浙江省大学生机器人竞赛之超市购物赛小车设计书

购物小车设计
1. 总体设计思想

小车有一个主控器，其余部分包括有运动模块、机械臂模块、图像模式识别模块、寻迹导航模块及供电模块组成。由寻迹导航模块记录小车的运动位置情况，当小车移动至指定位置时，采用摄像头进行模式识别，若识别结果为预期值，则控制机械臂进行拾取目标物，之后再由循迹模块指引至预定地点进行卸货。此种小车类似于一个较为基础的智能物流管理系统中的货运机器人，两者之间有着相似的功能模块。

2. 硬件设计

2.1步进电机[1]

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本设计采用42型步进电机，配有一个TB6560步进电机驱动器。

2.2舵机[2]

舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能小车以实现转向以及机器人各类关节运动中。舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是小车控制部分重要的组成部分一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路等。本设计采用MG996信号舵机。

舵机的输入线共有三条，如图6所示，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，一般为白色或者桔黄色，红色为电源正极，黑色为地线，一般不会搞错。

2.3红外寻迹[3]

红外寻迹模块的检测原理概括讲为利用是否接收到反射的红外线来判断小车车身位置是否在预定路线上。黑线的检测原理是红外发射管发射光线到路面，红外光遇到白底则被反射，接收管接收到反射光，经施密特触发器整形后输出低电平；当红外光遇到黑线时则被吸收，接收管没有接收到反射光，经施密特触发器整形后输出高电平。通过判断输出的电平高低来判断是否处于预定位置上。

2.4电源供电

本设计供电电池为聚合物组合电池，参数为标称电压24V、6000mAh容量，实际输出电压在充满电时可以达到25V左右，容量也超过6000mAh。电池内装有6串10A带均衡充电功能保护板，电池适用于18V-25.2V电压设备，（功率120W左右或内）稳定直流供电设备，输出电压约为18V-25V 要求电流/电压过大的动力设备（如：启动瞬间电流过大超过10A，比如大电机，动力设备如果启动电流超过10A将不能正常工作）。因电池保护板是10A保护的，建议设备长期（启动电流除外）的使用电流在5A以内，稍微超过5A也可以。

2.5控制器供电

控制器采用飞思卡尔公司的STM32F103ZET6芯片。该芯片外接晶振时最高工作频率可以达到72MHz，处理器速度较快，满足购物车的控制要求。芯片采用3.3V直流供电，由于聚合物电池输出电压为24V，所以采用AMS1117-3.3芯片设计降压电路对输出电压进行降压至3.3V后用于控制器的供电。

3. 软件设计

3.1步进电机控制

步进电机外接步进电机驱动器，每个步进电机配有一个步进电机驱动器。本设计方案中步进电机采用24V供电，驱动器设有三个NPN型三极管8050设计的导通电路。每个驱动器共有六根外接导线，其中三根需要接至24V电源，用于链接三极管的E极，其余三根导线分别为脉冲信号线、电机驱动方向控制线以及电机驱动使能信号线。由于步进电机控制的特性，需要对其输入脉冲信号驱动步进电机的“步进”，设置STM32控制器的计数器来实现PWM波的输出，进而控制步进电机的驱动。程序设计中PWM波的频率可控、波形占空比可控，便于对步进电机进行各种驱动控制，使其更满足机器人的控制需求。

3.2舵机控制

舵机采用5V直流电源供电，STM32单片机输出信号为3.3V直流电压，不能满足舵机控制需要。因此需要将供电电源将压至5V来给舵机供电，此处设计一个24V-5V的降压电路。降压后的电压输出端接至三极管8050的E极，由三极管构成一个导通电路，使得STM32单片机输出信号可以实现对舵机的控制。

3.3红外寻迹模块信号接收

对红外寻迹模块采用3.3V供电，使其输出高低电平的信号也为3.3V-0V，便于STM32单片机的读取控制。

3.4双机串口通信

图像模式识别模块采用笔记本电脑作为处理工具，采用Python语言（语言为第三版），操作系统为Linux操作系统，所以需要完成笔记本电脑与STM32控制器的双机通信。采用笔记本的串口输出模式识别结果信号，STM32控制器的串口通信模块UART1接收笔记本输出信号。笔记本端需要接一个USB转串模块，也就是USB-TTL信号线，通过该信号线输出的信号可直接连接至STM32控制器，注意STM32控制器与笔记本端电源信号的供地操作。此处信号传递亦可改为无线传输模块，则是在电脑端采用蓝牙主机来发送信号，STM32控制器端的UART1连接蓝牙从机模块，进行基于蓝牙的无线通信，可以避免图像处理部分与STM32控制器的有线连接不方便。Linux系统上需要编译安装pyserial函数库，这是一个专为串口设计的函数库，调用其中函数可以使得调用串口的操作更加便捷。在Python编程中，只要import该函数库即可调用该函数库中的函数，调用方便。

3.5模式识别算法

基于Linux Ubuntu14.04操作系统进行图像处理算法的实现。采用Python 3语言编写图像处理的算法，算法设计中调用了部分OpenCV2.4.9计算机视觉库中的函数命令，使得算法设计更加简洁高效。当购物车移动至预定位置时，通过车载摄像头对货架上的商品进行图像采集，接着模式识别法处理图像数据对其进行判断，识别出该货架位置处的商品类别，接着通过串口输出识别结果给STM32控制器。

4. 调校测试

完成各个功能模块的设计后，便是对模块的整合调试使购物车完成自动移动、识别、取货、运货、卸货操作。

参考文献：[1][2][3]原理参考百度百科。