小，太小会导致小车载重能力不足。此外，超声波模块的探测距离，光电对管的灵敏度等，都需要在后期实际调整。本设计为全新的全自动化运输机器人提供了研发参考。

参考文献：

[1]李郭惠，吴迅.单片机C语言程序设计完全自学手册[M].电子工业出版社，2008，10：1-200.

[2]王东锋，王会良，董冠强.单片机C语言应用100例[M].电子工业出版社，2009，3：145-300.

[3]王晓明.电动机的单片机控制[J].学术期刊，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完全自学一本通[M].电子工业出版社，2013.