智能循迹装卸模拟系统设计挑战杯.docx
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智能循迹装卸模拟系统设计挑战杯
第七届“挑战杯”·科大科技山东科技大学
科技竞赛参赛论文
科技发明制作类
智能循迹装卸模拟系统设计
二○一二年十二月制
智能循迹装卸模拟系统设计
摘要：
随着计算机技术、控制技术、信息技术的快速发展，智能化已经成为时代发展的趋势。
在柔性自动化生产线、智能仓储管理及物流配送等领域，已经实现了部分流程智能化，但并未实现无人化管理的理想环境，仍需投入大量的人力。
本项目组以节省劳动力，提高工作效率为目的，就仓库货物搬运这一实际背景，经过分析实践设计出了装、运、卸三位一体化的智能循迹装卸模拟系统。
该系统运作流程分为两大部分：
装载部分和运输卸载部分。
装载部分主要由装货台完成，运输和卸载部分由一辆智能小车独立完成。
其中装货台具有感应小车到达并自动给智能小车装货的功能；智能小车除具有自动循迹运输的基本功能外，还具有感应外界温度、压力检测、判断货物是否装入、自动卸载货物的功能。
本文设计的模拟系统还具有应用面广的特点，对于车站、码头、仓库、矿井等生产场所的货物搬运无人化管理具有前瞻性和指导意义。
关键词：
无人化管理、装卸、模拟系统、智能小车
Abstract：
Alongwiththecomputertechnology,controltechnology,therapiddevelopmentofinformationtechnology,intelligenthasbecomethetrendofthedevelopmentofTheTimes.Inthesoftautomationproductionlines,intelligentwarehousemanagementandlogisticsanddistribution,andotherfields,hasbeenrealizedpartprocessintelligent,butdidnotrealizeunmannedmanagementidealenvironment,stillneedtoinvestalotofhuman.
Theprojectteamtosavelabor,improveworkefficiencyforthepurpose,warehousefreighthandlingtheactualbackground,throughtheanalysisofpracticaldesignoutoftheloading,transportation,dischargetrinitychangeintelligenttracehandlingsimulationsystem.Thesystemoperationprocessisdividedintotwoparts:
loadingpartandtransportationunloadingpart.Loadingpartmainlybyloadingplatformcomplete,transportandunloadingbyonepartoftheintelligentcarindependently.
Theloadingplatformwithinductionandautomaticcararrivedtotheintelligentcarloadingfunction;Smartcarwithautomatictrackingtransportinadditiontothebasicfunctionofoutside,stillhaveinductionoutsidetemperature,pressuretesting,judgewhethertheload,automaticunloadingcargofunction.
Thepaperpresentsthedesignofthesimulationsystemalsohasthecharacteristicsofthewidelyusedforstation,port,warehouse,mineandotherproductionplacefreighthandlingunmannedmanagementhasforesightandguidingsignificance.
Keywords:
unmannedmanagement,loadingandunloading,andsimulationsystem,intelligentcar
第1章绪论
1.1研究背景及意义
目前，仓库
目前目前人工货物管理已经不能完全满足市场的需求。
世界上许多国家都在积极进行智能车辆在自动化方向的研究和开发设计。
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。
当时斯坦福研究院的NilsNilssen和charlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制，其主要方向涉及导航能力，其中包括地图创建、定位、避障和路径规划，同时也紧密结合着多传感器信息融合，分布式控制结构，多机器人协作等多个方向，这些方面研究工作的深入共同推动着移动机器人学科的发展。
