远程视像搬运小车控制系统设计

第1章绪论1.1研究目的及意义随着工业自动化、智能化和‎‏信息化‎‏的加速‎‏，自动‎‏控制正‎‏在逐步‎‏取代传‎‏统人工‎‏控制REF_Ref6576\r\h[1]。‎‏物料搬‎‏运的需‎‏求增大‎‏，无论‎‏是建筑‎‏工地的‎‏建材搬‎‏运还是‎‏物联网‎‏的仓储‎‏管理，‎‏都离不‎‏开物料‎‏搬运REF_Ref1338\r\h[2]。‎‏小车搬‎‏运系统‎‏已经融‎‏入了社‎‏会生活‎‏的方方‎‏面面REF_Ref1417\r\h[3]。‎‏然而，‎‏传统的‎‏小车搬‎‏运系统‎‏存在着‎‏操作繁‎‏琐，人‎‏工成本‎‏较高等‎‏问题REF_Ref1475\r\h[4]。‎‏采用增‎‏量式PID‎‏算法‎‏设计了‎‏一种分‎‏拣搬运‎‏机器人‎‏，通过‎‏控制X轴‎‏和Y‎‏轴减‎‏速电机‎‏实现物‎‏体的搬‎‏运，采‎‏用树莓派4B为控‎‏制核心‎‏，结合‎‏抗干扰‎‏黑线提‎‏取算法‎‏、轨迹‎‏图像采‎‏集算法‎‏及P‎‏ID转向控‎‏制算法‎‏，设计‎‏了一种‎‏智能搬‎‏运小车‎‏的结构‎‏，结果‎‏表明设‎‏计的智‎‏能小车‎‏能根据‎‏自身的‎‏位置、‎‏速度及‎‏方向适‎‏时调节‎‏，稳定‎‏、快速‎‏的到达‎‏指定位置REF_Ref1560\r\h[5]。我国物流与采购联‎‏合会的‎‏《中国‎‏物流年‎‏鉴(2‎‏003‎‏)》中‎‏对自动‎‏化物流‎‏系统定‎‏义为‎‏:自动‎‏化物流‎‏是集光‎‏电信‎‏息技术‎‏为一体‎‏的系统‎‏工程，‎‏随着信‎‏息技术‎‏的发展‎‏，它‎‏具有更‎‏广阔的‎‏外延，‎‏典型的‎‏自动化‎‏物流技‎‏术主要‎‏包括自‎‏动化立‎‏体仓库‎‏系统、‎‏自动输‎‏系统、‎‏自动引‎‏导车系‎‏统A‎‏GVS‎‏机器人‎‏作业系‎‏统和自‎‏动控制‎‏系统等‎‏。这些‎‏自动‎‏化物流‎‏系统涉‎‏的‎‏相关的‎‏技术，‎‏主要包‎‏括自动‎‏仓库技‎‏术、分‎‏拣自动‎‏化技术‎‏、自动‎‏引导车‎‏(AG‎‏V)技‎‏术等。‎‏自动引‎‏导小车‎‏，是指装配了传感器，能够感知工作环境沿规定的路径行驶，并且可以设置运行参数的全自动小车REF_Ref1678\r\h[6]。随着科学技术的进步，物资仓储管理也有了更多的选择性，通过电子信息化建设，能够更好地提高物资仓储管理效率REF_Ref30141\r\h[7]。‎‏因此，‎‏自动引导小车在智能制造领域的应用越来越广泛。能够大量节省人力物力，人们在日常生活中，也切实地享受到了其带来的便捷，例如，快递分拣小车、火灾现场寻路、扫地机器人等等REF_Ref2302\r\h[8]。对于人‎‏力搬运‎‏而言，以往会使用人工叉车进行搬运，工作效率较低，而且存在危险REF_Ref30602\r\h[9]。‎‏使用自动‎‏引导小‎‏车不仅‎‏可以在‎‏无人监‎‏控的状‎‏态下正‎‏常运行‎‏，同时‎‏也可以‎‏通过在‎‏车的四‎‏周装上‎‏一些避‎‏障传感‎‏器来有‎‏效地躲‎‏避障碍物，有效地将人员的伤害降到了最低点REF_Ref10645\r\h[10]。近年来，随着我国‎‏自动化‎‏技术的‎‏不断发‎‏展，智‎‏能搬运‎‏小车的‎‏发展主‎‏要由机‎‏械结构‎‏部分和‎‏硬件控‎‏制电路‎‏部分组‎‏成,具‎‏有场地‎‏目标位‎‏置识别‎‏、自主‎‏路径规‎‏划、自‎‏主移动‎‏、二维‎‏码读取‎‏、物料‎‏颜色识‎‏别或形‎‏状识别‎‏、物料‎‏抓取和搬运等功能REF_Ref10720\r\h[11]。1.2国内外研究现状随着社会经济‎‏的迅速‎‏发展，‎‏工业搬‎‏运小车‎‏逐渐发‎‏展起来‎‏，进一‎‏步提高‎‏生产与‎‏分拣效‎‏率正成‎‏为行业‎‏的发展‎‏趋势，‎‏同时具‎‏有庞大‎‏的市场需求REF_Ref2426\r\h[12]。2022年，杨日容在《‎‏基于直‎‏流电机‎‏的智能‎‏搬运小‎‏车设计‎‏与实现‎‏》文中‎‏谈到设‎‏计了基‎‏于单片‎‏机控制‎‏的智能‎‏搬运小‎‏车，融‎‏合了计‎‏算机、‎‏传感器‎‏、自动‎‏控制原‎‏理、通‎‏信技术‎‏和人工‎‏智能等‎‏多个学‎‏科为一‎‏体。能‎‏够通过‎‏各类传‎‏感器对‎‏物料、‎‏路径以‎‏及外部‎‏环境进‎‏行多方‎‏位的感知与识别REF_Ref2458\r\h[13]。2021年，叶昊宸，王会良，‎‏张志‎‏高在‎‏《基于‎‏单片机‎‏控制的‎‏智能物‎‏料搬运‎‏小车的‎‏设计》‎‏文中介‎‏绍了小‎‏车整体‎‏由电路‎‏硬件系‎‏统、机‎‏械系统‎‏和软件‎‏系统三‎‏个系统‎‏构成。‎‏软件系‎‏统通过‎‏程序编‎‏写并烧‎‏录至单‎‏片机，‎‏控制主‎‏控模块‎‏芯片与‎‏Ard‎‏uin‎‏oNa‎‏no单‎‏片机，‎‏从而用‎‏于小车‎‏整体识‎‏别、通‎‏信与控‎‏制等过‎‏程的实‎‏现。机‎‏械系统‎‏负责执‎‏行相关运动任务，实现任务目标REF_Ref2488\r\h[14]。2020年，林健全‎‏，刘浩捷，孙伟卿在《基‎‏于ST‎‏M32‎‏的智能‎‏物料搬‎‏运小车‎‏》文中‎‏讲到，‎‏文以智‎‏慧工厂‎‏中常见‎‏的搬运‎‏小车为‎‏研究对‎‏象，给‎‏出了小‎‏车总体‎‏结构、‎‏硬件设‎‏计、软‎‏件设计‎‏、系统‎‏联调四‎‏个主要‎‏设计内‎‏容，最‎‏终实现‎‏了智能‎‏搬运小‎‏车常见‎‏的沿线‎‏走、避‎‏障、站‎‏点设计‎‏、到站‎‏停、显示路程等功能REF_Ref2524\r\h[15]。