科技创新 ２０１７年第９期ｆ科技创新与应用 智能搬运车控制系统设计 夏天 杨斌 （洛阳理工学院电气工程与自动化学院，河南洛阳４７１０００） 摘要：针对智能搬运车的控制问题，提出了采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３控制器构建控制系统的方法，应用于智能搬运车的寻迹及运动控 制。首先进行了智能搬运车的总体控制方案设计；然后设计了ＳＴＭ３２最小系统、机械手控制、舵机控制和驱动电机的速度控制算 法；、最后进行了系统整体调试。实验表明，该控制系统实现了智能搬运车的全向运动、精确定位和智能避障。 关键词：全向移动平台；智能控制；ＳＴＭ３２Ｆ１０３ １概述 １９８０年代初期，为了提升公司生产的效率，美国一家生产公司 从其他地方学习了智能搬运车的关键技术，在此技术上又做进一步 少对设计的影响。在输入电压最高为４０Ｖ的情况下，它可以调节出 最高为３７Ｖ的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率放生 器，ＬＭ２５９６的内部振荡频率为１５０ＫＨｚ，具有功耗小，效率高的特 的改进，整体提升了智能搬运车的实用性及稳定性＿ｌ】。此后，许多的 公司都进行了研究与创新，智能搬运车技术有了长足发展。比较典 型的例子包括：瑞典的一家制造企业开发了激光智能寻线车，利用 激光引导小车寻线；荷兰发明了以磁体技术导引的智能寻线车 。随 着网络技术和信息技术的高速发展，智能搬运车充分利用了网络资 源、电子技术、传感技术等一系列新技术的优势，大大提高了运动控 制、智能寻迹和精确定位的性能，使得智能搬运车的应用越来越广 泛，比如汽车、餐饮、航天、医院、工厂、农业等嘲。随着智能搬运车应 用领域越来越广泛，推进了该技术不断地完善与发展。本文提出了 采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３控制器构建控制系统的方法，采用白光传感器实 现自动寻迹，超声波传感器对移动方向的障碍进行检测，对障碍的 位置进行判断从而选择最优的路线移动；设计了ＳＴＭ３２Ｆ１０３主控 电路、超声波处理电路、电机驱动电路、舵机控制电路和机械手控制 电路，实现了搬运车全向运动、精确定位和智能避障。 ２总体方案设计 智能搬运车共有ＳＴＭ３２Ｆ１０３微控处理器、电机驱动、机械手、 寻迹模块、避障模块、电源模块和稳压模块等七个部分组成。智能搬 运车控制系统以微控制器为核心，接收外围传感器的信号，经过相 关算法的分析、判断，输出控制信号到电机驱动模块，实现智能搬运 车的运动控制；输出控制信号到机械手控制模块，实现抓取物体和 放下的操作。在运动控制中，一方面要实现智能车的精确定位，另一 方面要实现智能避障控制。在抓取与放下控制中，要实现精确定位 和机械手的柔性控制。 ２．１搬运车寻线方案 智能搬运车有多种寻线方式，比如红外传感器寻迹、白光传感 器寻迹、电磁感应寻迹和激光导引等，电磁感应需要庞大的运行轨 道，激光导引需要大量的计算和严格位置要求，根据用户需要，本设 计选择白光传感器寻线 。 该传感器把发射装置和接收装置作为一体，这样减少了安装时 不必要的误差。接收装置检测被反射回来的光强的大小，传感器上 面的转换芯片把模拟量转换为数字量上传到主控芯片。提前预设好 的轨道为白线轨道，把白光传感器安装在智能搬运车的前端，从左 到右分别标记为１—１５号传感器。