智能搬运小车运动无线控制系统的设计

智能搬运小车运动无线控制系统的设计摘要随着工厂生产产品的多样化和环境的日益复杂，传统搬运小车的机械搬运方式已不适合电子、医药、化工等行业的复杂生产环境，急需研究智能搬运小车去解决这一问题。智能搬运小车采用树莓派控制器作为主控单元，由机械系统、控制系统两部分组成。控制系统由一些传感器、开关、摄像头、无线接收发送装置等部件组成，实现对小车的远程控制的运动、智能识别避障、远程监控等功能;同时利用红外无线通信模块实现上位机和小车的通讯，选用合适功率、体积小的直流力矩电机，同时，配以合适的驱动模块来实现对电机的驱动，在交互上使用蓝牙无线通信模块完成手机APP对机械臂的控制以及小车运动的控制。经测试，本系统功能稳定，智能化程度高、功能集成性高、远程精确控制、操作方便灵活，能够完美保护工人的安全还能提升工厂的生产效率，实现了货物的智能化搬运。关键词：智能搬运小车；树莓派控制器；机械臂设计；红外控制；APP控制；目录TOC\o"1-3"\h\u28343第1章绪论 图6.2红外遥控系统软件流程图6.4驱动模块程序设计本系统包含分拣模块和输送模块，分别采用机械臂和传送带。相机用于采集快递信息，主控模块对信息进行处理后，发送指令给机械臂进行不同方向的分拣。传送带由树莓派控制运转，占空比可调，便于实时控制速度。为了驱动电机，需要在主控模块中设置相应引脚的GPIO口为输出模式。驱动模块程序设计流程如图6.3所示。图6.3驱动电路流程图6.5APP传输软件设计本系统的核心是Android终端，通过安装自行开发的蓝牙通信软件，用户可以通过XBee蓝牙模块发出指令，实现对Arduino平台无线网关的控制，进而驱动小车的各个模块工作。同时，系统可以实时采集路径信息、前方障碍物信息以及终点信息，控制搬运装置完成搬运任务，并向Android终端反馈信息，实现了一个完整的智能搬运系统。本系统的核心是Android终端，通过安装自行开发的蓝牙通信软件，用户可以通过XBee蓝牙模块发出指令，实现对Arduino平台无线网关的控制，进而驱动小车的各个模块工作。同时，系统可以实时采集路径信息、前方障碍物信息以及终点信息，控制搬运装置完成搬运任务，并向Android终端反馈信息，实现了一个完整的智能搬运系统。图6.4APP控制示意图蓝牙模块主要有三个步骤：1.定义9600的波特率2.读取蓝牙的字符3.通过读取不同的字符，判断不同的操作。为了实现Android手机与树莓派的通信，需要在两端分别配置蓝牙模块，并开发蓝牙通信软件。Android手机在2.0以上版本中提供了蓝牙API接口和相应功能，可以实现蓝牙的开启、关闭、搜索、连接等功能。蓝牙通信软件主要功能是建立套接字通信，通过蓝牙串行端口软件以数据流的形式输入和输出数据。在建立连接之前，需要进行蓝牙搜索和配对，然后可以进行数据传输和蓝牙设置。在Android平台中，蓝牙协议被支持，并提供蓝牙功能包，可以在蓝牙设备之间建立无线连接，实现蓝牙串口通信。详细功能包见表6-1。表6-1蓝牙功能包Android手机蓝牙软件主要实现蓝牙设备间串口通信链路的建立，其中包括蓝牙的搜索、配对、建立通信、发送指令、数据显示、断开连接和退出等功能。Android蓝牙通信软件功能结构设计如图6.5所示：图6.5Android蓝牙通信软件功能结构6.6物体跟随模块程序设计在小车前面安装一个超声波传感器，小车通过蓝牙串口接收到自动跟随的指令。打开超声波传感器，超声波传感器持续发出超声波，当超声波遇到物体后会原路返回到超声波传感器，通过超声波发出和接收的时间差，可以计算出实时的距离，再通过比较距离根据预先设定好的跟随阈值大小，判断小车应该前进、后退还是停止。图6.6物体跟随流程图系统调试和测试7.1树莓派与传感器的测试在开始使用树莓派之前，需要先将操作系统安装到SD卡中。为此，可以从树莓派官网下载Raspbian镜像文件并将其烧录到SD卡中。在完成安装后，需要修改配置文件以开启串口设置指令，并连接显示屏以进入系统开启SSH、远程VNC功能和WIFI连接。这样可以方便地无线登陆树莓派桌面进行使用，并使用文件传输应用程序将编程代码传输到树莓派上运行。