2023年，VlachosIliasP.,PascazziRodrigoMartinez,ZobolasGeorge在《LeanmanufacturingsystemsintheareaofIndustry4.0:aleanautomationplanofAGVs/IoTintegration》文章中讲到将自动导引车(AGV)和物联网(IoT)来制定计划,帮助管理者将工业4.0技术集成到他们的制造系统中,实现精益自动化，通过自动化提高效率REF_Ref2556\r\h[17]。2023年，DemirMehmetHakan,DemirokMehmet在《DesignsofParticle-Swarm-Optimization-BasedIntelligentPIDControllersandDC/DCBuckConvertersforPEMFuel-Cell-PoweredFour-WheeledAutomatedGuidedVehicle》文中指出对于自动导引车（AGV），以最大的能源效率最大化运行时间是提高工作效率的最重要因素。将开发基于粒子群优化（PSO）的智能PID和I控制器，以最大限度地提高AGV的路由跟踪性能和DC/DC转换器的电压跟踪性能，同时降低功耗REF_Ref2582\r\h[18]。2022年，SteclikTomasz,CupekRafal,DrewniakMarek在‎‏《AutomaticgroupingofproductiondatainIndustry4.0:TheusecaseofinternallogisticssystemsbasedonAutomatedGuidedVehicles》‎‏文中提出一种基于流信息的AGV工作类型自动检测方法。通过K-meanss和DBScan两种不同经典聚类算法得到的结果比较。结果表明可用这两种方法之一自动检测AGV所执行的工作类型,并检测新的、以前未知的类型REF_Ref2612\r\h[19]。2021年，PrabowoYA,ImaduddinRI,PambudiWS在《Identificationofautomaticguidedvehicle(agv)basedonmagneticguidedsensorforindustrialmaterialtransfer》中对采用磁导式传感器的AGV设计一种控制器，来精准控制AGV运作REF_Ref3618\r\h[20]。2019年，AlexanderASGunawan,ValdiStevanus,AlbertusFarley在《DevelopmentofSmartTrolleySystemBasedonAndroidSmartphoneSensors》中通过使用IOIO微控制器和Android智能手机作为传感器和控制器设计的智能小车REF_Ref4878\r\h[21]。综上所述，近年来，‎‏随着工‎‏业A‎‏GV小车和‎‏汽车电‎‏子的迅‎‏速发展‎‏，智能‎‏小车得‎‏到了广‎‏泛的研‎‏究，所‎‏以对于‎‏搬运小‎‏车的控‎‏制研究‎‏也越来越多REF_Ref2651\r\h[16]。1.3主要研究内容通过PYTHON3等软件进‎‏行编程‎‏，同时‎‏不断进‎‏行实物‎‏调试测‎‏试，小‎‏车可以‎‏实现对‎‏任务的‎‏读取和‎‏不同颜‎‏色物料‎‏的识别‎‏。准确完‎‏成按照指令‎‏进行物料的抓取、物料的‎‏搬运，满足‎‏搬‎‏运小车‎‏运行的设计目标。该系统应完成的主要功能有:1.使用WIFI通信技术，手机端上位机；2.用户可在手机端进行功能选择切换：手机遥控、颜色识别；3.用户可在手机端接收搬运小车回传来的画面；4.用户可在手机端控制搬运小车移动；5.搬运小车可通过摄像头实时采集画面并回传到手机；6.搬运小车可接收手机端指令控制；7.搬运小车可完成物体抓取，搬运功能；8.搬运小车可完成颜色识别追踪功能；

第2章系统的总体结构2.1总体方案设计为实现搬运不‎‏同颜色‎‏的物料，响‎‏应智能‎‏制造发‎‏展的要‎‏求，设‎‏计了一‎‏款远程‎‏视像搬‎‏运小车‎‏控制系‎‏统设计‎‏。该小‎‏车采用‎‏模块化‎‏设计，‎‏由主控‎‏模块、摄像头模块、颜‎‏色识别传感器模块、‎‏电机驱‎‏动与机‎‏械臂等‎‏模块组‎‏成。主‎‏控模块‎‏芯片采‎‏用树莓派4B，能‎‏够用于‎‏处理各‎‏传感器‎‏收集到‎‏的数据‎‏，控制‎‏或驱动‎‏各个模‎‏块的工‎‏作。上位机上位机WiFi模块主控模块舵机模块颜色识别传感器模块摄像头模块电机驱动模块图2.1系统模块框图主控模块以树莓派4B为核心，发布的指令通过树莓派传输至舵机和小车，操控二者上下（左右）运动。摄像头装在舵机上，采集周围图像信息后传输至上位机。数据通过WIFI模块上传至云端，上位机在通过WIFI连接获取云端数据，使得能够实时查看摄像头拍取的画面。同时上位机也可通过WiFi模块完成远程操控。2.2功能需求分析2.2.1技术路线（1）硬件部分需要树莓派4B控制系统、高清摄像头、高性能总线舵机、编码器电机；（2）软件平台程序用PYTHON3等软件；（3）画原理图用AD；（4）编程语言用Python；（5）用户信息通过手机显示查看；2.3单片机型号选择主芯片可以选择树莓派4B、51单片机或32单片机。