智能搬运小车.docx

智能搬运小车.docx

《智能搬运小车.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能搬运小车.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能搬运小车

智能搬运小车

本科生毕业设计（论文）

智能搬运小车

TheSubjectofGraduationProject

学生姓名

专业

光信息科学与技术

学号

指导教师

分院

光电科学

2014年6月

摘要

本设计采用STC12C5A60S2单片机为简易智能小车的核心器件。

循迹模块由4对红外收发管组成，通过反射红外线的变化判断黑线的有无以达到循迹的功能，电机驱动模块选用H桥驱动芯片L298N结合单片机来控制电机工作。

避障模块由两对红外发光管组成。

搬运模块通过TCS230识别不同颜色来分辨抓取和释放，从而达到搬运的目的。

整个系统的电路结构简单，可靠性能高，能满足设计的要求。

与传统搬运车相比，该车不耗费人力，不会造成人员的浪费且工作效率较高。

智能机器准确性较高，可以减少失误的发生，在未来工厂车间中，可以用智能搬运车来代替传统搬运车。

本文详细的阐述了整个智能搬运小车设计和制作以及最后测试的过程。

以最简洁最最有效的方法制作出了一个具有简单功能的小车。

关键词：

智能循迹小车STC12C5A60S2红外收发管电机驱动TCS230

ABSTRACT

ThedesignadoptsSTC12C5A60S2microcontrollerasthecoredeviceofsimplesmartcar.ThetrackingmoduleiscomposedofapluralityofPhotoelectrictube,byreflectinginfraredchangesinjudgmentsofblackhavetoachievethetrackingfunction,motordrivemoduleselectionofcommonlyusedHbridgedriverL298Nwithsingle-chipmicrocomputertocontrolthemotorworking.Obstacleavoidancemoduleconsistsoftwopairsofinfraredlightemittingtube.HandlingmoduleTCS230identifythedifferentcolorstodistinguishgrabandrelease,soastoachievethepurposeofhandling.Theelectriccircuitconstructionofwholesystemissimple,reliableperformance.Itcanmeetavarietyofdesignrequirements.Comparedwithconventionaltruck,thecarisnotlaborintensive,nowasteandhigherstaffefficiency.Intelligentmachinehighaccuracy,canreducetheincidenceoferrorsinthefutureonthefactoryfloor,youcanusesmarttrucktoreplacethetraditionaltruck.Thispaperdescribesindetailthedesignandproductionofintelligenthandlingcarandthefinaltestoftheentireprocess.Inthemostsimpleandeffectivewaytomakethemostoutofthecarwithasimplefunction.

Keywords:

IntelligentTrackingCarSTC12C5A60S2InfraredReceivingTubeMotorDriveTCS230

绪论

随着生产自动化的发展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。

智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

本课题所设计的智能小车，既具有操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化生产设备。

随着工业自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。

由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。

智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。

在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的玩具，而且成本低廉，能够运用实际生产并且有一定的新颖度，有一定的社会需求。

在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己在以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。

第一章

1.1研究目的及意义

通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。

在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测障碍、寻线和电机驱动等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹以及避障。

在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。

从对红外线、电机驱动和光电开关在智能小车上的应用，可以进一步研发，将红外线技术应用到现实中的车辆上，比如红外线倒车警报系统、红外车辆防盗系统等等很多方面都可以利用。

1.2国内外发展情况

十九世纪末，随着内燃机的诞生，人们发明了最现代化的交通工具——汽车。

经过一个多世纪的发展，汽车技术、性能有了很大的提高，人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。

在享受汽车交通上带来便利的同时，人们也发现运货是各个行业不可或缺的过程，人工运货随着经济的快速发展，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。

从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。

智能搬运小车可以安装不同的末端以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，可以广泛应用于机床上下料，冲压机自动化生产线，自动装配流水线，码垛搬运，集装箱等的自动搬运，大大减轻了人类繁重的体力劳动，具有广阔的市场前景。