若７号传感器感应到白线，智能搬 运车将会跟着白线直走；若卜６号传感器感应到白线，说明智能搬 运车发生偏离并且是左边车轮靠近白线。此时控制器会接收到白光 传感器微控芯片传来的八位二进制信号，将会立即调整左右电机的 速度使其产生速度偏差，让右电机速度大于左电机速度，从而使智 能搬运车发生左转弯，实现智能搬运车对其行驶方向的矫正。同理， 若此时８—１５号传感器感应到白线，智能搬运车放生偏离并且车身 发生右偏，控制器会调整左右电机速度，让左电机的速度高于右电 机的转速，从而使智能搬运车发生右转弯。 ２．２机械手控制方案 本设计的智能搬运车车身采用四轮模型车，车身重量比较轻， 为了整个设计安全性，采用简单的机械手设计。就是通过ＳＴＭＦ１０３ 微控制器产生ＰＷＭ方波，通过控制舵机的转动，让机械手可以抓取 货物和放下物体。整个机械手使用两个舵机，两个舵机相互配合完 成操作，一个舵机控制角度的转向，另一个舵机控制物品的抓取与 放下。 ２．３电源方案 在智能搬运车的控制中，需要较大的输出电流和电压，选用四 块基于ＬＭ２５９６来提供稳定的电压。该稳压模块能够输出３Ａ的驱 动电流，而且该模块对电源的高频率的干扰具有抗干扰的能力，减 性。相对于低频开关，它的滤波元件规模更小，该电压调节器添加几 个外部元件就可以使用，通常该模块只需要四个外接元件，它可以 使用通用的标准电感，这使开关电源电路的设计非常的简单，但是 又具有自我保护的功能。 ２．４避障方案 避障传感器采用Ｅｌ８一Ｄ８０ＮＫ，是一种红外传感器，这种红外传 感器是集接受和发射于一体，该传感器拥有较远的探测距离，可以 不受可见光干扰，而且操作起来比较方便。该红外传感器对黑色绿 色等比较敏感，对白色红色不敏感，而且在粗糙的面比光滑的面效 果更好，红外传感器的实质并不是通过检澳０颜色来判断，而是通过 检测红外对光的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测 的。 ３硬件系统设计 智能搬运车控制系统包括控制器最小系统、电机驱动电路、稳 压电路、机械手系统等。 主控芯片采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３，是ＳＴＭ３２系列单片机的一种，符合 ＡＭＲ公司Ｃｏｄｅｘ—Ｍ３内核标准。它的最高工作频率为７２ＭＨｚ，是一 款性能非常高的产品，ＳＴＭ３２微处理器的工作电压为３．３Ｖ，在工作 时能耗非常低。自带电源监控，看门狗定时器，复位电路检测，拥有 非常精确的振荡电路，该振荡电路频率为８ＭＨｚ，可以作为时钟源使 用【引。 电机驱动电路选用ＢＴＳ７９７０芯片，ＢＴＳ７９７０可结合其他的 ＢＴＳ７９７０形成全桥和三相驱动结构。每一个芯片有７个引脚，ＩＮ是 一个输入引脚，它决定着高低电位的开启，当设置为低电平的时候， ＩＮＨ会控制进入休眠状态。ｓＲ引脚为速率转化，其速率的调节为ｓＲ 和地线之间的电阻Ｒ５控制。ＯＵＴ１、ＯＵＴ２两个输出接口连接左电机 的两个控制端。同理，ＯＵＴ３、ＯＵＴ４接右电机的两个控制端。Ｖｓ可接 逻辑电平信号，这里直接连接１２Ｖ逻辑电压。 电源通过ＬＭ２５９６芯片实现ＤＣ—ＤＣ变换，经过一系列变换，整 合电流，过滤掉杂波以后生成直流电。它可以自己进行调节电压，并 且能够达到稳定电压的效果。