树莓派确实是一种嵌入式计算机，但与传统的台式机或笔记本电脑相比，它更加灵活、可定制化。除了使用TF卡作为存储介质外，树莓派的处理器、内存等硬件也不同于传统计算机，但其所能完成的任务却相当广泛。在树莓派上可以安装各种操作系统，包括Linux系统和Windows10IoTCore等。通过不同的软件和编程语言，树莓派可以用于各种不同的应用场景，例如物联网设备、媒体中心、智能家居等等。在树莓派上搭建一个迷你的Web服务器，搭建一个智能家居系统，制作一个机器人等等，这些都是非常有趣而且有意义的项目。总的来说，树莓派是一个非常有用和多才多艺的工具，可以让人们尝试不同的技术和项目，以及实现一些有趣的想法。51单片机/STC单片机是一种基于哈佛结构的8位单片机，是一种低成本、高性能、易于掌握和广泛应用的微控制器。它们通常使用汇编语言或C语言进行编程，具有低功耗、稳定性高等特点，常用于各种家电控制、工业控制、汽车电子、安防系统、智能家居等应用领域。其主要优势是价格低廉、易于掌握、开发资料丰富、外设资源齐全、内部Flash可编程等。而其主要缺点是运行速度慢、片上资源有限、缺少先进的外设资源和通信接口、不适用于高性能要求的场合。STM32是一种基于ARM架构的32位微控制器，在嵌入式系统的领域应用非常广泛。其通讯接口丰富，GPIO数量多，定时器数量多，中断系统完善，可用于读取大量传感器等，因此非常适合用于复杂逻辑的应用中。同时，STM32也存在着一些缺点，如价格较高，上手有一定难度等。所以综上所述，我选择树莓派4B单片机，其原理图如下。图2.2树莓派4B原理图第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计为实现搬运不同颜‎‏色的物‎‏料，‎‏响应智‎‏能制造‎‏发展的‎‏要求，‎‏设计了‎‏一款远‎‏程视像‎‏搬运小‎‏车控制‎‏系统设‎‏计。该‎‏小车采‎‏用模块‎‏化设计‎‏，由主‎‏控模块‎‏、摄像头模块、‎‏颜色识‎‏别传感器模块‎‏、电机‎‏驱动与‎‏机械臂‎‏等模块‎‏组成。‎‏主控模‎‏块芯片‎‏采用树莓派4B，‎‏能够用‎‏于处理‎‏各传感‎‏器收集‎‏到的数‎‏据，控‎‏制或驱‎‏动各个‎‏模块的‎‏工作。总原理图如下图：图3.1系统总体原理图3.2系统的主要功能模块设计3.2.1蜂鸣器电路模块设计蜂鸣器是一体‎‏化结构‎‏‎‏的‎‏电子‎‎‏‏讯响‎‏器‎‏‎‏，采用‎‏‎‏直‎‏流电‎‎‏‏压供‎‏电‎‏‎‏，广泛‎‏‎‏应‎‏用于‎‎‏‏计算‎‏机‎‏‎‏、打印‎‏‎‏机‎‏、复‎‎‏‏印机‎‏、‎‏‎‏报警器‎‏‎‏、‎‏电子‎‎‏‏玩具‎‏、‎‏‎‏汽车电‎‏‎‏子‎‏设备‎‎‏‏、电‎‏话‎‏‎‏机、定‎‏‎‏时‎‏器等‎‎‏‏电子‎‏产‎‏‎‏品中作‎‏‎‏发声器‎‏件。结‎‏构一般为：1、蜂鸣器：‎‏发声元‎‎‏‏件，‎‏在其‎‎‏‏两端‎‏施‎‏‎‏加直流‎‏‎‏电‎‏压（‎‎‏‏有源‎‏蜂‎‏‎‏鸣器）‎‏‎‏或‎‏者方‎‎‏‏波（‎‏无‎‏‎‏源蜂鸣‎‏‎‏器‎‏）就‎‎‏‏可以‎‏发‎‏‎‏声，其‎‏‎‏主‎‏要参‎‎‏‏数是‎‏外‎‏‎‏形尺寸‎‏‎‏、‎‏发声‎‎‏‏方向‎‏、‎‏‎‏工作电‎‏‎‏压‎‏、工‎‎‏‏作频‎‏率‎‏‎‏、工作‎‏‎‏电‎‏流、‎‎‏‏驱动‎‏方‎‏‎‏式（直‎‏‎‏流‎‏方波‎‎‏‏）等‎‏。‎‏‎‏这些都‎‏‎‏需‎‏要根‎‎‏‏据需要进行选择。2、续流二极‎‎‏‏管：‎‏蜂鸣‎‎‏‏器本‎‏质‎‏‎‏上是一‎‏‎‏个‎‏感性‎‎‏‏元件‎‏，‎‏‎‏其电流‎‏‎‏不‎‏能瞬‎‎‏‏变，‎‏因‎‏‎‏此必须‎‏‎‏有‎‏一个‎‎‏‏续流‎‏二‎‏‎‏极管提‎‏‎‏供‎‏续流‎‎‏‏。否‎‏则‎‏‎‏，在蜂‎‏‎‏鸣‎‏器两‎‎‏‏端会‎‏产‎‏‎‏生几十‎‏‎‏伏‎‏的尖‎‎‏‏峰电‎‏压‎‏‎‏，可能‎‏‎‏损‎‏坏三‎‎‏‏极管‎‏，‎‏‎‏并干扰‎‏‎‏整‎‏个电‎‎‏‏路系‎‏统的其他部分。3、滤波电容：‎‏‎‏其作用‎‎‏‏是滤‎‏波‎‏‎‏，滤除‎‏‎‏蜂‎‏鸣器‎‎‏‏电流‎‏对‎‏‎‏其他部‎‏‎‏分‎‏的影‎‎‏‏响，‎‏也‎‏‎‏可以改‎‏‎‏善‎‏电源‎‎‏‏的交‎‏流‎‏‎‏阻抗，‎‏‎‏如‎‏果可‎‎‏‏能，‎‏最‎‏‎‏好是再‎‏‎‏并‎‏联一‎‎‏‏个2‎‏2‎‏‎‏0uF‎‏‎‏的‎‏电解电容。4、三极管：起‎‏开关作‎‏‎‏用‎‏，其基‎‏‎‏极‎‏的高‎‎‏‏电平‎‏使‎‏‎‏三极管‎‏‎‏饱‎‏和导‎‎‏‏通，‎‏使‎‏‎‏蜂鸣器‎‏‎‏发‎‏声;‎‎‏‏而基‎‏极‎‏‎‏低电平‎‏‎‏则‎‏使三‎‎‏‏极管‎‏关‎‏‎‏闭，蜂‎‏‎‏鸣‎‏器停‎‎‏‏止发声。其原理图为：图3.2蜂鸣器原理图3.2.2YX4055AM驱动电路模块设计通过‎‏单片机‎‎‏‏的I‎‏/‎‏‎‏O输入‎‏‎‏改‎‏变芯‎‎‏‏片控‎‏制‎‏‎‏端的电‎‏‎‏平‎‏，即‎‎‏‏可以‎‏对‎‏‎‏电机进‎‏‎‏行‎‏正反‎‎‏‏转，‎‏停‎‏‎‏止的操‎‏‎‏作‎‏。