智能搬运机器人小车设计

侯蕊 刘赛轩

摘要：设计了一种基于单片机的智能搬运机器人，该机器人具有循迹功能、避障功能、通过电机驱动实现小车的行驶。通过二维码识别和机械臂操作实现货物的搬运。

近年来，随着物联网技术和通信技术的飞速发展，基于通信和物联网的自动识别技术已成为当前研究的热点。二维码识别技术是一种全新的信息存储、传递和识别技术，已经迅速地融入到了社会和人们日常生活当中。基于二维码支付、二维码电子凭证、二维码加密发票的各种二维码应用技术让商业和生活体验变得更有活力。二维码与工业智能、机电一体化的结合大大提高了数据处理的能力，也在很大程度上减轻了人类的体力劳动。将给商业应用创新带来新的活力，为传统企业优化转型、信息化建设带来巨大附加价值。

对于仓储物流行业来说，需要将各种物品搬运到目标位置，而搬运机器人则是实现物流自动化中必不可少的一个环节。 搬运机器人在物流仓储行业中的应用，不仅能够提高其生产水平，以实现高效运转。在某些对人体有危害的环境中，搬运机器人应用能够使得人体免受危害，同时还能达到减轻人工劳动力，降低生产成本的效果。仓储机器人的使用能极大地提升仓储物流行业的工作效率，提升仓储物流行业的效率和速度。智能小车系统可以作为搬运机器人的基础进行研发，其行进功能、自动避障功能、通信控制功能都是搬运机器人不可或缺的功能，这些功能对提升搬运机器人的工作效率有十分巨大的意义。

一、硬件设计部分

小车采用比较先进的单片机 IAP15W4K58S4 为控制核心，他具有磁导航循迹功能，超声波避障功能，RFID 识别货架位置功能，电机驱动功能来实现控制小车的行驶路径，并将小车采集到的信息传送到单片机上，以实现对小车的智能控制。小车主体由机械臂，二维码识别模块组成通过单片机控制小车机械臂完成挪动物体的操作，二维码识别模块用于扫描带二维码的物体。

二、基于IAP15W4K58S4单片机及其外设

智能小车的核心驱动模块是单片机，他包括磁导航寻迹模块、超声波避障模块、电机驱动模块、RFID货架识别模块。

1.IAP15W4K58S4单片机

IAP15W4K58S4 单片机是 STC 公司生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强干扰的新一代MCU。使用 STC 公司最新的方法进行处理，处理后的程序在一般情况下是不能破解的开发人员编写的程序能较好地兼容传统的 MCU，且速度还比传统的MCU快8-12倍。STC15 系列单片机内部机集成高精度 R/C 时钟，可配置时钟的范围5-30 MHz，同时STC15系列单片机内部集成了高可靠复位电路，因此 IAP15 最小系统是彻底省掉了昂贵的外部晶振和时钟电路。IAP15W4K58S4 具有8路 CCP/PWM/PCA，8路 10位高速 A/D，内置4 KB大容量SRAM，4组超高速异步串行通信口和1组高速同步串行通信端口 SPI，并且它的供电电压很宽，在 2.5～5.5V之间都能正常工作。

2.磁导航寻迹模块

磁导航传感器技术利用集磁道钉的磁场特性研究磁信号检测、车辆与磁道钉之间相对运动于一体的试验平台。在此平台上模拟实地的车辆磁道钉导航自动驾驶设计车辆的直线运动、S形运动以及加速等运动模式，并编写软件程序实现功能需求。

3.超声波避障模块

超声波传感器主要由发送器部分、接收器部分、控制部分和电源部分构成。发送超声波由发送器部分完成，主要利用振子的振动产生并向空中辐射超声波;接收超声波由接收器部分完成，主要接受由发送器辐射出的超声波并将其转换为电能输出;除此之外，发送器与接收器的动作都受控制部分控制，如控制发送器发出超声波的脉冲连频率、占空比、探测距离等等;整体系统的工作也需能量的提供，由电源部分完成。这样，在电源作用下、在控制部分控制下，通过发送器发送超声波与接收器接收超声波便可完成超声波传感器所需完成的功能。

4.电机驱动模块

直流伺服电机包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器，所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。伺服主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到 1个脉冲，就会旋转 1个脉冲对应的角度，从而实现位移。因为，电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到 0.001mm。

5.RFID 货架识别模块

RFID（Radio Frequency Identification） 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，射频识别系统的组成 RFID 系统主要由三部分组成：数据应用软件，管理收集而来的数据;读写器（reader），扫描及读取标签数据;标签（tag），也就是射频卡，里面含有数据;数据应用软件可以是各种数据库软件或供应链、物流系统。甚至可以将 RFID 系统融入整个企业资源计划的一部分。读写器从标签读取数据并上传给应用软件，或将有关信息写入标签的装置。电子标签是一个小容量的可存储微芯片，其中存储可以识别的电子數据。电子标签可以是只读的，也可是读/写方式，依据应用需求决定。系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

三、智能搬运机器人的软件设计

在进行微机控制系统设计时，除了硬件设计，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。本软件设计主要采用模块化设计的方法，对于一定功能，进行独立程序段设计。程序设计流程图如下图所示。

综上所述，此搬运机器人可保证抓取稳定的同时，可以拥有较高的工作效率，循迹过程总可以通过二维码扫描识别货物，总体来说满足现代物料搬运机器人的需求，系统运行稳定，成本低廉。

作者简介：侯蕊，秦皇岛职业技术学院机电工程系教师，研究方向电子电路。

河北省科技厅《大中学生科技创新能力培育》专项项目，项目名称：智能搬运机器人设计，项目编号：2021H030405.