软件２０１０年第３１卷第１１期：ｌ２～１６页 国际ＩＴ传媒品牌 简易自动仓储搬运小车的设计与实现 揭宗昌，蔡泽辉，王鹏 （中国矿业大学计算机科学与技术学院，徐州 ２２１１１６） 摘要：以ｗｉｎｂｏｎｄ生产￣Ｗ７９Ｅ２２７作为控制系统的核心，通过对直流电机驱动、红外引导、图形识别、无 线通讯、显示等模块的软件编程，设计了一个能够实现以最优路径、最快速度、最高精度自动搬运仓储 物体，并能显示走过的路径长度设计了一个能够实现以最优路径长度、时间及示意图的智能小车。 关键字：自动化；红外光电传感器；图形识别；无线传输 中图分类号：ＴＰ３６８．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－６９７０．２０１０．１１．００３ Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｏｆ ｓｔｏｒｉｎｇ ｔｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉ０ｎ ＪＩＥ Ｚｏｎｇｃｈａｎｇ，ＣＡＩ Ｚｅｈｕｉ，ＷＡＮＧ Ｐｅｎｇ （ＳｃｈｏｏｌＯｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅＡｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｆＭｉｎｉｎｇＡｎｄＴｅｃｎｈｏｌｏｇｙ，Ｘｕｅｈｏｕ ２２ｌｉｌ ６１ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｗ７９Ｅ２２７ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｗｉｎｂｏｎｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｙｎａｍｏ，ｔｈｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｉｎｔｏ ｕｌｔｒａ－ｒｅｄ ｇｕｉｌｄ ｗｉｒｅ，ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ ｏｆ ｉｆｇｕｒｅ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｏｗｉｎｇ，ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃａｒｒｉｅｒ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｔｏｒｉｎｇ ｇｏｏｄｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ，ｆａｓｔｅｓｔ，ａｎｄ ｍｏｓｔ ａｃｃｕｒａｔｅ ｗａｙ，ａｎｄ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｐａｔｈ ｌｅｎｇｔｈ，ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ；ｕｌｔｒａ—ｒｅｄ ｐｏｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄｅＶｉｃｅ；ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ ｏｆｆｉｇｕｒｅ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇ １．引言 本文设计的智能小车是一种集实时采集传感 器信号，智能分析外部环境、路径信息，自动方向 控制及速度调节等技术的自动设备。本系统设计 的智能小车具有图形识别能力，能自动识别三角 形（▲）、圆形（●）、正方形（■）和十字形 （＋）标志，并将该尺寸为（８ｃｍ×８ｃｍ×８ｃｍ）的 立方体搬起，运送到指定地点。而且，要求小车以 最快的速度和最高的精度完成以上功能，此外，由 图１系统方案框图 Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ 于立方体任意放置，搬运顺序不限，还要求小车具 有最优路径选择的能力。 ２．１ 电机的选择与论证 ２．方案设计与论证 方案１：采用直流电机。直流电机具有最优 越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调 速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起 本设计主要实现小车在限定的区域内用自设的 动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面。 路线循迹完成立方体的搬运，并能显示走过的路径 方案２：采用步进电机。步进电机具有控制简 长度、时间和路径示意图。据此提出系统方案，其 单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时 系统方案框图如图ｌ所示。