运输机器人的设计


小型货运机器人的设计
摘 要

随着物流行业的兴起,设备的智能化已经成为一个发展趋势,人们 的劳动强度因此得到了明显改善。 在货物的周转以及储运上,人们发展了大批的机械设备,广泛应用 于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门。 这款小型货运机器人可应用于机场行李运输,仓库货物转运。由于 体积小,载重大,又可以在比较复杂的场地中运行,对手推车等传统工 具有一定的替代能力。 小型货运机器人以 msp430 为控制核心, L298N 为核心的驱动电路, 减速电机为动力。具有自动寻迹,遥控行驶,声光报警,避障的功能。 分段太多了 两三段就行 再组织一下 关键词:msp430,遥控,寻迹机器人,驱动电路,红外开关,C 语言

The Design of Small Cargo Robot
Abstract
With the develop of the logistics industry, intelligent of equipment has become a development trend and it's been a significant improvement in labor intensity. In order to Turnover and storage goods ,people developed a large number of machinery and equipment and they are widely used in railway stations, ports, airports, factories, warehouses, and other national economic sectors. Small robots can be widely used in cargo airport baggage and storage of goods transport.For its small size, containing material, flexible,it could alternative Trolleys and other traditional tools. Small cargo robot designed with the control core of the microcontroller msp430, drive circuit of L298N and using the Gear motor as the driving force. It has the function of automatic tracing, remote driving, sound and light alarm, obstacle avoidance. Keywords:MCU,Wireless remote control,Tracing Robot,Drive circuit, Infrared Switch,C language






要 .................................................................................................................................. I

Abstract .............................................................................................................................II 目 录 ........................................................................................................................... III 论 ................................................................................................................... 1

第一章 绪

第二章 设计任务以及设计要求 ..................................................................................... 2 2.1 设计任务 ................................................................................................................. 2 2.2 设计要求 ................................................................................................................. 2 第三章 模块方案设计与论证 ......................................................................................... 3 3.1 硬件框图 .................................................................................................................... 3 3.2 控制模块 ............................................................................................................... 3 3.3 无线收发模块 ....................................................................................................... 4 3.4 避障模块 .................................................................................................................... 5 3.5 驱动电路模块 ............................................................................................................ 5 3.6 电机模块 .................................................................................................................... 5 3.7 寻迹模块 .................................................................................................................... 6 3.8 电源模块.................................................................................................................... 6 第四章 各模块的具体设计 ............................................................................................. 8 4.1 控制模块 ............................................................................................................... 8 4.2 无线收发模块 ............................................................................................................ 8 4.3 避障及报警模块 ........................................................................................................ 9 4.4 驱动电路模块及电机的设计 .................................................................................. 10 4.5 寻迹模块 .................................................................................................................. 11 4.6 软件设计 ................................................................................................................. 13 第五章 单片机模块控制及功能实现 ........................................................................... 14 5.1 自动行走的实现 ...................................................................................................... 14 5.2 遥控行走的实现 ...................................................................................................... 14 5.3 各种安全措施的实现 .............................................................................................. 15 第六章 结 论 ................................................................................................................. 16

参考文献 ........................................................................................... 错误!未定义书签。 谢 辞 ............................................................................................................................... 17 附 录 ............................................................................................................................... 18 附录一 机器人程序 .................................................................... 错误!未定义书签。 附录二 机器人效果图 ................................................................................................ 18 附录三 机器人电路原理图 ........................................................ 错误!未定义书签。

第一章 绪



随着物流行业的兴起,载运工具的智能化已经成为一个发展趋势,设备的智能 化也越来越高,人们的劳动强度以及工作效率得到了明显改善。 在货物的周转以及储运上,人们发展了大批的机械设备,广泛应用于车站、港 口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门。极大地降低了人们的劳动强度。但是, 在市场上,很少有廉价简易智能工具来替代工人肩扛手抬。在很多场合,生产车间, 我们见到的更多的是手推车,平板车。这些设备无论是速度还是效率上,都限制了 货物的运输效率。 所以,设计一款价格低廉,体积小巧,工作效率高,便于维护的货运机器人来 替代这些繁琐的费力费时的工序,降低工人强度,提高劳动效率。显得尤为必要。 相信这款设计有一定的应用前景。 设计的小型货运机器人,主要是针对较轻的货物,可应用于机场行李运输,仓 库货物转运,配货车。由于它体积较小,载重大,又可以在比较复杂的场合中工作, 对手推车等传统工具有一定的替代能力。 在设计中考虑了安全因素,防止该设计给人们造成不必要的损失,主要是自动 刹车声光报警两种方式。 小型货运机器人以 msp430 为控制核心,L298N 为核心的驱动电路,减速电机 为动力具有自动寻迹,声光报警,避障的功能。另外设计中配件尽量采用电动车配 件,使得维护起来较为方便。同时,设计中也注意到了对成本的控制,使得这款设 计能够被更多的企业个人采用。