‎‏‎‏内部包‎‏‎‏含‎‏4通‎‎‏‏道逻‎‏辑‎‏‎‏驱动电‎‏‎‏路‎‏，是‎‎‏‏一种‎‏二‎‏‎‏相和四‎‏‎‏相‎‏电机‎‎‏‏的专‎‏用‎‏‎‏驱动器‎‏‎‏，‎‏即内‎‎‏‏含二‎‏个‎‏‎‏H桥的‎‏‎‏高‎‏电压‎‎‏‏大电‎‏流‎‏‎‏双全桥‎‏‎‏式‎‏驱动‎‎‏‏器，‎‏接‎‏‎‏收标准‎‏‎‏T‎‏TL‎‎‏‏逻辑‎‏电‎‏‎‏平信号‎‏，可驱‎‏动46‎‏V、2‎‏A以‎‏下的电机。原理图如下。图3.3驱动电路模块设计3.2.3按键电路模块设计本系统用到‎‏了‎‏‎‏俩个独立按‎‏‎‏键‎‏，其‎‎‏‏中一‎‏个‎‏‎‏用作系‎‏‎‏统‎‏的开始‎‏，‎‏‎‏另外一‎‏个用作系统的关闭，‎‏该‎‏‎‏种接法‎‏‎‏查‎‏询简‎‎‏‏单，‎‏程‎‏‎‏序处理‎‏‎‏简‎‏单,‎‎‏‏可节‎‏省‎‏‎‏CPU‎‏‎‏资‎‏源，‎‎‏‏2个‎‏独‎‏‎‏立按键‎‏‎‏分‎‏别与‎‎‏‏单片‎‏机的两‎‏个‎‏‎‏接口相‎‏‎‏连‎‏。原‎‎‏‏理图‎‏如下所示。图3.4按键电路模块设计3.2.4颜色识别传感器模块设计TCS34725传感器模块的工作原理是利用L ED发光照射到被测物体后，检测其返回的RG‎B比例值，进而进行颜色识别。其具有功耗小、体积小、安装方便等优点，可以通过串口UART或者 IIC进行数据读取和控制。此外，TC S34 725还具有7种颜色识别功能，并且可以设置单独传感器芯片工作模式，作为简单传感器模块，MC U不参与数据处理工作。这使得T CS3 472 5能够适应不同的工作环境，与单片机及电脑连接原理图如下。图3.5颜色识别传感器模块原理图3.2.5USB单目摄像头模块设计USB单目摄像头‎‏具有30万‎‏像素(‎‏640x480像素)‎‏，其采用OV7725摄像头，其具有体‎‏积小、‎‏工作电‎‏压低，高效的特点。‎‏由于处理图像时使用的电流小于200MA，其又拥有USB接口，便于与树莓派4B进行连接。树莓派中，有俩个摄像头接口，一个USB和CSI接口，USB摄像头有比较长，比较灵活的USB线，方便灵活，所以采用树莓派USB2.0将树莓派4B与摄像头连接。模块‏图如下。图3.6USB单目摄像头模块3.2.6舵机模块设计舵机（英文叫‎‏Ser‎‏vo）‎‏：它由‎‏直流电‎‏机、减‎‏速齿轮‎‏组、传‎‏感器和‎‏控制电‎‏路组成‎‏的一套‎‏自动控‎‏制系统‎‏，通过‎‏发送信‎‏号，指‎‏定输出‎‏轴旋转‎‏角度。‎‏舵机一‎‏般而言‎‏都有最‎‏大旋转‎‏角度（‎‏比如1‎‏80度‎‏）与普‎‏通直流‎‏电机的‎‏区别主‎‏要在，‎‏直流电‎‏机是一‎‏圈圈转‎‏动的，‎‏舵机只‎‏能在一‎‏定角度‎‏内转动‎‏，不能‎‏一圈圈‎‏转（数‎‏字舵机‎‏可以在‎‏舵机模‎‏式和电‎‏机模式‎‏中切换‎‏，没有‎‏这个问‎‏题）。‎‏普通直‎‏流电机‎‏无法反‎‏馈转动‎‏的角度‎‏信息，‎‏而舵机‎‏可以。‎‏用途也‎‏不同，‎‏普通直‎‏流电机‎‏一般是‎‏整圈转‎‏动做动‎‏力用，‎‏舵机是‎‏控制某‎‏物体转‎‏动一定‎‏角度用‎‏（比如‎‏机器人‎‏的关节‎‏）。原‎‏理图如下。图3.7舵机模块原理图3.2.7WiFi通讯模块ES‎‏P82‎‏66模‎‏块是以单‎‏核32‎‏位mc‎‏uwi‎‏fi芯‎‏片为主‎‏。其特‎‏点是拥‎‏有高性‎‏能无线‎‏soc‎‏，是一‎‏个完整‎‏且自成‎‏体系的‎‏wif‎‏i网络‎‏方案，‎‏能够独‎‏立运行‎‏，也可‎‏以作为‎‏sla‎‏ve搭‎‏载其他host运行。ESP8266WIFI串口通信‎‏模块应‎‏该是使‎‏用最广‎‏泛的一‎‏种WI‎‏FI模‎‏块之一‎‏了，因‎‏为ES‎‏P82‎‏66模‎‏块是一‎‏款高性‎‏能的W‎‏IFI‎‏串口模‎‏块。‎‏Esp8266WiFi模组原理图如下图。图3.8Esp8266WiFi模组原理图第4章系统的软件设计4.1系统的总体流程系统的软件部分主要进行小车前进设计，颜色识别设计等。程序开始运行后首先要进行初始化，将单片机的各引脚的状态按程序中的初始化命令进行初始化，单片机初始化完成后继电器控制电路导通，随后用上位机发布指令通过WIFI模块控制小车进行移动或者控制舵机左右移动。系统的总体流程图如下所示。上位机上位机WiFi模块树莓派舵机模块电机驱动模块图像传输摄像头模块颜色识别传感器数据传至云平台小车移动图4.1系统总体流程图

4.2蜂鸣器报警电路模块软件设计程序开始运行后，首先进行单片机的初始化，初始化成功后，执行小车移动或其他程序，程序运行完成后，蜂鸣器报警，发声0.5秒。由于树莓派主板上含有有源蜂鸣器，其内置振荡源，所以通电即可发出声音，其流程图如下所示。开始开始单片机初始化初始化是否成功？通过上位机发布指令执行某程序，例如小车前进结束是否是否执行成功该程序？蜂鸣器工作否是图4.2蜂鸣器工作流程图4.3驱动电路软件模块设计当单片机初始化完成后，驱动电路电路导通。随后电机驱动模块开始运行，小车随即开始运动。上位机通过WiFi模块控制树莓派4B，随后控制电机驱动模块对小车进行移动。其工作流程图如下所示。开始开始单片机初始化初始化是否成功？电路导通驱动电路开始工作结束是否图4.3驱动电路工作流程图