为实现各模块功能，针 噪音大、高速扭矩小、启动频率低、价格较高。 对关键模块提出了几种设计方案并进行论证。 方案选定：基于上述比较，为了方便地对电机 一１２一 揭宗昌等：简易自动仓储搬运小车的设计与实现 进行无级调速，节约成本以及需要电机带负载能力 电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线反射强烈，光线照 强的特性，故本设计采用方案１。 射到黑线上面时，光线反射较弱。因此光敏电阻在 ２．２ 电机驱动方案的选择与论证 白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻 值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是 这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。 方案ｌ：采用继电器对电动机的开和关进行控 制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个 方案３：采用反射式红外线光电传感器。红外 方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继 探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有 电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短 不同的反射性质的特点［２］。在小车行驶过程中不 ［１】。 断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地 方案２：采用Ｈ型脉冲宽度调制（ＰＷＭ）全桥式 驱动电路。通过ＰＷＭ脉宽调制的方法，实现对小车速 度的控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平 滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载 冲击，还可以实现频繁的快速启动、制动和反转等 优点，是一种广泛采用的调速技术。Ｈ型全桥式电 路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。这种 驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行， 分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。为＿Ｊ 电路设计简单，采用电机专用驱动芯片Ｌ２９８Ｎ，其 驱动电流大，瞬时电流最高可达２Ａ，为电机驱动专 门设计，工作稳定可靠。 方案３：采用ＤＳＰ芯片，配以电机控制所需要 的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速 度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积 小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软 硬件复杂、成本高。 方案选定：综合三种方案的优缺点，基于上述 理论分析和实际情况，本设计选择方案２。 ２．３ 寻迹模块的选择与论证 在本设计中，要求电动小车沿着路面的黑色 轨道行驶。其探测路面黑线的基本原理：光线照射 到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不 同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑 线。利用这个原理，可以控制电动小车行走的路 迹。下面三种方案是根据本原理设计的。 方案ｌ：由可见光发光二极管与光敏三极管组 成的发射一接收电路。该方案成本较低，易于制 作，但其缺点在于周围环境光源会对光敏二极管的 工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可 能造成误判和漏判；如果采用超高亮发光管和高灵 敏度光敏管可以降低一定的干扰，但又将增加额外 的功率损耗。 方案２：利用光敏电阻组成光敏探测器。光敏 板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收 管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，电动小车 上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到 反射回来的红外光来确定黑线的位置，从而控制小 车的行走路线。采用红外线发射，外面可见光对接 收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行隔 离。红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方 便、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单。 