其中循迹机器人是移动机器人的一个重要发展方向，目前还处于实验阶段，比较多的循迹机器人主要是基于颜色传感器或红外传感器设计开发的，基于颜色传感器的机器人识别精度高，但易受环境光线影响，识别速度慢，运行不稳定；而基于红外传感器的机器人抗干扰能力强，识别速度快。
将循迹机器人运用于物料运输和装卸时，通常被分为三个独立的部分进行，并未实现装卸运输一体自动化。
本项目组就这一问题，在运输及卸载部分的智能小车上加入通讯和卸载模块，配合装载部分的装货台，使得装卸和运输构成一个全自动化无人管理系统。
这样便节省了中间劳动力，同样也提高了工作效率，实现了智能化控制。
1.2本文的研究内容及章节安排
本项目组研究内容包括以下方面：
1、绘制流程框图
2、确定各部分所需的功能模块
3、根据各模块选择硬件
4、针对各部分需实现的功能进行软件编程
5、根据设计目的整合组装
6、进行试验并不断改进
本文主要章节安排如下：
第二章介绍智能循迹装卸系统的总体设计，第三章介绍装载部分的硬件结构及软件编程，第四章介绍运输及卸载部分的硬件结构及软件编程，第五章简单介绍轨道设计，第六章介绍成品实验过程，第七章成果展示。
第2章总体设计
2.1系统流程框图
本系统运作流程主要分为两个部分：
装货、循迹运输和卸货，具体流程见图1。
图1系统流程框图
智能小车在装载区通过蓝牙与装载区通讯使之装货，装货完毕后循迹运输到卸载区卸货。
其中装、卸货是否完毕和循迹运输均由红外传感器检测。
2.2各部分主要模块及作用
1、装载部分
装载部分主要由装货台完成，它由主控模块、舵机拖动模块、通讯模块组成。
其作用如下：
主控模块：
接收通讯模块传来的信息，控制舵机对货物的拖动。
舵机拖动模块：
通过舵机转动的一定角度将货物运送到小车上。
通讯模块：
接收小车传来的信息并传递给主控模块。
2、运输和卸载部分
运输和卸载部分由智能小车独立完成。
智能小车主要由主控模块、循迹模块、通讯模块、卸载模块、舵机转向模块、电机驱动模块、压力检测模块、温度感应模块组成。
其作用如下：
主控模块：
接收循迹模块传来的信息，控制舵机转向模块、通讯模块、电机驱动模块和卸载模块工作。
循迹模块：
检测运输轨道走向，反馈给主控模块从而控制舵机转向模块和电机驱动模块的工作。
通讯模块：
到达装载区时，与装载区通讯，使其工作。
卸载模块：
控制小车将货物卸下。
舵机转向模块：
控制小车转向。
电机驱动模块：
控制小车前进、停止。
压力检测模块：
检测货物是否超重，若超重则报警。
温度感应模块：
显示外界环境温度。
第3章装载部分设计
3.1装载部分硬件结构
装载部分的装货台主要是由纸质的盒子组成基本框架，其正中间为三角形轨道。
在三角形轨道的上升坡道上放置一立体三角形挡板，其两端用绳子绑定，用于拉动货物前进。
在下降坡道的末端接有一个水平的轨道，并在其尽头接有一个垂直的轨道。
MG995舵机和单片机安装在轨道两侧，其结构如图2所示。
图2装载部分硬件结构实物图
3.1.1主控模块
主控模块以STC89C52RC单片机为核心，其引脚示意图如图3：
图3STC89C52RC引脚图
STC89C52RC单片机的部分特性如下：
1、超低功耗：
在正常工作模式下，典型功耗为4mA—7mA；
2、宽温度范围：
-40℃—85℃
3、高抗静电（ESD保护）
4、在系统可编程，无需编程器，无需仿真器
3.1.2通讯模块
本模块采用蓝牙通讯，当小车停在装载区时接受小车发出的装货信息，从而给小车装货。
蓝牙模块的从机实物图如图4所示，模块连接如图5所示。
图4蓝牙通讯模块正面
图5蓝牙模块与单片机的连接方式
产品特性如下：
1、核心模块使用HC-06从模块，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,预留LED状态输出脚，单片机可通过该脚状态判断蓝牙是否已经连接，KEY引脚对从机无效；
2、LED指示蓝牙连接状态，闪烁表示没有蓝牙连接，常亮表示蓝牙已连接并打开了端口；
3、底板设置LDO，输入电压3.6~6V，未配对时电流约30mA，配对后约10mA；
4、接口电平3.3V，可以直接连接各种单片机，5V单片机也可直接连接，无需MAX232也不能经过MAX232；
5、空旷地有效距离10米；
6、配对以后当全双工串口使用，无需了解蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，不支持其他格式；
7、在未建立蓝牙连接时支持通过AT指令设置波特率、名称、配对密码，设置的参数掉电保存。
蓝牙连接以后自动切换到透传模式；
8、体积小巧，且有一定的防静电能力；
9、从机能与各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、大部分带蓝牙的手机、PDA、PSP等智能终端配对，从机之间不能配对。
3.1.3舵机拖动模块
本模块选用的是TowerProMG995舵机（如图6所示），它具有高扭矩，可以把较重的物体拖动。
图6TowerProMG995舵机
在此模块中通过STC89C52RC单片机控制舵机转动一定角度，拉动货物前进一段距离，使得一个货物进入小车的装货区。
3.2装载部分软件设计
主程序流程图：
图7装部分主程序流程图
部分源程序见附录1
第4章运输及卸载部分设计