4.4按键电路模块设计当单片机初始化完成后，通过俩个按键传感器，系统可正常开始工作。其中分别负责开始和停止功能。按一号键开始，电源通电，单片机初始化，单片机初始化成功后，电路导通，即可开始完成各个程序的运行。如完成程序后，想关闭程序，即可直接按二号键结束，其可以直接关闭电源，停止通电。通过控制按键电路执行程序，其流程图如下。单片机初始化单片机初始化初始化是否成功？电路导通按二号键结束，关闭电源结束是否按一号键开始，通电图4.4按键模块工作流程图

4.5颜色识别模块软件设计当系统初始化完成后，开始正常工作。上位机选择颜色识别，下位机颜色识别传感器开始工作。上位机可以选择一个颜色，通过WiFi模块对主控模块下达命令，随后传感器识别到该颜色后会发送信号给单片机，单片机发送指令控制舵机向颜色传感器识别出颜色的方位转动。流程图如下。开始开始单片机初始化上位机选择颜色识别模式，并选择颜色下位机根据颜色寻找物体位置找到该色物体位置，发送信号给单片机初始化是否成功？否是单片机命令舵机对该色物体位置进行转动结束图4.5颜色识别传感器流程图4.6摄像机模块软件设计当单片机初始化完成后，开始正常工作。摄像机模块将开始工作，对前方的画面进行实时拍摄，并将画面信号发送给单片机。单片机可以对画面信号进行处理，发送给传感器可以进行颜色识别功能，发送给上位机可以进行对目标物体进行夹取或进行其他操作。流程图如下。开始开始结束初始化完成摄像机开始工作实时拍摄画面传送给单片机单片机处理画面信号，发送到传感器和上位机进行相应操作 图4.6摄像机模块流程图4.7舵机模块软件设计当系统初始化完成后，开始正常工作。下位机的PWM舵机将接受来自于上位机的信号，随后不同位置的舵机将根据指令做不同的转动。以此来完成手臂的运动工作。例如，完成颜色识别功能，对目标颜色物体位置进行转动。流程图如下。开始开始结束初始化完成上位机发送运动信号舵机接受信号，作出相应动作手臂开始运动图4.7舵机模块软件设计4.8WIFI通讯模块软件设计系统初始化完成后，开始正常工作。单片机将实时获取系统中各项数据并通过WiFi模块上传至云端，随后上位机可以从云端获取系统的实时运行信息，从而实现远程操控。本设计通过WIFI模块进行颜色识别，对前方画面进行实时拍摄。其流程图如下。开始初始化完成开始初始化完成传感器检测各项实时数值数据发生给单片机单片机通过WiFi模块发送给云端上位机从云端获取实时信息实现远程操控图4.8WiFi模块流程图第5章系统测试5.1系统实物图车体结构：小车的车体是其基础结构，通常采用坚固耐用的材料构建。车体的设计应考虑到搬运物品的重量和尺寸，以确保足够的稳定性和承载能力。驱动系统：小车的驱动系统负责提供动力和控制车辆的运动。常见的驱动系统包括电动马达、液压系统或气压系统。这些驱动系统通过传动装置（如齿轮或传动带）将动力传递到车轮上，驱动小车前进、后退或转向。控制系统：小车的控制系统是远程视像搬运小车控制的核心。它包括传感器、控制器和通信模块等组件。传感器用于获取车辆和周围环境的信息，控制器根据传感器数据制定相应的控制策略，通信模块实现与远程操作中心的数据传输和指令交互。视像系统：远程视像搬运小车通常配备视像系统，包括摄像头和显示设备。摄像头用于实时拍摄搬运过程，将图像传输到远程操作中心，供操作人员进行远程监控和指导。显示设备可以是显示屏等，用于操作人员观看实时视频和搬运任务信息。综上所述，远程视像搬运小车的组成结构包括车体结构、驱动系统、搬运装置、控制系统和视像系统等关键组件。这些组件的合理设计和优化可以提高小车的稳定性、机动性和搬运效率。图5.1成品实物图图5.2上位机界面图5.2测试原理远程视像搬运小车的软件控制硬件调试过程涉及到软件和硬件之间的相互配合和调试。远程视像搬运小车的软件控制硬件调试过程是确保软件与硬件之间正常通信和协作的关键步骤。首先，需要确保硬件连接正确。将摄像头、电机、电池和其他传感器等硬件模块正确连接到主控板。检查每个连接的稳固性和正确性，以防止松动或错误连接导致通信故障。接下来，进行硬件驱动的调试。通过软件控制，逐个测试电机和传感器的工作情况。确保电机能够按照指令旋转并具有正确的速度和方向。同时，通过读取传感器数据，验证传感器的准确性和稳定性。如果发现问题，需要检查硬件连接和配置，并进行相应的调整。在硬件调试完成后，进行软件控制的调试。编写代码来实现远程视像搬运小车的功能，如视觉识别、远程控制等。通过与主控板的通信接口（如UART、SPI或I2C）进行交互，确保指令的正确传递和执行。测试远程视像功能，验证摄像头的图像采集和传输是否正常。进行软件调试时，可以使用调试工具或串口打印输出来监视代码执行过程中的变量值和程序流程。通过调试工具的断点功能，可以逐步跟踪代码的执行过程，以找出潜在的错误或异常情况。最后，进行整体的功能测试。将远程视像搬运小车放置在合适的环境中，并进行远程控制、物体识别等操作。观察小车的行动和功能是否符合预期。根据测试结果，对软件控制和硬件配置进行必要的优化和调整，以确保远程视像搬运小车的正常运行。通过以上的软件控制和硬件调试过程，可以确保远程视像搬运小车的功能正常、稳定运行，并能够根据指令进行视觉搬运任务。5.2.1硬件实物测试系统开始运行，通过上位机控制舵机工作，几个舵机分别位于小车的机械臂关节上，以此控制机械臂运行，电机驱动可以控制小车移动，前后左右方向都可以操控。