方案选定：综合比较三种方案，方案３易于实 现，也比较可靠，故本设计采用方案３。 ２．４ 图形识别模块的选择与论证 方案１：采用３２０线的线阵型ＣＣＤ摄像头作为 图形识别传感器，它以隔行扫描的方式采集图像上 的点，当扫描到某点时，通过图像传感芯片将该点处 图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后 将该电压值通过视频信号端输出。当扫描完一行 时，视频信号端输出一个低于最低视频信号电压的 电平，即行同步脉冲，它是扫描换行的标志。摄像头 输出的ＰＡＬ制式模拟信号必须经过视频分离电路分 离后，才能得到单片机可以处理的图像采集信息， 然后利用采样图像中各点的电压值，就可以判断出 图形的形状Ｅ３］。该方案的优点是探测的距离足够 远，能探测的信息量也足够多。但是该方案所用到 的视频分离电路复杂，需要对大量图像信息进行数 据处理，对控制器的要求比较高，成本相对也比较 高。 方案２：采用反射式红外传感器［ ］阵列。通过 红外发射管发射红外线光照射物体表面，物体表面 与图形具有不同的反射强度，利用红外接收管可以 检测到这些信息，再通过编写程序利用检测到的信 息来判断图形的形状。此方案简单易行程序调试也 简单且成本低廉。 方案选定：本设计的寻迹模块也采用的反射式 一１３— 软件２０１０年第３１卷第１１期 红外传感器，为了图形识别实现方便和节约成本， 故本设计采用方案２。 ２．５ 搬运模块的选择与论证 方案１：采用舵机制作机械手来实现立方体的 搬运。机械手原理简单，可行性高，但是稳定的机 械手加工复杂，舵机的控制也相对较难，需要占用 微处理器的定时／计数器。 方案２：采用吸盘式电磁铁吸引带有小铁块的 物立方体。就本题目来说，该方案控制简单，操作 方便，加工也容易，而且能为图形的识别提供可靠 的识别环境。 方案选定：综合比较两种方案，为了图形识别 的方便，本设计选用方案２。 ２—６ 无线通信模块的选择与论证 方案１：采用用ＤＦ无线数据收发模块。ＤＦ超再 生式接收模块通讯方式为调频ＡＭ，接收灵敏度高， 抗干扰能力强，但是其数据传输量较小，而且需要 对数据编解码，增加了设计复杂度。 方案２：采用ｎＲＦ２４ＬＯ１模块。ｎＲＦ２４ＬＯ１是业界 体积最小、功耗最少、外围元件最少的无线单片收 发芯片，编程很方便，实际传输距离在５０－８０米左 右。 方案选定：综合比较以上方案，方案２易于实 现，也比较可靠，故本设计采用方案２。 ３．理论分析 ３．１ 场地循迹路线的规划 根据题目给出的仓储场地示意图，为了循迹方 便，让所走的路径尽可能的短。我们设计出了如图 ２所示的场地路线图。 在图２中的黑线为搬运小车的循迹路线，通过 这个路线，小车可以去到图中存放立方体的任何位 置。 一１４一 图２仓储场地路线示意图 Ｆｉｇ．２ Ｌｉｎｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｐａｃｅ ３．２ 最优路径的选择 根据图２所示的仓储场地路线示意图，将各个 立方体的存放位置和路口坐上标记，如图３所示。 图３仓储场地标记不意图 Ｆｉｇ．３ Ｍａｒｋ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｐａｃｅ 最短路径问题是图论研究中的一个经典算法 问题， 旨在寻找图（由结点和路径组成的）中两 结点之间的最短路径。常用的路径规划方法有很多 种，例如人工势场法、遗传算法等。其中人工势场 容易出现振荡和陷于局部极小，因此难以得到最优 的规划路径。遗传算法具有较好的寻优能力，但实 际使用时容易出现早熟收敛现象。 根据要求，小车从起始点出发，将４个立方体依 次运送到指定地点即可。虽然立方体的摆放顺序是 揭宗昌等：简易自动仓储搬运小车的设计与实现 任意的，但放置地点固定。因此，一旦识别出立方 体的摆放顺序，那么立方体到各放置点的距离、小 车到各个立方体和放置点的距离均是确定的。根据 题意，上述问题可以描述如下：设有ｎ个地点，小 车从起始点出发到其他每个地点一次且仅是一次， 问如何选择行走的路线，使小车走过的总路径最 短？ 为此，建立如下数学模型：小车从起始地点ｌ 开始，设小车走到地点ｉ，记 ＝ …３ —ｌ， ＋ｌ，．．．，，ｚ） 表示由地点１到地点ｉ的中间地点集合，Ｓ表示 到达地点ｉ之前中途所经过的地点的集合。因此可 选取（ｉ，Ｓ）作为描述小车行进过程的状态变量，决策 为由一个地点走到另一个地点，并定义最优值函数 ｆｋ（ｉ，Ｓ）为从地点１开始经由ｋ个中间地点的ｓ集到地 点ｉ的最短路线的距离．。由于ｎ较小，因此可以采 用动态规划方法求解，其递推关系为 （ｆ， ）＝ｒａｉｎＩｌｋ一。 ，Ｓ＼｛［，）＋ ，）Ｊ 其中ｋ＝ｌ，２，…，ｎ—ｌ；ｉ＝２，３，…，ｎ；ｄ：，为地点ｉ 到地点Ｊ的距离；边界条件为ｆ （ｉ，①）＝ｄ 由动态规划的最优性原理可知，一个最优策略 的子策略总是最优的。所以从ｋ＝ｌ￣ｌＪｋ＝ｎ一１逐个阶段 求最优策略，最终得到的解即为小车的最优路径。 根据图３所给出的路线图，我们统称１、２、３、４９ 位置为仓库位置，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个位置为目标物 处，由此可以知道，从任一出发位置到任一目标物 位置的路径唯一确定，反之亦然。