最早的成型的搬运车始于1917年，即第一次世界大战快要结束的时候。

世界大战结束后，世界经济迎来一阵复苏和发展的阶段，同时，手动液压搬运车的技术得到快速的发展。

当时的物流主要是用于军事行动，提供供给之类，他的作用可见一斑。

在第二次世界大战中，搬运车以比较成熟的形象亮相，得到了快速的发展和普遍的应用。

我国搬运车发展历史较晚。

在上世纪50年代，那是的企业搬运活动还是主要使用落后的人工搬运，费时费力，效率低下。

随着战后经济的复苏，科技文化的发展，企业逐渐将高效率作为生产的主题之一。

于是乎，政府和企业都认识到了物流对发展的重要性，高效搬运被单独提了出来，搬运物流业从人工搬运转向了机械化搬运。

近30年来我国经济发展较快，对搬运车提出了更高的要求，特别是自从电子商务物流的快速发展，让第三方物流行业已经第四方物流行业得到了快速的发展，对搬运车设备提出了更高的要求，在过去的几年中，我国搬运车需求均呈现两位数增长，发展势头良好。

国家已经将物流产业加入十大振兴产业规划当中，足见物流在提高社会效益方面的巨大作用。

搬运车作用作为物流搬运中的主力军，其作业不容忽视。

物流，实物空间的移动活动，垂直移动称为堆高（堆垛）物流，平行移动称为搬运物流，这两个物流活动是物流活动中最常见的物流，还有装卸物流，这些物流过程均离不开搬运车的参与。

搬运车的价值正日益凸显，搬运车主要功能是完成搬运物流活动。

搬运车发展历史，经历3代发展，搬运车发展正在向第四代发展。

第一代搬运车为手动搬运车，简称CBY,其特点是自动化、智能化程度不高，但它为人工搬运向机械化搬运转化做出了巨大的贡献，时至今日，它在搬运车市场仍然具备一定的市场份额；第二代搬运车是以内燃叉车为代表的内燃搬运车，简称FT，具备较高的自动化，内燃叉车以发动机为动力，动力强劲，缺点是有废气排放污染环境，效能较低，有害人类健康，不适合食品行业使用；第三代搬运车是以电动叉车为代表的全电动搬运车，简称CBD,其自动化程度和内燃叉车相当，但它是节能环保理念推动的动力技术更新，使用的是电池动力，电动搬运车具备节能、无废气排放、噪音小等优点，是食品行业的最佳选择，由于其节能的突出优点，被搬运车行业认为是未来最有潜力的叉车之一，但目前遇到了发展瓶颈，由于其受电瓶容量的限制，功率小，作业时间短。

第四代搬运车发展是以自动无人搬运车为代表的，简称AGVS,AGVS预计在本世纪50年代将得到大范围的应用，是当今柔性制造系统（ＦＭＳ）和自动化仓储系统中物流运输的有效手段，现代的AGV是由计算机控制，多数的ＡＧＶＳ配有系统集中控制与管理计算机，用于对ＡＧＶ的作业过程进行优化，发出搬运指令，跟踪传送中的构件以及控制ＡＧＶ的路线，无人搬运车的引导方式主要有电磁感应引导、激光引导和磁铁陀螺引导等方式，可以给无人搬运车编程序输入引导搬运车完成搬运工作，是一种智能化比较高的搬运车。

伴随我国企业和政府对物流的进一步重视，以及经济全球化进程的进一步加快，我国搬运车发展前景非常的好，未来将在一段时间内呈现2到3位数的增长速度成长。

搬运车经历3代发展，搬运车发展正在向第四代发展。

第一代搬运车为手动搬运车，简称CBY,其特点是自动化、智能化程度不高，但它为人工搬运向机械化搬运转化做出了巨大的贡献，时至今日，它在搬运车市场仍然具备一定的市场份额。

第二代搬运车是以内燃叉车为代表的内燃搬运车，简称FT，具备较高的自动化，内燃叉车以发动机为动力，动力强劲，缺点是有废气排放污染环境，效能较低，有害人类健康，不适合食品行业使用。

第三代搬运车是以电动叉车为代表的全电动搬运车，简称CBD,其自动化程度和内燃叉车相当，但它是节能环保理念推动的动力技术更新，使用的是电池动力，电动搬运车具备节能、无废气排放、噪音小等优点，是食品行业的最佳选择，由于其节能的突出优点，被搬运车行业认为是未来最有潜力的叉车之一，但遇到了发展瓶颈，由于其受电瓶容量的限制，功率小，作业时间短。