随后设置障碍物，当小车运行到障碍物前时，上位机可以控制机械臂将物体举起；在上位机选择颜色识别功能并选择物体颜色为红色，当检测到红色的物体位置发生变化时，机械臂可以随着物体的方位变化而变化，若不是红色的物体，小车机械臂不动。实验成功。图5.3控制机械手臂拿红色重物图5.4识别到不同方位的物体机械臂换方向5.2.2软件调试——树莓派系统的基本操作如何将树莓派4B连接到手机并进行调试。这里有一些步骤：第一步：准备工作：在开始之前，您需要准备以下物品：树莓派4B、一个Micro-HDMItoHDMI转接器、一根HDMI线、一个Micro-USBtoUSB-C数据线、一台装有Android系统的手机、一个OTG线、一个USB鼠标。第二步：连接树莓派和手机、将Micro-HDMI转接器插入树莓派的Micro-HDMI端口。将HDMI线插入转接器的HDMI端口。将Micro-USB数据线插入树莓派的USB-C端口。将OTG线插入手机的Micro-USB端口。将另一端的OTG线插入树莓派的USB-A端口。如果需要连接USB鼠标，请将USB鼠标插入树莓派的USB-A端口。第三步：打开开发者选项、在手机上，您需要打开开发者选项。这是一个隐藏的选项，需要进行特定的操作才能找到它。以下是如何打开它的步骤：打开手机的“设置”应用程序。滚动到底部并点击“关于手机”。找到“版本号”并连续点击7次。返回到设置菜单，您应该看到一个新的选项：“开发者选项”。点击“开发者选项”并启用“USB调试”。第四步：在树莓派上打开终端。现在，您需要在树莓派上打开终端。您可以通过以下步骤完成：将树莓派连接到显示器。在树莓派上启动终端应用程序。在终端中输入以下命令以安装ADB：sudoapt-getupdate、sudoapt-getinstalladb在终端中输入以下命令以连接到手机：adbdevices、如果连接成功，您应该会在终端中看到您的设备名称。完成步骤后可以使用ADB命令在树莓派上进行与手机相关的调试工作。到此为止，已经成功地将树莓派4B连接到手机并进行了调试。图5.5配置界面第6章总结与展望6.1总结在智能小车设计过程中，分为硬件和软件俩部分，在硬件部分设计了树莓派4B的最小系统、YX4055AM驱动电路、颜色识别传感器模块，软件部分通过查询资料，主要设计了颜色识别、小车前进等代码设计。系统的调试是通过一块树莓派4B开发板，再借助于PYTHON3等软件进行调试。调试结果符合预期。6.2展望远程视像搬运小车是一种具有搬运和视觉功能的智能设备，随着技术的不断进步，它有着许多潜在的新功能和应用。远程视像搬运小车在当前的功能基础上，可以进一步发展和创新，实现更多的新功能。以下是几个可能的新功能展望：自主导航和路径规划：远程视像搬运小车可以配备更高级的导航系统和路径规划算法。通过结合激光雷达、超声波传感器等先进的导航技术，小车可以自主避开障碍物、规划最优路径，并实现自主导航功能。智能物体识别与抓取：远程视像搬运小车可以通过视觉识别技术，实现对不同类型物体的智能识别和抓取。利用深度学习算法和图像处理技术，小车可以准确识别目标物体，并根据预设的抓取策略进行抓取操作。多模式远程控制：除了传统的手动远程控制，远程视像搬运小车可以引入更多的控制模式。例如，语音控制、姿势识别或虚拟现实技术，使用户可以以更直观和便捷的方式与小车进行交互和控制。多台小车协同工作：多台远程视像搬运小车可以通过网络通信进行协同工作，实现更复杂的任务。例如，可以将小车组成小组，共同协作搬运大型物体或分担工作负载，提高效率和灵活性。数据共享与远程协助：远程视像搬运小车可以将实时的视觉信息和操作数据与远程用户共享，实现远程协助和监控。通过网络连接和实时视频传输，用户可以远程观察和操作小车，实现远程协助和指导。随着科技的进步和需求的不断变化，远程视像搬运小车的新功能将为工业、仓储、医疗和家庭等领域带来更多的应用和便利。

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附录附录A系统总电路图图A.1系统总电路图附录B源代码#!/usr/bin/python3#coding=utf8#Date:2022/06/30importsysimporttimeimportsignalimportBoardasBoardprint('''****************************************************************蜂鸣器控制******************************************************************''')ifsys.version_info.major==2:print('Pleaserunthisprogramwithpython3!')sys.exit(0)#关闭前处理defstop(signum,frame):Board.setBuzzer(0)#关闭蜂鸣器signal.signal(signal.SIGINT,stop)if__name__=='__main__':#蜂鸣器响0.5SBoard.setBuzzer(1)#设置蜂鸣器响time.sleep(0.5)#延时0.5SBoard.setBuzzer(0)#关闭蜂鸣器#!