因此，要求最短 路径即是确定小车去向。从目标物位置回到仓库位 置是由题目确定的，我们唯一能选择的只有从仓库 位置去到哪一个目标物处。基于以上分析，我们设 计出路径选择策略：小车在仓库位置时，若其对面 的位置上的立方体没有被搬走，则小车去其对面的 位置。反之，则选择邻近的目标物处。我们设定在 选择邻近目标物位置出现路径长短相同时，优先选 择左边的目标物处。 ３．３ 图形识别 图形识别模块在本设计中起着至关重要的作 用，其识别正确与否直接影响到小车搬运的正确与 否。本系统场景设置比较单一，图形信息较为规 则，故可以将黑色图形绘在白底的立方体上，采 用提取特殊位置的反射强度，综合后判断图形的形 状。图形识别传感器位置设置如图４所示。 图４图形识别传感器位置示意图 Ｆｉｇ．４ Ｍａｒｋ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｐａｔｔｅｒｎ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ 由图可以很容易的知道：若假定传感器检测到 反射信号，则为１，反之，则为Ｏ。故有如下判定： （１）若ＡＢＣＤ为ｌ１ｌ１，则检测到的图形为正方 形（■）： （２）若ＡＢＣＤ为Ｏ１１１，则检测到的图形为圆形 （●）： （３）若ＡＢＣＤ为００ｌ１，则检测到的图形为三角 形（▲）； （４）若ＡＢＣＤ为Ｏ０１０，则检测到的图形为十字 形（＋）。 ４．系统的硬件设计 系统硬件框图如图５所示，主要包括电源模 块、Ｈ全桥式驱动电路、ｎＲＦ２４１０１无线模块、图形 识别模块、循迹模块、搬运模块、显示模块七个部 分。其中显示模块完成如下功能：通过ｎＲＦ２４１Ｏ１无 线模块接收从小车上发来的路径、里程等信息，经 Ｗ７９Ｅ２２７微处理器处理后利用串口发送到上位机上 进行显示。 ５系统硬件框图 Ｆｉｇ．５ Ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ 寻迹模块和图形识别模块，我们采用反射式光 电对管，其输出接比较器，由地面或立方体表面反 射状况的不同而输出１，０信号予以反馈。其电路连 接如图６示。 一ｌ５一 软件２０１０年第３１卷第ｉｌ期 图６反射式光电对管电路图 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｔｙｐｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｏｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ Ｈ全桥式驱动电路用一片Ｌ２９８Ｎ可控制两个直流 电机，我们用ＰＷＭ输出来调制车速，且为了防止电 机模块对前级的干扰，我们加了光电耦合级，电路 连接如图７示。 图７电机驱动电路图 Ｆｉｇ．７ Ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ５．系统的软件设计 由于本系统的功能复杂，因此不但硬件电路复 杂同时也需要很强的软件系统支持。本系统软件包 含三个部分：小车控制软件、显示模块上的通行转 换软件、上位机上的显示软件。其中小车控制软件 流程图如图８所示。 ６．总结 本文采用了特征提取的图形识别方案，大大提 高了图形识别的难度。应用遗传算法，采用基于动 态规划的路径规划技术，提高了小车的路径规划效 率。采用数字ＰＩＤ控制算法，提高了小车的控制精 度。系统反复测试，性能良好，实物如图９Ｎ示。 智能仓储搬运系统为智能机器人系统设计提供了有 力的技术支持，对系统将做进一步研究，它将有着 广泛的市场应用前景。 一ｌ６一 开始 Ｊ【初始化 ｛ ¨＿＿＿ ｊｒ＿———一 读取驶向目标物位置 的转弯信息 装载立方体 图形识别 确定耍放置的位置，并读取驶回仓库位 置的转弯信息 方体 完？ 确亲荔森盟目 结束 图ｓ４，车控制软件流程图 Ｆｉｇ．８ Ｃａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ 图９智能仓储搬运小车 Ｆｉｇ．９ Ｓｍａｒｔ Ｃａｒ Ａｕｔｏ Ｗａｒｅｈｏｕｓｅ 参考文献 ［ｉ］杨永辉．现代电子技术［Ｊ］．智能小车的多传感器数据融 合．２００５，（６）：３－６． ［２］张立．电子世界［Ｊ］．电动小车的循迹．２００４，（６）：４５． ［３］卓睛，王磊．基于面阵ＣＣＤ的赛道参数检测方法［Ｊ］．电 子产品世界，２００６，１８（７）：１４３—１４５． ［４］郁有文等编．传感器原理及应用［Ｍ］．西安：西安电子 科技大学出版社．２００３．７ ［５］戴仙金．５１单片机及其Ｃ语言程序开发实例［Ｍ］．北京： 清华大学出版社，２００８ ［６］谭浩强．ｃ语言程序设计（第三版）［Ｍ］．北京：清华大 学出版社，２００５．７ ［７］全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（２００７）［Ｍ］．北 京：北京理工大学出版社，２００８． 作者简介：揭宗昌（１９８７年生），男，硕士在读，嵌 入式．