第二章
2.1 设计任务

设计任务以及设计要求

设计设计一款用蓄电池供电的货运机器人, 能沿着黑色引导线在 AB 两点往返 行驶,实现对货物的运输,同时对道路有一定的适应能力。同时,对安全也有一定 的要求。 2.2 设计要求 1. 能沿着黑色引导线在 A,B 两点往返行驶,能自动判断是否偏离轨道并自动

调节前进方向。 2. 3. 4. 5. 在 A,B 点能够自动停止 载重不得小于 100kg 能够避让沿途的行人,物体 具有遥控和自动两种行驶方式

第三章
3.1 硬件框图

模块方案设计与论证

警报模块

寻迹模块 黑白线检测器

msp430 控制系统
安全模块

无线遥控模块

电机驱动模块 L298N

左右车 轮

图 3.1 机器人硬件框架图

3.2 控制模块 方案 1:采用凌阳 16 位单片机,它是 16 位控制器,具有体积小、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。但是 凌阳单片机应用较为复杂,使用不方便,且当占用的 CPU 资源较多时会使凌阳单片 机同时处理其它任务的速度和能力降低。 方案 2:采用可编程逻辑期间 CPLD 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂

的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 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我们放弃了此方案。 方案 3:采用 msp430 作为主控制芯片,该芯片有足够的存储空间,能够满足 该系统软件的需要,该芯片提供了两个计数器中断,对于本作品系统已经足够,采 用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片,能够准确的计算出时间,有很好 的实时性。 综合使用、经济等方面,在控制模块方面我们选择方案 3。 3.3 无线收发模块 方案 1:采用自制的无线电发射和接受电路进行无线收发。这个方案虽然思路 简单,但是硬件电路的连接复杂,调试难度大,稳定性差。 方案 2:采用封装的无线电发射和接受装置进行无线收发,比如使用无线收发芯 片 PT2264 和 PT2294。PT2262/2272 是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/ 接收芯片。其中发射芯片 PT2262 将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身, 使发射电路变得非常简洁。接收芯片 PT2272M4 是非锁存型 4 位数据输出,有 8 位 地址编码,有效防止了各个无线模块之间的干扰。该套无线收发芯片使用简单,价 格便宜,工作稳定性好。 方案 3:选用 NE555 型时基集成电路和高、低频振荡器组成的无线发射器,该 发射器不仅可以稳定地发射高低频无线信号外,而且搭建电路比较小,供电系统只 需 3V 锂电池,不需要其他额外供电。但该发射器仅能发射一个频率的信号,且易 受外部环境的影响。 方案 4:选用 nRF24.L01 作为无线传输模块。nRF24.L01 是一款新型单片射频 收发器件,工作于 2.4 GHz~2.5 GHz ISM 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体 振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst 技术,其中输出功率和通信 频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低,在以-6 dBm 的功率发射时,工作电流 也只有 9 mA;接收时,工作电流小,只有 12.3 mA,多种低功率工作模式(掉电模式 和空闲模式)使节能设计更方便。 从经济方面,方案 2 经济适中,功能能够完全可以满足设计需要,而且技术比 较成熟,综合电路搭建、软件编程功能实现等方面,无线传输模块选择方案 2。