运输及卸载部分由智能小车独立完成，其车体是整个设计中的核心，它是这个系统运作的主要执行者。
它表现了整个智能系统的执行效率。
4.1主要硬件设计
图8主要硬件模块
4.1.1主控模块
智能小车的主控模块是控制小车循迹运输和卸货的核心模块，它采用STC12C5A32S2单片机为核心控制系统，指令代码完全兼容8051，但比通用的8051单片机运行速度快8-12倍，并且有2路PWM输出引脚，可以充分满足设计需求。
STC12C5A32S2单片机引脚示意图如下：
图9STC12C5A32S2单片机引脚示意图
STC12C5A32S2单片机的部分特性如下：
1、1个时钟周期；
2、电压为：
5.5V—3.3V；工作频率为：
0—35MHz；
3、32K容量的ROM、1280K容量的RAM、28K容量的E2PROM；
4、I/O口32个，可扩展至36个，复位后P0口为准双向，其余为双向口，所有I/O口均可设置成四种模式；
5、P/IAP模式，通过串口（P3.0/P3.1）即可下载用户程序；
6、集成MAX810复位电路；
7、16位定时器：
两个兼容于传统8051定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通信的波特率发生器，还有2路PCA模块实现2个16位定时器；
8、外部中断I/O口7路；
9、A/D转换，8路10位精度ADC，转换速率为250K/S；
10、工作温度范围为：
0—75℃
一个基本的单片机模块，需要单片机，时钟电路以及复位电路。
本系统采用了12MHz的晶振，辅以两个33pF的电容为单片机提供时钟信号。
复位电路的作用是向单片机的REST复位引脚输入一个持续时间上大于2个机器周期的高电平，即可完成对单片机的复位操作。
主控模块的电路图如图10所示。
图10主控模块电路图
图11主控模块实物图
4.1.2循迹模块
智能小车的循迹模块主要由红外传感器构成。
车前排的红外传感器通过检测跑道上的黑线反馈给主控模块，从而控制小车的运动方向。
本设计的红外传感器选用CTRT5000，该传感器具有高灵敏度，性能稳定的特点。
探测距离10mm左右。
工作电压5V，黑线输出低电平，白线输出高电平。
该红外传感器如图12。
图12CTRT5000传感器
图13循迹模块实物图
4.1.3通讯模块
通讯模块采用蓝牙通讯，当小车停在装载区时与装载区的蓝牙模块通信，使装载区给小车装货。
蓝牙模块的主机实物图和模块连接方式同从机一样。
产品特性如下：
1、核心模块使用HC-06主模块，引出接口包括VCC,GND,TXD,RXD,STATELED状态输出脚，单片机可通过STATE脚状态判断蓝牙是否已经连接，模块上设置重搜索按键，同时引到KEY脚供外部单片机使用；
2、LED指示蓝牙连接状态，快闪表示未配对，慢闪表示已配对过但目前未与从机连接上，常亮表示已经跟从机连接上；
3、底板设置LDO，输入电压3.6~6V，未配对时电流约30mA，配对后约10mA；
4、接口电平3.3V，可以直接连接各种单片机，5V单片机也可直接连接，无需MAX232也不能经过MAX232；
5、空旷地有效距离10米；
6、配对以后当全双工串口使用，无需了解任何蓝牙协议，但仅支持8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的通信格式，这也是最常用的通信格式，不支持其他格式；
7、在未建立蓝牙连接时支持通过AT指令设置波特率、配对密码，设置的参数掉电保存。
蓝牙连接以后自动切换到透传模式；
8、体积小巧，且有一定的防静电能力；
9、该链接为主机，只能与HC06从机配对，主机之间也不能配对。
4.1.4舵机转向模块
舵机转向模块主要由FutabaS3010舵机（如图14所示）控制，它具有高灵敏度，对于复杂的轨道小车可以快速反应。
图14FutabaS3010舵机
标准舵机有3条导线，分别是：
电源线、地线、控制线，如图15所示。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线所需的能源，电压通常取5V，控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号周期为20ms。
当方波脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。
本设计利用单片机定时器中断实现PWM。
图15标准舵机
4.1.5卸载模块
卸载模块主要由装载货物盒子中和车两侧的CTRT5000红外传感器和TowerProMG995舵机控制。
当车侧的红外传感器检测到黑线反馈给主控模块后，小车便停止运动，同时主控模块控制舵机转动，使货物倒出，经过几秒后由盒内的传感器检测货物是否卸完，若卸完则反馈给主控模块使小车前进。
其工作原理同舵机转向模块的舵机相同，控制舵机转向的PWM信号也由单片机产生。
虽然STC12C5A32S2单片机有2路PWM波，但是一路频率在1000HZ左右，所以采用一路PWM波分时复用，当小车停止时，将控制小车转向舵机的PWM波用于卸载模块的舵机转向。
4.1.6电机驱动模块
电机驱动模块的主要芯片是BTS7960B（如图16），其作用为驱动电机工作。
电机驱动模块的电路如图17所示。
图16BTS7960B芯片
图17电机驱动电路
