基于ARM单片机的智能仓储搬运车控制系统设计

信息来源：发布时间：2022-01-12 点击数：

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随着我国第一个十年强国战略行动纲领“中国制造2025”的实施, 大大推进了我国制造业生产的智能化进程, 而高效的智能仓储系统是制造业智能化进程中不可或缺的一个环节, 智能仓储搬运车又是智能仓储系统能否实现高效运行的关键。智能仓储搬运车可降低企业的人力成本, 有助于企业实现信息化管理, 提高运行效率。

相比较早期的自动仓储搬运车只能够沿规定的导引路径自动行驶, 本智能仓储搬运车控制系统的自主性更高, 采用激光导航技术, 实现搬运车的自动定位, 降低了环境对系统的影响, 拓宽了智能仓储搬运车的应用区域。

1 总体方案设计

按照智能仓储运输车所应具有的入库出库、导航避障、智能调度、自动充电等功能详细研究确定了系统的设计方案。本设计包括主控制器、自平衡行进系统、智能导航避障系统、智能调度交互通讯系统、自动充电系统等。

1.1 主控系统

本设计的主控制器采用意法半导体公司的一款基于ARM&reg, 以Cortex TM-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器STM32F407, 它的闪存 (Flash) 高达1MB, 并增加了以太网MAC和照相机接口等。

1.2 自平衡行进系统

行进系统的左右前轮分别采用两台57Bl75S10-230TF9 24V 100W直流无刷电机, 并配接两台NMRV蜗轮蜗杆减速器和无刷直流电机驱动器。后轮采用双叠层万向轮, 并配接直流电机和滚珠丝杠可控制后轮升降。系统使用MPU6050陀螺仪采集搬运车的平衡信息, 当搬运车在0度～15度坡度路面行驶时, 采用模糊自整定PID算法自动适时调节后轮直流电机的运行, 控制后轮的上升与下降, 保证搬运车能够安全平稳运行。

1.3 智能调度交互通讯系统

在智能仓储系统中, 智能仓储搬运车要接受调度监控系统的调度及控制, 获取作业路径和特殊情况处理等信息。智能仓储搬运车要向调度监控系统实时上传当前位置等信息。本设计中智能仓储搬运车和调度监控系统之间信息的交互通过ZIGBEE通讯技术实现。

1.4 智能导航避障系统

系统采用激光导引和超声波避障技术实现搬运车的导航及避障。它由一只可按一定频率进行旋转扫描的激光传感器、固定位置的激光反射板及三只超声波避障传感器等配合主控制器构成。

当搬运车接受到调度监控系统的货物搬运信息后, 搬运车控制系统会根据已设计储存好的仓库运行坐标图、当前位置及终点位置等信息进行分析计算, 规划出最优行驶路径。搬运车在运行过程中, 车身顶部的激光传感器按固定频率进行360度旋转扫描, 当连续扫描到三个及以上固定安装的激光反射板时, 搬运车主控制器系统就可根据各反射板的坐标及反射板相对于搬运车的方位角, 采用三角定位方法计算出搬运车当前的运行坐标及运行方向, 实现搬运车的定位和定向。

搬运车通过三只分别安装于智能仓储搬运车的前端、左前端及右前端的超声波避障传感器对车身前面、左面、右面进行障碍物检测, 并能够有效的感知障碍物的大小, 即可根据当前运行区域情况分析判断能否通过, 并重新规划行进路线, 实现自主避让决策。

1.5 自动充电系统

当搬运车的自动电量检测模块检测到电池电量不足20%时, 搬运车向调度监控系统发出充电请求。调度监控系统根据充电桩的情况进行调度, 给出充电路径, 搬运车通过激光导航驶入指定充电区域。搬运车通过车身上的红外接收器和充电桩上的红外发射器进行对接, 调整搬运车车身方向与充电桩的方向一致, 进行横向定位。搬运车利用超声波传感器测量到充电桩的纵向距离, 进行纵向定位, 与充电桩对接完成充电。

2 系统控制算法

2.1 自平衡控制算法

MPU6050陀螺仪将采集的搬运车车身的姿态信息, 通过互补滤波和四元数法姿态处理后, 获得车身前部当前的倾斜角度值, 通过模糊自整定PID算法计算出后轮的升降值, 从而控制后轮的升降直流电机运行。模糊控制规则是依据车前轮与后轮的距离和倾斜角利用三角形测量原理计算出的理论值经调试得出。此设计中的模糊自整定PID控制器结构图如图1所示。