3.4 避障模块 方案 1:选择专门的语音芯片,通过单片机进行语音控制。用这种方法虽然比 较简单方便,但是在地址模式所占用单片机宝贵的 I/O 口资源,造价高,自制电路不 稳定,噪音大。在操作模式下进行随机播放又需要快进,较适合于顺序播放。 方案 2: 选择 DSP 进行语音识别, DSP 能够进行语音的存储录放和语音的辨识, 具有很强的语音处理能力,但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便,放弃此方 案。 方案 3:光电开关作为传感器,检测距离达两米多。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。 选用蜂鸣器加灯光, 作为提示。因为蜂鸣器具有体积小(直径只有 llmm)、重量轻、价格低、结构牢靠, 而且我们可以利用此模块做为转向提示。 综合考虑,在报警模块我们选择方案 3。 3.5 驱动电路模块 方案 1:采用继电器对电机的开关进行控制,可以完成电机的正转,反转,调 速,刹车。但继电器响应时间慢,小车运动灵敏度低,增加了避障的难度。电路设 计复杂,不便于检测。而且机械结构易损,可靠性低。适用于大功率电机的驱动, 对于中小功率的电机则极不经济。 方案 2:采用驱动电路芯片,如 L298N 集成芯片,具有体积小,响应快,可靠 性安全性高,抗干扰能力强等优点,技术成熟。适合控制智能小车的运动。有较大 的电流驱动能力,连接方便,简单。 综合设计要求,在电机驱动模块我们选择方案 2。 3.6 电机模块 方案 1:用步进电机。步进电机在控制精度还有角度上有着其他电机无可比拟 的有事。但是步进电机力矩低,转速不高,这不能实现小车的迅速移动。而且由于 步进电机效率低,发热大。价格高,体积笨重。控制相对其他电机复杂,增加了编

程的难度。 方案 2:采用直流电机。直流电机运转平稳,转速高,精度较低。直流电机在力 矩上直接使用不能满足要求。需配合变速器使用,市场上变速千差万别种类繁多, 这使得零件在选配上显得比较麻烦。 方案 3:直流减速电机。减速电机是指减速机和电机(马达)的集成体。这种集成 体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好 后成套供货。使用减速电机的优点是简化设计、节省空间。最重要的是能满足对力 矩的要求。 综合设计要求,在电机模块我们选择方案 3。 3.7 寻迹模块 方案 1:采用红外传感器。即利用红外线在黑色物质上反射程度低,白色物体 上反射程度高,单片机以反射回来的红外线为依据来判断黑线的位置从而决定小车 的行走方式。这样的传感器在室内能够正常工作,但是在室外受阳光,灯光等外界 环境干扰较大。 方案 2:用黑白线传感器。黑白传感器是专门检测白底黑线或黑底白线的模块, 黑白线只出现高低电平变化,变化明显,易于区别,非常适合小车的寻迹。TK-20 黑白线检测传感器是 TK-10 的升级版,有效探测距离达 5cm。通过调节电位器,最 远可以达到 10cm(该距离下,探测黑白线的精度降低)。这款黑白线传感器继承了 TK-10 的受可见光干扰小,输出信号为开关量,信号处理简单,使用非常方便外, 还增加了探测距离调节器、改进了探测距离、加强了探测精度(在有效量程内,可 对报纸大标题进行感应)。如果将发射二极管换成激光发射管,探测距离将会增加 到 20cm 甚至更远。电气特性:U:5VDC I:20Ma Sn:0-5CM 方案 3:基于 coms 摄像头的路径识别。通过摄像头采集的道路信息送入单片机 处理,通过算法提取出赛道黑线中心,识别弯道、窄道、坡道、起跑线等信息。精 确度高,抗干扰强。但是造价高,编程复杂。 综合设计要求,在寻迹模块我们选择方案 2,为保证精度,使用激光发射管。 3.8 电源模块

在该设计中,涉及到 5V,9V,24V 三种电压。5V 对传感器,单片机供电通过 L7805 稳压芯片实现;9V 对无线发射模块供电;24V 对减速电机供电,直接由蓄电 池供电。 在供电方式上: 方案 1 对于单片机传感器采用单独电源,普通电池供电,对于电机采用蓄电池 供电,在维护上不太方便,而且传感器耗电较大,使用电池不经济。 方案 2 采用蓄电池统一供电,稳压芯片控制电压,虽然电路上较方案一复杂, 但是在使用和维护上较方便,而且经济。 所以采用方案 2 在电源选择上: 方案 1:采用外部供电,使得整个设备造价低(蓄电池一般 500 元)但是灵活 性上受限制。 方案 2:采用独立电源,铅酸蓄电池供电。设备可以灵活运行。适应更多的道 路。 从设计的应用场合来看,更多的是应用于非固定场所,所欲选择方案 2