ＬＭ２５９６稳压最高可以输入４０Ｖ电压， 选择接入一个１２Ｖ的输入电压，开关电源经过降电压，滤波以后输 出一个电压为５Ｖ的稳定电压。 机械手的动作靠舵机控制，ＳＴＭ３２的定时器输出两路ＰＷＭ波 控制相对应的舵机来工作，每一路ＰＷＭ控制一个舵机。每一个 ＰＷＭ波的周期是二十毫秒，通过在占空比百分之五到百分之十之 间调节来控制舵机的转向。上电以后，舵机输出一个０．５ｍｓ一２．５ｍｓ的 高电平脉冲，舵机也会转动相对应的角度，舵机的转动角度为０度 到１８０度，ＬＤ一２０１５在断电的时候可以手动转动３６０度。两个舵机 组成的机械手结构，通过调节每一个关节处舵机转动的角度即可实 现机械手在两维度间的动作，同时实现一定限度的机械手的升降。 ４软件系统设计 编程软件选择Ｋｅｉｌ ｕＶｉｓｉｏｎ４，对ＳＴＭ３２Ｆ１０３芯片进行Ｃ语言 程序编写，采用的是ＳＴＭ３２Ｆ１０３标准的库函数编写。包括主程序、 巡线子程序、ＰＷＭ产生子程序、避障子程序等Ｏ 程序初始化以后，智能搬运车首先通过ＳＴＭ３２微控制器控制 机械手搬运物品，然后智能搬运车会利用寻线模块进行寻线。寻线 传感器会根据白线所在位置进行位置的调整，最终经过不断地位置 调整，智能搬运车可以寻着白线向正确方向前进。当到达位置时，机 械手放下物体，即为完成工作。 寻线程序是设计的重点，当白光传感器检测白线并发送信号， 判断智能搬运车是否发生跑偏现象。如果没有检测到偏离白线，智 一７３— 科技创新与应用ｌ ２０１７年第９期 科技创新 基于正交试验的汽车手套箱盖成型工艺参数优化 刘小星 （武汉理工大学，湖北武汉４３００７０） 摘要：文章以某汽车仪表板手套箱盖为研究对象，利用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件结合正交试验方法研究了不同成型工艺参数对手套箱翘 曲变形量的影响规律 研究结果表明，各参数对翘曲缺陷的影响程度的重要性依次为：保压时间＞熔体温度＞模具温度＞注射时 间；利用正交试验方法对汽车仪表板手套箱盖注塑成型工艺参数进行优化，研究表明汽车手套箱盖的注塑质量得到较大提高，翘 曲变形量减小１８．５６％。研究结果为汽车手套箱盖的注塑工艺参数提供了参考依据。 关键词：注塑成型；汽车手套箱；参数优化；翘曲变形量 由图Ｉ可知，在所有的影响因素中，对翘曲量影响最大的是保 塑料凭借便于成型且质轻、强度高等优点而被广泛使用。传统 压时问，其次是熔体温度、注射时间和模具表面温度。根据模拟实验 的注塑丁艺参数设置采用尝试法，极为依赖工程师的设计经验。运 结果选取的最优工艺参数组合为：熔体温度２３０￣Ｃ，注射时间１．８ｓ， 用仿真分析．对仿真计算结果进行分析，可获得最优的工艺参数组 保压时间１２ｓ，模具温度４Ｏ℃。 ３ ＣＡＥ验证 合。本文以某车型仪表板手套箱盖为研究对象，利用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件 结合正交试验方法探究最佳－Ｉ＝艺参数。 利用Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件对选取的工艺参数进行ＣＡＥ分析验证，得 ２正交试验的设计及结果分析 到如图２所示的翘曲量云图。由图２可得，手套箱盖的最大翘曲量 选择某车型手套箱盖模型，其尺寸为３６９．０ｍｍｘ２７２．７ｍｍＸ 为２．９４３ｍｍ，相比于优化前的翘曲量减小了０．