车型搬运机器人

雷忠雨 叶斯林

车型搬运机器人比赛是国内机器人比赛的常见项目之一，它的主要任务是设计一个小型轮式机器人，模拟工业自动化过程中自动化物流系统的作业过程，在比赛场地内将不同颜色但相同形状的物料分类搬运到指定的目标区域，比赛成绩根据规定时间内机器人所放置物料的位置精度、数量确定。项目的比赛场地如图1所示。

2017年暑假，我们参加了由清华大学组织的“登峰杯”全国中学生机器人大赛车型搬运项目的比赛。了解项目的竞赛规则后，在老师的指导下，我们首先对项目的任务进行分析，确定了系统方案，接着按照系统方案进行了硬件选型和系统搭建，编写相应的控制程序和循迹程序，初步达到了项目的功能要求。最后通过系统调试不断发现问题、分析问题、解决问题，使系统不断完善。

一、系统设计

小车系统的硬件主要由主控及显示模块、电源模块、循迹模块、运动与控制模块、颜色识别模块和物体分拣抓取模块等组成。系统结构如图2所示。

主控模块主要采用STM32F407型ARM芯片，它具有低功耗、性价比高等优点。

电源模块主要包括一个7.4V的锂电池和直流电压变换电路，保证不同的硬件模块对电源电压的要求。

循迹时我们采用的是6路红外循迹模块。红外循迹模块的原理是：每一路含发射管和接收管，发射管发射红外光，接收管接收反射的红外光产生电压，接收的反射光越强产生的电压越低。由于黑色与白色的反射系数不同，白色反射的光强大，产生的电压低；黑色反射的光强小，产生的电压高。接收管集电极输出接入比较器，通过门限判决电压区分黑色与白色。在循迹过程中，门限电压的设置直接影响着循迹结果，实际操作中需要根据具体的实验环境设置。

运动与控制模块采用三轮结构，其中双向电机控制驱动两轮，负责各种方式的行进及转向，后方的万向轮起支撑平衡作用。

颜色识别模块采用LY-64 TCS3200颜色传感器，如图3所示，它是一款全彩的颜色检测器，该传感器安装在机械爪后部，便于抓取时识别颜色。为减少外界光源对颜色传感器的干扰，我们对机械爪进行遮光处理，并在其上部安装了遮光板。

物体分拣抓取模块由分拣钩子和机械爪组成。其中分拣钩子由两个舵机控制，一个舵机控制钩子的偏转角度，另一个控制钩子的起降。机械爪直接由舵机控制开合。

二、系统调试

系统设计完成后，能否准确完成任务还需在实际场地进行调试。

首先是循迹中門限电压的设置。在调试过程中我们发现，如果门限电压设置得较高就会出现对黑线边缘不敏感的问题，导致小车对偏差不能及时响应。但是，如果将门限电压调得过低又会出现对干扰太敏感的问题，比如易受字母干扰。经过大量的试验分析，最终我们采用门限电压中间4路0.5V，边缘2路0.7V的方案。

第二是循迹算法。我们主要利用6路红外循迹模块检测小车是否偏离轨迹，并通过调整左右轮的转速及时调整方向，保证小车沿黑线稳定行驶，如图4所示。

这里我们以右偏为例进行说明。图a是小车正常行驶时6路红外循迹模块输出，此时，左右轮转速均为8；当L3输出为1，其他输出为0时，小车向右微偏（如图b所示），此时将左轮转速调整为7。当L2输出为1，其他输出为0时，小车向右偏较大，此时将左轮转速调整为6。当L1输出为1，其他输出为0时，小车向右偏很大（如图d所示），此时将左轮转速调整为5。左偏的情况类似。

按以上循迹算法，小车基本能稳定行驶。但在多次试验中，我们发现小车在中心附近时，由于黑线较多，循迹容易受到影响，这时原来的循迹算法适用性就不够强。

由此，我们采取了不同的循迹策略：在中心附近小范围内只使用中间四路进行调整，当出现任意四路同时检测到黑线时小车不调整。

第三是物件放置问题。要想将物件放到位，首先必须做到小车颜色识别正确，这涉及颜色判断问题。为此，我们编写了颜色测试程序，通过各种光照条件下不同颜色的RGB值确定颜色判断阈值，实现颜色准确识别。除准确识别颜色外，将物件放到位还需要小车跑到位、转到位。

我们在调试中发现，小车在循迹中不断调整会产生行驶距离偏差和转向角度偏差。针对行进距离偏差，我们根据场地的特点，以内圈为参照物，采用经过内圈重新计算行驶距离的方法来减少累积误差。针对转向角度偏差问题，我们通过指南针模块进行纠正，达到了较好的效果。

第四是抓准问题，在测试中我们发现，它与分拣位置和分拣钩角度有关系。我们通过多次试验，确定小车停靠位置与钩子偏转角度，实现精准钩取。

通过上述四方面的调试与改进，我们的小车循迹、行驶更稳定，抓取、颜色识别更精确，物件摆放更到位。

参加这次活动让我们全面了解了机器人，熟悉了硬件系统结构，掌握了软件编程方法，提高了分析问题、解决问题的能力。