基于STM32与Arduino的小型无人分拣物流车_黄文冠.pdf

*广东理工学院2022年大学生创新创业训练计划项目：智手云控分检仪（CXCY2022027）随着我国交通运输体系不断完善，物流行业的发展势如破竹，这也让物流企业的生产成本得以顺利控制，加快了物流产业新时代智能化发展。随着疫情的到来，国际金融形热严峻，不少企业进行了大量的裁员，而这也促成了企业自动化的趋势不断增长。当今形式下，网上购买商品并物流到家成了人们的购物趋势，这也极大地增加了物流园区流水线的负担。随着工厂自动化技术水平的日益提高，使得物流运输线更加快捷高效，而无人分拣物流车的普及将能更加精准地分拣物流件，从而减少错发的可能性，且能极大地解决当今社会劳动力短缺与物流效率的问题。在相关工作中了解到，文献1在物流分拣机器人的设计与研究中，提出了物流分拣车采用STM32为基础的多电机控制底盘运动，运用PID算法来调节巡线功能，通过RS485电平转换芯片同时实现4个机械手的舵机控制，从而完成物料抓取与搬运；文献2在设计中提出利用OpenMV识别时，判断检测到的二维码是否为系统设定的合法二维码，如果合法，则每一张二维码都将被写入指令，从而使小车执行相应二维码程序；文献3提出通过运动学分析，可以得到各关节运动参数与机械手末端的手爪位姿之间的数学模型，从而实现对工件的准确抓取。1主体框架设计本文设计的无人分拣物流车装置采用STM32和Arduino双开发板作为检测抓取和移动控制核心，完成物流园内自主巡线到位和识别抓取物流件的功能。而本文设计中，首先无人分拣物流车的底层是采用基于STM32作为控制核心，通过L298N并输出合适的PWM驱动两侧车轮电机平稳运动，并配合五路循迹模块读取物流园路面黑白标识线的反馈信号，实现两侧电机的协调转向，实现无人分拣物流车的巡线功能；其次，我们还在物流车上加装了HC-05蓝牙模块，当无人分拣物流车自主移动端出现故障或者目标位置需跨出标识线时，则可以让工作人员通过手机App蓝牙端与蓝牙模块进行无线透传，使得STM32接收到相应指令，并对物流车的行动位置进行个人化调整。除此之外，无人分拣物流车的上层则是基于Arduino作为控制机械手转向角度抓取物流件的上位机，此外我们还会加装OpenMV模块用于对物流件二维码地扫描并识别出物流地域信息，反馈给上位机Arduino，上位机分析信息，对机械手多路舵机进行调控，将物流件分拣至不同物流方向的区域。工作原理如图1所示：图1工作原理流程图2系统硬件设计2.1循线物流车模块本文所提出的巡线物流车依托于STM32为主控板设计，最众多的IO口能够满足电机、五路巡迹、超声波等多个外设模块的配置工作，同时拥有3个USAET接口、2个I2C和2个SPI接口能够帮助内外部设备信息的传输速率实现最大化。物流车的避障功能是通过搭载超声波模块，发出震动频率大于20 000Hz以上的声波，利用定时器根据物体的远近从而捕捉反射回来的声波长短时间来实现的。而物流车的自主巡线功能采用了TCRT5000L模块实现，模块上的红外发射器上会一直发射红外基于 STM32 与 Arduino 的小型无人分拣物流车*Small Unmanned Sorting Logistics Vehicle Based on STM32 and Arduino黄文冠周莹陈元威覃凤曹美媛黄鹏（广东理工学院电气与电子工程学院，广东 肇庆526000）摘要：由于Covid-19的持续蔓延，线上购物体量日益增加，消费者减少出门从而更加愿意在网上进行购物，这大大增加了物流公司的业务压力。随着人工智能技术的不断推进，物流机器人的大规模应用，自动化物流解决方案也越来越多。提出一种小型无人分拣物流车来来解决物流检测工作量大与运输的效率低的问题。该物流机器人能够在物流园区通过自主巡线到达指定工作位置，并运用OpenMV扫描二维码获取物件的地域信息，进而反馈给机械臂抓取物流件移动到指定的城市运输带上，完成智能分拣物流件的功能。关键词：智能物流；自动分拣；机械臂；自主巡线Abstract:Due to the continued spread of COVID-19,the volume of online shopping is increasing,and consumers areless likely to travel and more willing to make purchases online,which has greatly increased the business pressure of logis-tics companies.With the continuous advancement of artificial intelligence technology and the large-scale application of lo-gistics robots,there are more and more automated logistics solutions.In this paper,a small unmanned sorting logistics ve-hicle is proposed to solve the problem of heavy workload of logistics detection and low efficiency of transportation.The lo-gistics robot can reach the designated working position through autonomous patrol in the logistics park,and use OpenMVto scan the two-dimensional code to obtain the geographical information of objects,so as to feed back to the robotic armto grasp the logistics parts and move them to the designated urban transport belt,and complete the function of intelligentsorting logistics parts.Keywords:intelligent logistics,automatic sorting,robotic arm,autonomous line patrol基于STM32与Arduino的小型无人分拣物流车42工业控制计算机2023年第36卷第1期线，当红外线经发射后被接收时输出低电平且指示灯点亮，而红外线射向黑线或远处时则不反射而输出高电平且指示灯熄灭，通过判断标识线在5个红外传感器的位置，从而判断物流车的走向。