电机驱动模块标号说明：
ER1，ER2：
芯片工作错误指示，平时可以不用；
EN[DIS]：
隔离芯片使能，模块正常工作；
PWM1，PWM2：
输入信号，100%占空比输出为0；0%输出为最大；PWM频率推荐5KHz~20KHz，芯片不发热；
OUT1,2：
分别接电机正负极；
BAT+：
接电池正极；
BAT—：
接电池负极；
5V：
所需外供电5V，跟单片机公用5V和地即可。
图18电机驱动模块实物图
4.2主要软件设计
主程序流程图：
图19运输及卸载部分主程序设计流程图
舵机转向程序流程图：
图20舵机转向程序流程图
主要源程序见附录2
第5章轨道设计
本设计为实验方便，采用椭圆形黑白运输场地，其特征如下：
1、运输场地平面俯视图如图21所示。
2、运输场地为不小于400厘米×500厘米的矩形区域，表面由白色KT板（由PS颗粒经发泡生成板芯，表面覆膜压合而成的材料，广泛应用于广告展示、建筑装饰和文化艺术方面）覆盖，周围无挡板。
3、运输场地中央由黑色防滑胶带（胶带宽度为1.7厘米）粘贴成椭圆轨道，椭圆轨道的尺寸见图21。
4、椭圆轨道的直线区域上均贴有一条垂直线，分别为装载区和卸载区的标志线（线长10厘米）。
图21运输场地平面俯视图
第6章成品实验
制作完成后，本项目组对各个部分进行了实验，针对实验中出现的问题，分别进行了软硬件的调试。
图22智能小车实物图
图23装货台实物图
第7章成果展示
图26智能循迹系统简略展示
以下将从先进性、经济性两个方面简要介绍本项目的优势：
7.1先进性
1、本系统在硬件上选用STC12C5A32S2单片机，指令代码完全兼容8051，但比通用的8051单片机运行速度快8-12倍。
控制小车转向的FutabaS3010舵机具有高灵敏度，对于复杂的轨道小车可以快速反应，控制装卸货物的TowerProMG995舵机具有高扭矩，可以把较重的物体拖动。
2、目前大部分智能小车用于循迹避障或竞速等方面，本作品在循迹竞速的基础上将其扩展为自动检测装卸货物的运输工具，将其速度用于提高运输效率。
其智能装卸货功能实现了整个过程的全自动化，节省了劳动力。
7.2经济性
目前工业自动化已是大势所趋，但装货、运输和卸货通常被划分为三个独立部分，需要人为的判断何时装货、何时运输、何时卸货，本设计的装卸运输自动化不仅提高了工业运转的效率，更节约了劳动成本，使更多的资金可用于产品开发和生产。
结束语
本作品基于STC89C52RC和STC12C5A32S2单片机而设计的智能循迹装卸系统，从设想到总体理论构思，再到具体的软硬件的设计，电路原理图绘制，元件采购，智能小车整机的焊装和装载区的组装，轨道设计，系统的调试，最终实现了系统装卸运输的基本功能，即在传感器的感应和舵机的驱动下，实现了装载区自动装货，小车自动运货及卸货的功能，实现了无人管理的智能化。
从这个设计中，我们看到了单片机如何在实际生活中的应用。
它的发展是人类科技的进步，科技改变生活。
从设计中，我们还可以发现单片机在控制系统中的，特别是舵机控制中的开发潜力。
只要改变控制器中的程序，可以控制不同的设备，体现了集成芯片的共享性，可节约大量的硬件资源。
当然，该系统还存在不完善之处，它只是实现了一些基本功能，其开发潜力还很大，比如针对不同的货物，装货和卸货模块仍需改动。
这有待以后的继续开发。
我们在设计制作中遇到了许多相当复杂的问题，每个问题都有可能导致整个项目的失败，这不仅是我们努力的结果，更是由于得到了方方面面的帮助和支持的缘故，在此我要感谢所有关心、支持本项目的老师以及同学们。
参考文献
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附录1
装在部分源程序：
sbitTC0=P0^1;//舵机PWM输出位
sbitSHIN=P1^7;//舵机工作使能位
/****************延时程序**************/
voiddelay1ms（uintm）
{
uinta;
while（m--）
{
for（a=0;a<164;a++）//1ms延时程序
{
;
}
}
}
/**************舵机运动模块************/
voidyundong（）
{
if（n==90）
{
n=n+35;
gotoaa;
}
if（n==125）
{
n=n+30;
gotoaa;
}
if（n==155）
{
n=n+20;
gotoaa;
}
if（n==175）
{
n=n+35;
gotoaa;
}
if（n==210）
{
beg=0;
}
aa:
;
}
/************中断程序********************/
voidtimer0（）interrupt1//产生20ms的PWM波
{
TH0=0xff;
TL0=0xfa;
i++;
if（i==n）
{
TC0=0;
}
if（i==200）
{
j++;
if（j==10）
{
TC0=1;
i=0;
j=0;
}
}
}
附录2
运输及卸载部分源程序：
/***********舵机模块***********/
intduoji（）
{
if（D4==0）
{
k=129;
gotomm;
}
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