/usr/bin/python3#coding=utf8importsysimportrospyfromchassis_control.msgimport*ifsys.version_info.major==2:print('Pleaserunthisprogramwithpython3!')sys.exit(0)print('''*************************************************************************功能:小车前后左右移动**************************************************************************''')start=True#关闭前处理defstop():globalstartstart=Falseprint('关闭中...')set_velocity.publish(0,0,0)#发布底盘控制消息,停止移动if__name__=='__main__':#初始化节点rospy.init_node('car_move_demo',log_level=rospy.DEBUG)rospy.on_shutdown(stop)#麦轮底盘控制set_velocity=rospy.Publisher('/chassis_control/set_velocity',SetVelocity,queue_size=1)whilestart:#发布底盘控制消息,线速度60，方向角90，偏航角速度0(小于0，为顺时针方向)set_velocity.publish(60,90,0)#向前移动rospy.sleep(2)#延时2秒set_velocity.publish(60,0,0)#向右移动rospy.sleep(2)#延时2秒set_velocity.publish(60,270,0)#向后移动rospy.sleep(2)#延时2秒set_velocity.publish(60,180,0)#向左移动rospy.sleep(2)set_velocity.publish(0,0,0)#发布底盘控制消息,停止移动print('已关闭')#!/usr/bin/python3#coding=utf8#Date:2022/05/30importsysimportcv2importmathimportrospyimportnumpyasnpfromthreadingimportRLock,Timerfromstd_srvs.srvimport*fromstd_msgs.msgimport*fromsensor_msgs.msgimportImagefromsensor.msgimportLedfromcolor_tracking.srvimportSetTargetfromvisual_processing.msgimportResultfromvisual_processing.srvimportSetParamfromhiwonder_servo_msgs.msgimportMultiRawIdPosDurfromarmpi_proimportPIDfromarmpi_proimportMiscfromarmpi_proimportbus_servo_controlfromkinematicsimportik_transform#颜色跟踪lock=RLock()ik=ik_transform.ArmIK()__isRunning=Falsetarget_color='None'img_w=640img_h=480x_dis=500y_dis=0.167Z_DIS=0.2z_dis=Z_DISRADIUS=45x_pid=PID.PID(P=0.08,I=0.001,D=0)#pid初始化y1_pid=PID.PID(P=0.0008,I=0,D=0)y2_pid=PID.PID(P=0.0003,I=0,D=0)z_pid=PID.PID(P=0.00003,I=0,D=0)range_rgb={'red':(0,0,255),'blue':(255,0,0),'green':(0,255,0),'black':(0,0,0),'white':(255,255,255)}#初始位置definitMove(delay=True):withlock:target=ik.setPitchRanges((0,y_dis,Z_DIS),-90,-92,-88)#逆运动学求解iftarget:servo_data=target[1]bus_servo_control.set_servos(joints_pub,1500,((1,200),(2,500),(3,servo_data['servo3']),(4,servo_data['servo4']),(5,servo_data['servo5']),(6,servo_data['servo6'])))ifdelay:rospy.sleep(2)#关闭扩展板RGB彩灯defturn_off_rgb():led=Led()led.index=0led.rgb.r=0led.rgb.g=0led.rgb.b=0rgb_pub.publish(led)led.index=1rgb_pub.publish(led)