第四章
4.1 控制模块

各模块的具体设计

为本系统的最终控制模块电路图,其中采用 msp430 作为主控制芯片,该芯片 有足够的存储空间,可以方便的在线 ISP 下载程序,能够满足该需要,I/O 接口数目 对于本设计已经足够,采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片。

4.2 无线收发模块
+5V E1
5

U4

天 线
8

无接 线收
V T CC V
名称 D3 D2 D1 D0 GND VT

D3 D2 D1 D0 GND

7

ANT

1 2 3 4

图 4.2 SC2272-M4 无线接收电路

+5V +5V +5V +5V

脚位 1 2 3 4 5 6

6

+5V

功能说明 数据输出 数据输出 数据输出 数据输出 电源负极 输出状态指示

7 8

5V ANT 表 3.1 脚位说明

电源正极 接天线端

超再生接收模块脚位如表 3.1 所示。采用 LC 振荡电路,内含放大整形,输出的 数据信号为解码后的高电平信号,使用极为方便,并且价格低廉,所以被广泛使用。 带四路解码输出(同时也可改为六路点动或互锁输出),使用方便;频点调试容易, 供货周期短;产品质量一致性好,性价比高。 接收模块有较宽的接收带宽,一般为± 10MHz,出厂时一般调在 315MHz 或 433.92MHZ,接收模块一般采用 DC5V 供电。 4.3 避障及报警模块 小车提示模块使用了蜂鸣器,当单片机判断到站台就控制蜂鸣器发出声音

+5V

R6 1K

Q1 PNP

R7 1K

Q2 PNP

R8 1K

Q3 PNP

U3

DS1

蜂器 鸣

灯 泡

DS2

灯 泡

DS3

灯 泡

DS4

灯 泡

图 4.4 报警模块电路图

图 4.5 红外开关蜂鸣器实物

4.4 驱动电路模块及电机的设计

+5V C7 1 00 UF VCC R2 D9 1K R3 D1 0 1K R4 D1 1 1K R5 D1 2 1K TLP1 4 R9 3 TLP2 4 3 TLP3 4 3 TLP4 1K R8 1K R7 1K 8 GND L29 8 N ISENA ISENB VCC C8 0 .1 UF

+12 V

M1
+ C9

C1 0 0 .1 UF

D1 IN4 0 07 5 7 10 12 6 12 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB VSS VS OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 9 4 2 3 13 14 1 15

D2 IN4 0 07

D3 IN4 0 07

D4 IN4 0 07

1 00 UF

1 2 1 2 1 2 1 2

M
MOTOR M2

4 R6 3 1K

M
MOTOR

D8 IN4 0 07

D7 IN4 0 07

D6 IN4 0 07

D5 IN4 0 07

图 4.6 L298N 驱动模块电路

图 4.7 L298N 驱动电路实物

图 4.8 驱动电机效果图

L298N 是专用驱动集成电路,属于 H 桥集成电路,与 L293D 的差别是其输出 电流增大,功率增强。其输出电流为 2A,最高电流 4A,最高工作电压 50V,可以 驱动感性负载,如大功率直流电机,步进电机,电磁阀等,特别是其输入端可以与 单片机直接相联,从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时,可以直接控制 实现电机正转与反转,实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。为了避免电机对单 片机的干扰,本模块加入光耦,进行光电隔离,从而使系统能稳定可靠的工作。 本 模块具有体积小,控制方便的特点。 本模块具有 4 个指示灯,能指示电机的控制运行状态同,外围电路光耦的作用 是防止芯片烧毁后大电流流经单片机烧毁单片机,二极管防止减速电机发电产生电 流逆流,烧毁芯片。 4.5 寻迹模块 图 4.9 为我们所设计的黑白线传感器电路图

黑检 白测
V CC OUT GND

黑检 白测
V CC OUT GND
+5v R4 1 0K

1 2 3

+5v R3 1 0K

图 4.9 黑白检测传感器电路

图 4.10 黑白检测传感器

1 2 3

4.6 软件设计
开始

小车逆向

初始化

按键等待

中断查询

障碍物中断 同时中断?

停止等待 左轮中断? 右拐

右轮中断?