第四代搬运车发展是以自动无人搬运车为代表的，简称AGVS, AGVS预计在本世纪50年代将得到大范围的应用，是当今柔性制造系统（FMS）和自动化仓储系统中物流运输的有效手段，现代的AGV是由计算机控制，多数的AGVS配有系统集中控制与管理计算机，用于对AGV的作业过程进行优化，发出搬运指令，跟踪传送中的构件以及控制AGV的路线，无人搬运车的引导方式主要有电磁感应引导、激光引导和磁铁陀螺引导等方式，可以给无人搬运车编程序输入引导搬运车完成搬运工作，是一种智能化比较高的搬运车。

第2章整体设计框架

2.1方案选择及论证

根据自己的设计想法，系统要实现循线、壁障功能、搬运，必须要划分成为八个模块。

对各个模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。

2.1.1控制模块选择

方案一：

采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。

方案二：

采用凌阳的16位单片机，它是16位控制器，且有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。

处理速度高。

但是当凌阳单片机作为处理器时，电路较为复杂，而且方案成本较高。

方案三：

采用STC公司的STC12C5A60S2单片机作为主控制器，STC12C5A60S2是一个低功耗、高性能、高速的51内核的CMOS8位单片机，该单片机结果简单、功耗低、接口丰富，完全能满足此次智能小车设计的要求。

最重要的是，它相对前两者成本最为低廉。

从节约成本的角度考虑，最终选择了方案三

2.1.2路面探测黑线轨迹模块

在该设计中智能小车从起跑线到终点是对路面轨迹进行探测，探测路面黑线轨迹模块的大致原理是：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱判断是否小车沿黑线行驶。

方案一：

采用可见光发光二级管与光敏二极管组成的发射-接收电路。

这种方案的缺点在于其它环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采用超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。

方案二：

采用反射式红外发射-接收器。

采用红外管代替普通可见光管，可以明显降低环境光源干扰，提高了控制精度。

基于此，拟选用方案二。

2.1.3探测路面障碍模块

方案一：

采用红外线光电开关。

由于红外线指向性强，在介质中传播远，因而红外线经常应用于距离的测量、障碍物的探测等。

红外线探测障碍物并绕过障碍物模块是利用红外线发射器向某一方向红外线，红外线在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，红外线接收器收到反射光经相应的电路进行处理，以测定障碍物的方位及距离，并向小车发送控制信号以使小车绕过障碍物。

方案二：

采用超声波穿感器，超声波传感器探测障碍是利用超声波发送模块向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，在一定距离内遇到测定的障碍物就会立即返回超声波接受模块接受，再由相关电路处理，以测定障碍物的相关方位、距离。

超声波传感器成本相对较高，

以上两种方案都是比较可行的。

尤其是红外线光电开关，应用相当广泛、但是为了本题目更加的实用和有效，超声波传感器成本相对较高，电路较为复杂，采用红外线光电开关，更加合适与有效，更加有利于发现前方障碍物。

所以本设计选择方案一。

2.1.4电机模块

方案一：

采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。

另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

方案二：

采用普通直流电机。

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。

由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。

2.1.5电机驱动模块

方案一：

使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案三：

采用由集成了双极性管组成的H桥电路芯片L298N。

用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。

综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。

2.1.6车架选择

方案一：

使用四轮驱动的电动小车，这样速度方面非常流畅，但灵活性不足，特别是遇到障碍物时，转弯非常不流畅，程序方面还要相对复杂，对于小车的躲避障碍物非常不利。

方案二：

使用两轮驱动的电动小车，虽然速度上无法与四轮的小车相提并论，不过灵活性上却是大大的提升，对于躲避障碍物方面有重要的改变，非常适合题目要求。

综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。

2.1.7搬运模块

方案一：

适用舵机控制的机械臂，虽然比较容易抓取，但很难定位物体的位置。

可上述选择的单片机在功能上显然不太够用，而且价格比较昂贵

方案二：

选择自制一个叉形结构，用带齿轮的电机拨动带有齿条的叉形结构来实现上下运动，从而实现简单的棒状结构的搬运。

2.1.8仓库识别模块

这模块经过反复思考，只想出了一种方案，在仓库出放置涂有红和绿的金属片，在行进的过程中先经过金属探测器探测确定位置立即停下来，然后通过颜色识别传感器TCS230来识别金属片颜色，取定货物需由红色金属片出转移至绿色金属片处。