７７９ｍｍ，减小比例达 １４ｍｍ，主体壁厚为２．０ｒａｍ，采用注塑成型工艺。为减少模拟试验次 ２０．９％ 数，采用正交试验设计方法，对手套箱模型进行模拟分析。 变彤，所有因素：变形 根据实际经验，选取影响注塑成型的４个因素，每个因素安３ 比饲园子：１．００Ｏ 个水平。具体因素和水平如表１所示。 表１工艺参数及水平变化值 控制 子 变暑名称 单位 １ ｌ概述 水平 ２ ３ Ａ Ｂ Ｃ 熔体温度 ℃ 注射时间 保压时间 Ｓ Ｓ １９４ ２０４ ２１４ ｌ＿８ ２．０ ２．２ ８ １Ｏ ｌ２ ０８ ５３ Ｄ 模具温度 ℃ ３０ ４０ ５０ 根据表ｌ的变量和水平，利用Ｍｉｎｉｔａｂ软件设计一个包含９个 样本的正交试验表Ｌ９（１ ｌ，），根据正交表所规定的试方案，利用 Ｍｏｌｄｆｌｏｗ软件对手套箱盖的注塑成型过程进行仿真模拟分析，提取 出各Ｔ艺参数下的翘曲量数据结果。通过分析田口设计得到各变量 对翘曲量的主效应图，如图１所示。 【５００ｍｍｌ 匝 ３８ ９０ 图２优化参数下制品的翘曲量 ’ 羽蔼凄… 蔓阿河— ’…一 … …’…’一 ●如 ４Ｓｌ 趔 ４结束语 （１）基于正交试验得到注塑成型工艺参数对翘曲影响程度的重 要性依次为：保压时间＞熔体温度＞模具温度＞注射时间，为注塑工艺 的设计提供了参考依据。 （２）利用正交试验方法对汽车仪表板手套箱盖注塑成型工艺参 数进行优化，汽车手套箱盖的注塑质量得到较大提高，翘曲变形量 Ｉ ３一－ —９２ ２ ８ ９ 减小２０．９％。 参考文献 ， ３５● ［１】周华明．注塑成型工艺参数自动设置与优化技术［Ｊ】．精密成形工 如 …．一 … １ ２ ３ １ ２ ３ １ ２ ３ １ ２ ３ 程．２０１６：７—１３． 【２】卫炜，胡泽豪．正交试验设计的注塑成型工艺参数多目标优化设 计 ．现代制造工程，２００９（２）：９４—９７，１３３． 图ｌ各参数对翘曲量的主效应图 能搬运车会｝｝｝着预设好的轨迹直行。如果小车发生向左偏离，小车 会自动向 转，并且不断地判断小车是否还偏离，直到小车不发生 偏离；同理，若果小车发生右偏移的，它也能够向左转调整方向．直 到小车可以沿着轨迹直走为止。 通过改变ＰＷＭ波的脉冲宽度，来改变舵机的转轴角度，ＳＴＭ３２ 微控制器通过数字输出对模拟电路来进行调节，通过调节脉冲的宽 度来达到整体的控制。ＳＴＭ３２Ｆ１０３一共有八个定时器，而一般通用 的定时器如ＴＩＭ２，３，４，５都可以产生四路的ＰＷＭ，但是ＴＩＭ６和 ＴＩＭ７不能产生ＰＷＭ方波。 ５结束语 值。 参考文献 【１］梁侨，赵宏才，赵晓杰，等．自动避障避险小车的研究［Ｊ】．辽宁科技 学院学报，２０ｌ５，０２：４—６． ［２】王秀星．电子商务环境下智能仓储系统的应用［Ｊ］．信息技术与信息 化，２０１５，０４：７３—７４． 【３】黄丽莉，张智勇．物联网技术在物流仓储管理体系中的应用【Ｊ】．中 国集体经济，２０１２，３ｌ：６７—６９． 【４】高云华．基于ＡＴ８９Ｓ５２的多功能智能小车设计【Ｊ】．山西电子技术， ２０１２，０５：２６—２７． 本文没训‘的控制系统实现了智能搬运车的自动寻迹、自动避 ［５】张锴，李世光，朱晓莉，等．基于ＳＴＭ３２的智能巡线小车【Ｊ】．电子测 障、物体精确的抓取和放置等功能，制作出了智能车模型，通过实验 量技术，２０１２，０２：１０５—１Ｏ７．和测试．结果表明达到了预期的设计目标，具有很好的推广应用价 —．７４——