左拐

第五章

单片机模块控制及功能实现

5.1 自动行走的实现

A

B

A

B

A

B

C

D

C

D

C

图 5.1 机器人行走状态示意图

机器人接受启动指令, 单片机采集传感器信号, 正常情况下黑白检测传感器 AB 未检测到黑色轨迹,输出高电平给单片机,单片机通过端口,输出相应电平给驱动 电路,间接实现是两台减速电机 CD 同时正转,实现直线行驶,当机器人行走偏左 时,A 输出高电平,B 输出低电平,此时,单片机控制 C 正转,D 逆转,实现转向; 当行驶方向偏右时,A 输出低电平,B 输出高电平,单片机控制 C 逆转,D 正转, 从而纠正行驶方向。前进中遇到 AB 输出电平全为低时,认为到达停止线,CD 同时 逆转,实现刹车。 5.2 遥控行走的实现 当机器人因意外或者是外界造成机器人对路况无法识别时,我们用手动遥控, 控制机器人工作,遥控 ABCD,四个按键,分别按下在接收端相应的端口会产生相应 的低电平信号传给单片机,单片机接收后选择相应的行走方式,实现前进,后退, 转向

5.3 各种安全措施的实现

障 碍 物
E E

终点线

图 5.2 机器人避障及刹车示意图

当机器人左右转时,相应转向灯闪动,蜂鸣器发出滴滴声,提醒前后方人员注 意。当红外对管 E 检测到前方障碍物,输出高电平信号给单片机,单片机控制 CD 逆转,实现刹车,同时蜂鸣器长鸣,左右转向灯同时闪动,当障碍物解除后机器人 继续前进。 当机器人行使至终点线,刹车,停止前进,直至接收到启动指令。

第六章

结 论

本文所设计的小型货运机器人,采用单片机为控制芯片,结合黑白检测传感器 实现沿黑色引导线在 A,B 两点往返行驶,自动判断是否偏离轨道并自动调节前进方 向同时用户可对程序进行修改完善,预留了端口,方便对机器人功能扩展。红外对 管可对前方障碍物探测,实现自动避障。L298N 驱动电路响应快,性能稳定,可实 现机器人的刹车,前进,调速,转向。结合单片机以及无线收发模块实现遥控功能。 减速电机功率以及扭矩符合载重不得小于 100kg 设计要求。 在程序上,进行了综合论证,考虑到了各种因素对自动控制的影响。设计比较 完善。 综上,该设计可以满足设计任务及要求要求,在低成本,便于维护上也有所体 现。适用于车间,机场,配货站少量货物的快速运输,机动灵活,运输成本低有较 广阔的应用前景。





感谢老师在设计中对我悉心指导,同时,感谢同学在设计中对我提供的热情帮 助。 即使有了理论上的可行性,距离成品制作还是一定的距离的,我能做的只有再 接再厉。该设计历时四个月,多次修改期间经历了方案的筛选,元器件的选择,程 序的调试,模型的制作。在这过程中袁伟老师提供飞行学院实验室给我,在硬件方 面使得我如愿将自己的构思付诸实施。同时,物理系创新实验室的同学提供宝贵的 经验和资料给我,在设计中对我所遇到的各种疑惑给予热情解答。使得我在资料的 搜集和设计中少走了不少弯路,较快的完成了设计。同时,对术老师在自始自终的 论文设计中对我所遇到的各种问题的耐心指导表示衷心的谢意。 很多方面我们的所学是远远不够的,除了自主学习还要加强和身边同学老师的 交流合作。感谢身边的同学,很高兴能够与你们相互合作各取所长那个,使得设计 从一个个困难中走出,臻于完善。学校对学生动手能力重视,提供了优越的创造条 件,在完善的硬件设施下,我们对单片机,黑白检测传感器,减速电机,红外对管 的性能有了较深刻的了解,基于同学提供的宝贵资料和建议,以及自己的的所学以 及经验,该设计已经不再拘泥于单纯的理论设计,而是在实践中有更大的可行性。 设计是一个漫长的过程,受限于自己的所学,不能将这款设计做的完美至极, 能做的,就是不断地交流,学习,改进,使之逐渐趋于完美。由于设计未经过实际 的考验,在实际应用中肯定有不足之处,欢迎老师,同学能够指点,加以改进。


附录一 机器人效果图





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