基于物联网的无人快递车驱动控制研究

曾启正 邱斯杰 曾仕峰 陈涛 刘宇亮 周永明 洪远泉

摘 要：针对无人快递车在校园及小区等已知规划路径条件的行驶问题，文中概述基于物联网无人快递车的驱动及控制方法，并从底层硬件电路设计和控制软件设计两个角度进行分析，提出一种更为有效的无人快递车路径循迹方法和应用思路。对于硬件电路方面，概述一种更为高效、安全的设计方案;对于软件控制方面，概述一种双PID闭环控制方法，在路径量化数据已知的条件下实现更平稳、路径跟随更流畅的控制效果。经测试结果表明，该驱动和控制方法可以使无人快递车更安全、准确地实现循径运动。

关键词：物联网;无人快递车;底层硬件电路;控制软件;路径循迹方法;双PID闭环控制

中图分类号：TP13文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）09-00-02

0 引 言

当下基于物联网的无人快递车[1]逐渐兴起，以各种试验的形式出现在众多校园和小区内，但路径行驶效果参差不齐，普遍存在安全隐患，导致无人快递车仍无法普及于众和大范围商用。于是，在这个方面需要设计一种更为高效、安全的路径循迹无人快递车的底层硬件电路和控制软件，以解决无人快递车在运动过程中不够安全的问题，并提高效率。

本设计在已有的方案上结合硬件驱动电路、增量式PID算法、位置式PID算法，以此解决物联网快递无人车在已获取位置路径信息的前提下如何高效、安全应对各种路径的运动问题。

1 系统总体结构

运动控制整体结构如图1所示，小车运动系统以STM32F103ZET6为运动控制核心。系统整体依赖供电部分为整个系统的运行提供电力，控制处理中心基于FreeRTOS操作系统[2]编程，通过接收来自检测部分的信息，经过处理后发送驱动信号给电机驱动部分。供电部分包括蓄电池和过载保护模块，检测部分包括磁力计模块和光电编码模块，电机驱动部分包括电机驱动模块和减速电机模块。

2 系统硬件设计

2.1 供电设计

本电路采用LM2596T开关电压调节器[3]对12 V电池降压，形成5 V稳定电源为单片机及外围传感器电路供电;采用AMS1117-3.3稳压器对5 V电源进行二次降压，形成3.3 V稳定电源为低电压IC供电。通过对这两种降压稳压器及相关电路的设计及运用，实现了整个电路的稳定工作，保证了系统的正常运行。

在传统供电方案基础上，本系统还增加了电压电流过载保护电路，当系统电流过大或电压超过额定值时，过载保护电路可自行切断输入电源，确保电路安全。

2.2 检测设计

本系统采用光电编码器对小车进行测速，将速度作为控制反馈量，以实现更好地控制小车行驶。光电编码器是一种通过光电器件的接收和电子线路处理，产生特定的电信号后输出，再经过数字处理可计算出位置和速度信息的传感器。使用光电编码器可以测量小车的位移或速度信息，还可以用来辨别转向。

本系統采用矢量磁力计模块，可以测量小车实时的车体方位[4]，结合定位系统可准确获取小车的位置以及车体方向，确保小车控制的准确性和安全性。

2.3 电机驱动设计

系统采用TB6612FNG[5]作为小车电机驱动模块，实现小车的驱动和换向功能，以及解决单片机I/O口带负载能力较弱等问题。该模块具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。同时采用直流减速电机实现对无人快递车的速度精确控制。这种直流减速电机中安装减速器，其目的可以降低转速，增加转矩;减速后的电机力矩增大，可控性更强，可适用于多种地形。

3 系统软件设计

本系统在服务端计算获得已知规划路径量化数据的条件下，提出一种与上述底层硬件电路相适应的双PID闭环控制器组合循径控制方法，其中包含位置式PID-位置闭环控制

器[6]和增量式PID-角度环控制器[7]。以无人快递车自身经纬度坐标为原点，将周围环境进行二维平面网格化[8]，并将量化的路径数据映射到网格交点上，网格间距（步进值）决定路径循迹精度。在路径量化数据映射至二维网格坐标系后，以小车所在原点作为出发点，坐标为（x0，y0），与原点最近的路径交点坐标作为终点，坐标为（x，y）。以下分别分析两种不同控制器，进而得出本控制方法原理。双闭环PID组合控制逻辑框图如图2所示。

4 系统软件流程设计

系统程序软件执行流程如图4所示。

系统程序步骤如下：

（1）系统初始化，控制处理中心、供电部分、检测部分、电机驱动部分电路启动;

（2）控制处理中心通过物联网[9]获取远端服务器传来的路径信息，并上传检测部分的信息给远端服务器以实时更新路径信息;

（3）控制处理中心将接收的路径信息进行双PID控制算法处理并下达控制指令给电机驱动部分;

（4）电机驱动部分根据控制指令驱动无人快递车运行，检测部分反馈实时检测信息给控制处理中心用于实时更新路径信息。

5 结 语

随着社会的进步与行业技术的发展，诸如快递业这种传统的劳动密集型行业将逐渐实现无人化[10]，无人快递车将是一个主流发展项目。从目前已有对无人快递车的相关报道和实验显示：目前已有的大部分快递无人车的设计在驱动控制方面仍存在较多安全隐患。本设计从快递无人车入手，主要提出了一种应用于无人快递车的驱动控制方案，通过硬件设计和路径处理算法两方面进行优化，可以使无人快递车变得更加高效和安全。目前本设计已完成各部分硬件测试和程序开发与测试，经初步测试，无人快递车在多种不同路况下能实现自主循径，基本满足设计需求。综上所述，本设计能够顺应产业升级的趋势，拥有较高的安全性、实用性和市场价值。

目前，本设计已完成各部分硬件测试与软件的开发，初步测试结果基本满足设计需求，证明了本系统设计顺应发展的趋势，具有较高的使用价值和市场价值。

参 考 文 献

[1]杨琪，李国卿，郝俊杰，等.智能快递车自助寄取快递系统的设计[J].机电技术，2017（2）：2-6.

[2]杨玥，邵浩然，张索非.FreeRTOS与μC/OS-Ⅲ内核分析及选型研究[J].科技视界，2018（24）：11-13.

[3]杨智清，范琦.基于LM2596芯片零起调直流稳压电源的设计[J].电子测量技术，2018，41（22）：36-39.

[4]卢毅.小型航姿参考系统设计[J].传感器与微系统，2019，38（4）：117-120.

[5]王建平，卢杉，武欢欢.TB6612FNG在直流电机控制设计中的应用[J].电子设计工程，2010，18（6）：65-67.

[6]胡志.基于PID控制的两轮自平衡小车设计[J].电子质量，2017（12）：40-43.

[7]何俊龙，杜峰，关志伟，等.缩微智能车路径跟踪的增量式PID控制[J].天津职业技术师范大学学报，2018，28（2）：5-9.

[8]李圣强，姜立新，李闽峰，等.地理坐标下网格化数据等值线的处理及编程[J].山西地震，2002（2）：20-23.

[9]熊礼平.基于物联网技术的车辆检测器设计[J].物联网技术，2018，8（9）：92-95.

[10]蔡虎.无人化技术推动实现商业目标[J].中国储运，2018（7）：54.