2.2 OpenMV扫码模块本文所提出的扫码功能是依托于OpenMV模块来实现二维码识别读取物流件信息。OpenMV搭载了ARM Cortex M7处理器，最高可达480 MHz工作频率，拥有1 MB RAM和2 MBFlash，同时支持SD卡扩展内存空间。其中所配置的OV5640感光元件可以处理2592*1994（5MP）的图像。在QVGA及以下分辨率时，大多数简单的算法可以允2550 fps。足够实现在其图像视野中读取并解码QR码，以实现读取并输出物流见二维码的地域信息。如图2所示：图2OpenMV42.3机械手模块机械手模块是通过SolidWorks软件所建模设计出来，它由Arduino作为主控板控制，整体由5个MG90S舵机搭配云台底座和旋转支架以及机械夹子所构成，MG90S比SG90拥有更加强大的扭矩和稳定性，在5个MG90S的配合下实现5个自由度的伸展，使得机械手对物流件的抓取更加灵活精准，配合OpenMV对物流件二维码的识别，实现区域块的分拣、运送功能。如图3所示。2.4蓝牙通信模块使用了HC-05蓝牙模块，它支持SPP3.0协议，通过创建蓝牙串口实现蓝牙模块与手机之间的无线数据透传。通过对串口的配置将蓝牙模块搭配起来，以115 200波特率实现手机端对物流车的App蓝牙控制。3系统软件设计3.1巡线物流车软件设计基于五路巡迹模块的工作原理，在程序中宏定义了5个变量容器（L1、L2、M、R2、R1）以储存5路红外传感器的传参，通过在while循环中不断地判断此时黑线在5个传感器中哪一个的位置，运用此逻辑对一共7种检测情况做出巡线判断，从而实现自主式巡线移动功能。当中间的传感器被检测到时，物流车沿着标识线直线行驶；当左侧第一或者第二个传感器被检测到时，物流车右侧电机提速使得物流车回正，以防止超出传感器的检测范围，右侧同理。当五个传感器同时被检测到或均没被检测到时停止电机运动。而在超声波模块中，通过STM32中定时器对声波脉冲的捕获得到回传时间，再通过声波速率与回传时间之间的关系，得出算法（S=（T+X*1000）/58.3）以计算物流车人与物体间的距离，当遇到障碍物时且距离小于30 cm时及时停下，防止撞车。如图4所示。3.2扫码机械手软件设计首先OpenMV在视觉上是用来估计位置和姿态的，在二维码上布置有多个容易识别的特征，使用OpenMV的相机来标记定位和、相机畸变矫正、轮廓提取等以获取目标相对于相机的位姿。二维码的特征识别，是通过找到二维码的定位角点，然后对照片进行平滑的滤波处理、二值化、寻找轮廓、筛选标记轮廓和两个子轮廓的特征，从框选出的视频流中截取到当前二维码最佳帧，在图片中找到面积最接近的3个作为二维码的定位角点，再通过对二维码的透视校正得到角点的位置。然后通过角点边的角度差确定其余角点的位置，然后通过查找rol内的二维码并且返回一个对象列表同时框选出目标区域，将读取到的信息输出到串行终端中。例如图5，串行终端通过扫描二维码，显示出信息内容“Zhaoqing city，Guangdong Province”，然后系统根据不同信息的分类，将一个简单指令通过串口传输给Arduino的机械手做出正确的多自由度转向处理。机械手对于多自由度转向抓取并且放置物流件，是采用预先了解好的具体起落点位置后，经过调试所设定的。在Arduino控制核心中，导入了servo库后先设定了电机的几个极限数值，防止超过预定角度而产生扭曲破坏。然后对电机的步长和运行速度做出一定范围的限定，使其平稳运行。由于Arduino和图4巡线避障软件设计流程图图3机械手结构图43OpenMV实行串口通信，当Arduino接收到OpenMV处理过的二维码信息后，对接收到的串口指令进行判断，以选择特定的起落位置，配合机械手完整正确地抓取与放置。而机械手每个舵机的转向角度，是经过控制核心Arduino的不同脉宽的PWM输出所确定的，此机械手先通过模拟值确定0360的模拟值范围，再经过算法将模拟值缩小至360个数值范围内，再将360个数值做出72个等分，使得机械手的最小精确度在5左右，配合预先设定的位置调配出每个舵机相应位置的PWM脉宽波，实现机械手的多自由度协作转向控制，完成一系列转向放置工作。3.3蓝牙调控软件设计在手机蓝牙调控分拣物流车的设计中，物流车的无线蓝牙调控功能采用了HC-05模块，通过创建蓝牙串口实现蓝牙模块与手机之间的无线数据透传。在数据传输之前，对HC-05设置成波特率为115 200，并且规定数据长度为8位，且仅有1位停止位及无奇偶校验位。软件中对串口端TX口设为复用推挽输出，而RX端设为浮空输入模式。当串口数据接收中断响应后，以预先数据输入末尾的结束标志位n之前的数据帧做统计，确定传输数据是单帧数据还是多帧连发数据，然后根据用户 需 求 做 出 相 应 的 数 据 处理。而在手机蓝牙控制界面的设计中，如图6设置了16个控制按钮，首先前面两排的6个按钮，编辑成的按钮名称分别为模式一、模式二、模式三、左绕圈、警示灯和右绕圈，而后面三排的6个按钮的名称则编辑为前进、左转、右转、后退和停止。模式一的作用就是通过手机App