#变量重置defreset():globaltarget_colorglobalx_dis,y_dis,z_diswithlock:x_dis=500y_dis=0.167z_dis=Z_DISx_pid.clear()y1_pid.clear()y2_pid.clear()z_pid.clear()turn_off_rgb()target_color='None'#初始化definit():rospy.loginfo("colortrackingInit")initMove()reset()#图像处理结果回调函数defrun(msg):globalx_dis,y_dis,z_discenter_x=msg.center_xcenter_y=msg.center_yradius=msg.datawithlock:if__isRunningandtarget_color!='None':ifradius>20:#X轴追踪x_pid.SetPoint=img_w/2.0#设定x_pid.update(center_x)#当前dx=x_pid.output#输出x_dis+=int(dx)#限幅x_dis=200ifx_dis<200elsex_disx_dis=800ifx_dis>800elsex_dis#Y轴正方向追踪ifradius-RADIUS<-3:y1_pid.SetPoint=RADIUS#设定y1_pid.update(radius)#当前dy=y1_pid.output#输出#Y轴负方向追踪elifradius-RADIUS>5:y2_pid.SetPoint=RADIUS#设定y2_pid.update(radius)#当前dy=y2_pid.output#输出else:dy=0y_dis+=dyy_dis=0.12ify_dis<0.12elsey_disy_dis=0.25ify_dis>0.25elsey_dis#Z轴追踪z_pid.SetPoint=img_h/2.0#设定z_pid.update(center_y)#当前dy=z_pid.output#输出z_dis+=dyz_dis=0.22ifz_dis>0.22elsez_disz_dis=0.17ifz_dis<0.17elsez_distarget=ik.setPitchRanges((0,round(y_dis,4),round(z_dis,4)),-90,-85,-95)#逆运动学求解iftarget:#发布舵机控制节点消息,移动机械臂servo_data=target[1]bus_servo_control.set_servos(joints_pub,20,((3,servo_data['servo3']),(4,servo_data['servo4']),(5,servo_data['servo5']),(6,x_dis)))result_sub=Noneheartbeat_timer=None#APPenter服务回调函数defenter_func(msg):globallockglobal__isRunningglobalresult_subrospy.loginfo("entercolortracking")init()withlock:ifresult_subisNone:rospy.ServiceProxy('/visual_processing/enter',Trigger)()result_sub=rospy.Subscriber('/visual_processing/result',Result,run)return[True,'enter']#APPexit服务回调函数defexit_func(msg):globallockglobal__isRunningglobalresult_subglobalheartbeat_timerrospy.loginfo("exitcolortracking")withlock:rospy.ServiceProxy('/visual_processing/exit',Trigger)()__isRunning=Falsereset()try:ifresult_subisnotNone:result_sub.unregister()result_sub=Noneifheartbeat_timerisnotNone:heartbeat_timer.cancel()heartbeat_timer=NoneexceptBaseExceptionase:rospy.loginfo('%s',e)return[True,'exit']#开始运行函数defstart_running():globallockglobal__isRunningrospy.loginfo("startrunningcolortracking")withlock:__isRunning=True#停止运行函数defstop_running():globallockglobal__isRunningrospy.loginfo("stoprunningcolortracking")with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