在进行实际测试时，首先需要连接传感器并确认其是否正常工作。将传感器与树莓派连接后上电预热一段时间，可以在树莓派端执行数据上报程序的脚本来测试传感器的功能。如果客户端能够正常显示传感器上传的数据，就说明传感器正常工作，并且通信连接正常。这样可以保证在实际运行中，传感器能够正常地上传数据并与树莓派进行通信。图7.1传感器测试图7.2电机与舵机测试将电机与树莓派相连接，树莓派连接电源，然后烧入电机控制小程序，控制电机进行正反转，停止均正常，说明电机与电机驱动电路无误。同理烧入舵机控制程序，将舵机与树莓派相连接，控制舵机运转正常，说明舵机电路无误可正常运行。7.3小车的组装测试小车各个模块都能正常运行后，我们开始小车的组装，先将电机和电机支架安装到亚克力底板上，支架在亚克力地板下侧。然后将的小车的四个轮子分别安装到四个电机上并用螺丝固定好。然后将机械臂按照原理图进行拼装，将机械臂和树莓派用螺丝固定在亚克力的上板上，将树莓派与各个模块进行连接，然后用螺丝将亚克力上下板进行拼接，拼接同时将超声波传感器安装到小车前后的卡槽中。在进行组装的时候我们要注意先要树莓派与各个模块进行连接，然后再进行小车上下底盘的拼接，由于本人开始时不太了解，先拼接的小车上下地盘后进行树莓派与各个模块连接，导致后面树莓派与各个模块连接很困难，甚至有的模块与树莓派连接不上。拼装好的小车如图7.2所示。图7.2组装好的小车7.4物体跟随功能的测试将物体跟随程序代码发送到树莓派上，打开电源，开启物体跟随功能，实时观测物体距离小车的距离以及小车的运动情况，并记录下来，测试结果如表7.3所示表7.3测试结果第一次距离物体的距离小车移动情况2-80cm小车向物体反方向移动当到78cm时小车静止80-100cm小车保持不动100-180cm小车向物体方向移动第二次距离物体的距离小车移动情况2-80cm小车向物体反方向移动80-100cm当再95cm时小车向物体方向移动100-180cm小车向物体方向移动第三次距离物体的距离小车移动情况2-80cm小车向物体反方向移动当到79cm时小车静止80-100cm小车静止100-180cm当到101cm时小车向物体方向移动 根据测试结果我们可以看出，物体跟随功能的实现基本符合我们的预期，由于物体和小车之间角度问题，有一点偏差属于正常情况。在调式程序时，发现有的指令用的不正确导致小车失灵，对于这段程序调试用了很长的时间，由于当时程序并未调好所以实验结果并未计算在内。7.5app控制功能的测试打开手机蓝牙连上小车的信号，进入小车控制界面，app控制界面如图7.4所示，然后点击手机上的指令键，观察小车是否按照指令进行运动，结果分析，小车反应良好，动作灵敏。符合app控制的基本要求。图7.4app控制界面结论移动机器人的出现给人类带来了重大的变革，作为高新技术的代表，它综合了多个领域的成果。本文基于国内外移动机器人的发展状况和课题设计要求，设计了一套基于无线控制模式的智能搬运小车，并通过实验验证了其正确性和实现了预期功能。本文的主要内容包括以下几个方面：1.小车整体架构设计，包括机械系统和控制系统两个部分。选择小车的运动模式，建立小车的运动学模型，设计和分析控制系统、传感器模块、驱动模块和主控制模块，并引入电机控制技术。2.小车传感器模块设计，包括障碍物检测模块、车轮速度检测模块设计检测程序并进行相关实验，得出超声波的稳定测距范围、不同占空比下小车的速度变化曲线以及利用电子罗盘测得小车航向角。3.app控制方面，在协议堆栈的APP层中，设计了键盘响应和串行端口通信程序图形接口。同时，对本课题的无线通信系统进行了测试，结果表明传输稳定可靠，适用于小车的通信。本设计结构简单，调试方便，系统反应较为灵活，硬件电路由可拆卸模块拼接而成有很大的扩展空间。经实验测试，该小车设计方案正确，可行。其实现的功能符合预期结果，各项指标稳定，可靠。虽然智能小车系统有很多的优点，但在设计中也存在着一些不足，如如果在开始物体跟随功能时，中间突然出现其他物体，小车会跟随其进行运动，破坏了原来的运动规律，所以在使用过程中要注意环境影响。

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