从而有单片机操纵搬运模块实现运货与卸货。

2.1.9最终方案选择

经过反复论证，最终确定了如下方案：

采用STC12C5A60S2单片机作为控制器；用反射式红外发射-接收器进行黑线检测；采用红外线光电开关来探测路面障碍物；L298N作为直流电机的驱动芯片；电机模块使用普通直流电机；使用两轮的车架增加灵活性；仓库识别模块采用金属探测器和颜色传感器；搬运模块采用由直流电机带动的叉形结构。

2.2方案可行性分析

红外寻线模块，是通过红外二极管发出红外线，根据红外线在白色和黑色物质上反射回来的强弱，来判断黑线的位置。

本项目采用的是一体红外接收装置，当遇到黑色物时送给单片机一个高电平触发，进而通过事先编辑好的程序控制电机的运转。

通过分析，此模块可以准确的进行循线功能。

光电开关避障模块，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

本次设计采用红外线漫反射型光电开关，它是通过发光器发出一个光信号，当障碍物挡住光时，把部分光线反射回来，收光器就接受到光信号，输出一个开关信号。

输出的开关信号由控制器处理，判断前方是否由障碍，从而确定是否要转向。

通过分析，此模块可以用来探测障碍。

动力方面，此次设计使用了L298N电机驱动模块，L298N是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

通过分析，它能很好的驱动电机。

搬运方便，采用金属探测器和颜色识别传感器，仓库位置的识别可靠性较高，自制叉形结构在物理结构上可能会不太完美，但基本能实现搬运。

综上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地进行智能小车实物的创作。

第3章硬件设计

智能小车采用两轮驱动，左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。

将八个红外线光电传感器分别装在车体的左右，当车的左边的传感器检测到黑线的边界时，主控芯片控制左轮电机减速，车向左修正，当车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向右修正。

避障的原理和循线一样，在车头的前面装了一个红外线光电开关，当前方传感器检测到障碍物时，车子向右转，从而避开障碍物。

3.1系统总体设计框图

系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由光电开关避障模块，单片机最小系统模块，电源模块，电机驱动以及寻迹模块多部分组成，各模块即可组合联调也可单独使用。

如图3-1所示为智能小车硬件设计方框图。

3.2红外线光电开关模块

在本设计中红外光电开关模块是智能小车前向通道的主要组成部分，本设计采用E3F-DS30C4作为探测前方障碍物体的检测元件，光电开关发出信号由单片机89C51产生。

E3F-DS30C4的工作电压为5V，工作电流为10mA，驱动电流为100mA，感应距离为30cm。

结合题目指标和实际测试结果，本设计中设定感应距离为6cm。

图3-1系统功能模块图

3.2.1光电开关的工作原理

光电开关是传感器中的一种,它把发射端和接受端之间光的强弱变化为电流的变化以达到探测的目的。

光电开关是光接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无得。

所以能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱对目标物体进行探测。

工作原理如图3-2所示。

图3-2光电开关工作原理图

3.2.2光电开关的类型

红外线光电开关它利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。

根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为四种：

漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关。

漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。

图3-3为漫反射光电开关工作原理图。

图3-3漫反射式光电开关工作原理图

镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

图3-4为镜反射式光电开关工作原理图。

图3-4镜反射式开关工作原理图

对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。

当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。

当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。

图3-5为对射式光电开关工作原理图。

槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。

图3-6为槽式光电开关工作原理图。

图3-5对射式光电开关工作原理图

槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。

图3-6为槽式光电开关工作原理图。

图3-6槽式开关工作原理图

本次设计所使用的光电开关德国SICD公司所生产的E3F-DS30C4，如图3-7。

E3F-DS30C4为常开型红外线漫反射式光电开关，由于漫反射光电开关的工作方式，决定了其功用，正符合本设计检测障碍物所用。

图3-7E18-B03N1红外线漫反射式光电开关

3.2.3壁障光电管电路的设计

采用E18-B03N1光电开关，其检查距离为30cm，是常开型漫反射式红外线光电开关，它有三个引脚，把光电开关焊为上图所示，信号线和电源线分开方便连接。

如图3-8所示E18-B03N1电路连接图。

图3-8光电开关电路连接图

3.3