郭 根，过李峤，周 振，王俊杰，李朋磊

（1.郑州轻工业大学 工程训练中心，河南 郑州 450000；2.郑州轻工业大学 电气信息工程学院，河南 郑州 450000）

0 引 言

进入21世纪，物流行业得到快速发展，随着自动化技术的不断进步，物流行业也在朝着自动化、集成化、智能化方向发展。为了实现对物料进行智能识别、抓取、搬运、摆放等操作，智能物料搬运小车应运而生。结合发展现状，我们设计了一款基于多传感器的智能物料搬运小车，使用红外传感器、颜色识别传感器、加速度传感器、高精度摄像头等进行数据采集与识别，单片机将采集后的数据进行算法处理，控制小车进行路径规划、物料识别、机械臂抓取、物料搬运等动作，进而实现智能搬运，提高工作效率。

1 系统总体设计

该小车主要由机械结构、硬件控制电路、程序控制系统组成[1]。我们首先设计小车整体机械结构，选用合适的底盘和电机搭建小车框架，预留载物台和相应传感器位置。硬件控制电路主要由STM32最小系统、降压电路、驱动电路、红外循迹电路、传感器转接电路等组成，各传感器模块通过预留接口与主电路连接，将采集后的数据传送给主控制器STM32单片机最小系统，主控制器经过数据处理后，进一步控制各执行机构，实现相应功能。程序控制系统主要由STM32单片机及外围电路构成，通过单片机进行数据处理和算法控制，进而控制小车完成相应任务。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 机械结构设计

机械手主要用于抓取和握紧物料。由于物料的形状、尺寸、重量均具有不确定性，所以需要设计能抓取多种类型物料的钳形手抓。钳形手抓松开和夹紧物料，是通过指的张开与闭合来实现[2]。传动机构采用回转型传动机构，用其中一个舵机来控制钳形指的张合，用另外一个舵机控制连杆实现机械手在特定平面内自由运动。

3 硬件电路设计

3.1 主控电路

我们考虑到搬运机器人的工作环境以及功能需求，主控制器选用STM32F103RCT6单片机、CH340下载芯片、MPU6050陀螺仪，采用双面板设计，减小了PCB板材的体积，集成度高。

3.2 降压电路

小车采用12 V锂电池供电，单片机工作电压为3.3 V，大多数传感器和机械臂工作电压为5 V，因此采用LM2596-5降压芯片，将12 V直流电先降至5 V供传感器、显示屏和机械臂使用，再经过AMS1117-3.3降压芯片将5 V降至3.3 V供给单片机使用。降压电路如图2所示。

图2 LM2596-5降压电路

3.3 红外循迹电路

小车在场地内行走和转向主要靠底部红外循迹电路，我们选用反射式红外发射管和接收管，由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响比较小[3]。小车最大的创新在于对红外循迹电路的改动，在实际操作过程中循迹装置容易受室内灯光和阳光的干扰，我们在循迹装置下方添加了一个遮光罩，降低外部光线对循迹模块的干扰。循迹板也将原有的十字型八路红外改为了十字型二十四路红外，极大提高了小车行进的精准性，循迹装置还能通过对黑线的识别与记录，确定自身所在位置进而确定下一步操作。循迹板与遮光罩之间采用软连接，在隔绝杂光的同时，又减小了外罩与地面的摩擦，保证了小车的行走精度。红外循迹传感器布局如图3所示。

图3 红外循迹传感器布局

3.4 外围传感器电路

小车搭载的传感器为摄像头模块、颜色识别传感器和超声波避障传感器。外围传感器接口如图4所示。

图4 外围传感器接口

（1）领取工作任务：摄像头扫描二维码获取任务信息。我们选用QT660扫描器，该扫描器集成度高，扫码速度快，识别率高，采用串口通信方便读取数据。扫描器将采集的二维码数据通过串口发送给单片机进行数据处理。

（2）区分物料颜色：我们选用APDS-9960颜色传感器进行颜色识别，APDS-9960是一款集成ALS、红外LED和光学模块的环境亮度传感器，能够进行环境光颜色测量，得到最终RGB值，通过I2C方式与单片机通信，经程序处理后得出相应颜色。

（3）躲避障碍物：我们选用HC-SR04超声波模块，通过串口与单片机通信，可以检测一定范围内障碍物的距离，进而有效躲避障碍物。

4 程序设计

小车使用4个直流电机提供驱动力，通过STM32单片机控制电机的正反转和启停，实现小车前后左右4个方向的行走以及停车功能[4]。根据光电传感器在黑色引导线和白色跑道上的反射率不同，采用红外光电传感器对路径进行识别，将检测信号送给单片机，通过PID控制实现小车速度的闭环控制，实时修正电机的PWM占空比，使小车能够稳定沿着黑色引导线自主运动。

小车启动后从发车区自主循迹向前移动，当到达二维码识别区域后，扫描二维码领取任务。机械手搭载的颜色识别传感器识别物料颜色，如果符合任务1，就抓取当前物料，否则根据算法计算出任务1应该抓取的物料。完成任务1后，根据程序分别完成任务2和任务3。小车把物料从原料区先搬运到加工区再搬运到成品区，完成任务后返回出发点[5-8]。系统软件流程如图5所示。

图5 系统软件流程

5 结 语

本文设计了一款基于多传感器的智能物料搬运小车，其搭载红外循迹、颜色识别、超声波避障、摄像头等传感器收集相应数据，经过单片机算法处理后实现小车自主循迹、机械手抓取、数据显示等功能。小车获取任务信息，自主完成物料抓取、搬运、摆放、回位等任务，经过多次场地测试，其能够准确高效的完成设定任务。我相信经过后期的不断改进和优化，该智能物料搬运小车也能逐步应用到实际的生产生活中，为智能物流、智能仓储和智能制造的发展贡献力量[9-10]。