自引导式智能搬运小车的制作方法

本实用新型涉及搬运小车技术领域，特别是涉及一种自引导式智能搬运小车。

背景技术：

仓储是指通过仓库对物资进行储存、保管以及仓库相关储存活动的总称。它随着物资储存的产生而产生，又随着生产力的发展而发展。仓储是商品流通的重要环节之一，也是物流活动的重要支柱。

近年来，为解决仓储物流中繁重的分类管理工作和应对仓库内复杂的工作环境，对搬运车的探测传感技术应用研究已成为该领域的热点。搬运小车是一种代替人完成物料运输和摆放的智能工具，有多种相关设计方案被提出并广泛应用。

搬运小车即搬运机器人，是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。

世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。

搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。它的优点是可以通过编程完成各种预期的任务，在自身结构和性能上有了人和机器的各自优势，尤其体现出了人工智能和适应性。

目前，公开号为CN109205513A的中国专利公开了一种升降搬运小车，其包括车架、轨道、升降机构以及驱动行走机构；升降机构包括升降动力单元、升降导向单元和托盘；升降动力单元和升降导向单元均设置在车架内，并与位于车架上方的托盘连接；驱动行走机构包括驱动单元、传动单元以及行走轮；

传动单元包括主动轮和从动轮；行走轮设置在车架底板上，并与轨道相适配；驱动单元安装在车架底部，其输出与主动轮连接，主动轮带动从动轮转动；从动轮与车架的行走轮同轴设置。

这种升降搬运小车虽然结构简单、操作方便、搬运成本低，且作业效率较高，但是由于其测距防撞性能较差，在面对复杂仓储系统时运行可靠性较低。

技术实现要素：

本实用新型针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种自引导式智能搬运小车。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种自引导式智能搬运小车。

技术效果：该搬运小车集物料分辨、路径识别、测距防撞和数据记录功能为一体，解决了物料的自动分类运输问题和仓储信息记录问题，提高了面对复杂仓储环境时系统运行时的可靠性，将循迹子系统、颜色识别子系统和测距子系统相结合，为自动分拣搬运物料提供了安全可靠的方案，提高了传统搬运小车的检测感知能力，解决了物料分类和信息管理问题，提高了搬运系统的环境适应能力和工作效率。

本实用新型进一步限定的技术方案是：包括车体、车轮和搬运模块，车体内设有相互电连接的

单片机，用于分析外界数据并控制小车整体活动；

传感系统，用于收集仓储环境和物料特征数据，并将数据传输至单片机；

驱动系统，由单片机控制活动，用以驱动小车和驱动搬运模块工作；

传感系统包括分别与单片机电连接的

循迹导引模块，用于收集仓储环境内的路况数据、判断小车的位置或方向，以及调节小车的探测距离，包括相互连接的传感器、二极管和三极管，仓储环境中设有黑色引导条带；

测距防撞模块，用于测量小车与障碍物之间的间距以避免小车与障碍物的碰撞，包括带通滤波器、前置放大器和功率放大器，以及压电芯片、发送器和接收器；

颜色识别模块，用于检测待搬运物品的颜色以区别不同种类的物品，包括若干根光电二极管形成的阵列，以及三种分别采集三原色光信号的滤光器和用于记录脉冲数的计数器。

进一步的，驱动系统包括与单片机电连接的警报模块，显示模块，

电机驱动模块，用于驱动车轮旋转，还能够使车轮差速旋转以实现转向；

机械手模块，包括固定板、设于固定板上通过齿轮啮合的左臂和右臂，以及用于控制左臂和右臂活动的舵机，还包括用于驱动舵机的马达和减速齿轮组。

前所述的自引导式智能搬运小车，电机驱动模块中的马达为直条单轴减速马达，其型号为1A120-1812L，电机驱动模块上包括逻辑控制电源和电机驱动电源。

前所述的自引导式智能搬运小车，舵机为MG995型舵机，警报模块由ISD1820磁带回线记录芯片、驻极体式咪头和低功率扬声器组成，显示模块为LCD1602液晶显示器。

前所述的自引导式智能搬运小车，循迹导引模块内设有TCRT5000红外光电反射式传感器，TCRT5000红外光电反射式传感器包括红外发光二极管和光敏三极管，循迹导引模块内还设有电压比较器。

前所述的自引导式智能搬运小车，测距防撞模块内设有HC-SR04超声波传感器。

前所述的自引导式智能搬运小车，颜色识别模块内设有TCS230颜色传感器，单片机型号为IAP15F2K61S2单片机。

本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型中，集物料分辨、路径识别、测距防撞和数据记录功能为一体，解决了物料的自动分类运输问题和仓储信息记录问题，提高了面对复杂仓储环境时系统运行时的可靠性；

（2）本实用新型中，循迹子系统具有可实现自动导引的优点，颜色识别子系统具有辅助分类管理物料的优点，测距子系统具有提升系统安全性的优点，而IAP15F2K61S2单片机的优点在于内部集成高可靠复位电路、PCA（可编程计数器阵列）模块和EEPROM（电可擦除只读存储器）模块，可简化电路，便于控制，掉电保存重要数据；

（3）本实用新型中，创造性地将循迹子系统、颜色识别子系统和测距子系统相结合，为自动分拣搬运物料提供了安全可靠的方案，提高了传统搬运小车的检测感知能力，解决了物料分类和信息管理问题，提高了搬运系统的环境适应能力和工作效率。

附图说明

图1为实施例1的系统方案图；

图2为实施例1中传感系统的电路图；

图3为为实施例1中驱动系统的电路图；

图4为实施例1中循迹导引模块的工作原理图；

图5为实施例1中测距防撞模块的工作原理图；

图6为实施例1中颜色识别模块工作原理图；

图7为实施例1中机械手的结构图；

图8为实施例1中机械手模块的舵机原理图。

图中，1、左臂；2、右臂；3、固定板；4、舵机。

具体实施方式

本实施例提供的一种自引导式智能搬运小车，如图1所示，包括车体、车轮和搬运模块，车体内设有相互电连接的传感系统、单片机和驱动系统，传感系统包括分别与单片机电连接的循迹导引模块、测距防撞模块、和颜色识别模块，驱动系统包括与单片机电连接的警报模块、显示模块、电机驱动模块和机械手模块。系统整体所采用的电路如图2和图3所示。

如图4所示，循迹导引模块采用TCRT5000红外光电反射式传感器，红外信号经红外发光二极管送出，由光敏三极管接收反射光，利用黑色引导条带和浅色地面反射光强的差异来感知路况，适用于1cm～10cm近距离路况识别，TCRT5000主要由两部分组成，分别是高发射功率的红外发光二极管和高灵敏度的光敏三极管。

其工作原理如图4所示，红外发光二极管持续向路面发射红外光，若红外光照射在黑色引导条带上，则红外光被条带吸收，光敏三极管截止，光敏三极管集电极电压与电位器预置的门限电压通过电压比较器进行迟滞比较后，输出高电平给单片机，同时指示LED熄灭；

若红外光照射在浅色地面上，则被反射，光敏三极管接收到反射光后，饱和导通，经电压比较器进行迟滞比较后，输出低电平给单片机，同时指示LED点亮，单片机根据两路传感器输出端TTL电平信号的高低，判断小车的位置或方向。另外，可通过调节电位器改变电压比较器的门限电压，以调节探测距离。

如图5所示，测距防撞模块采用HC-SR04超声波传感器，利用压电晶片的压电效应和逆压电效应，来发射和接收超声波，适用于0.02m～4m近程测距。HC-SR04的测距过程主要包括发射波的产生、反射波的辨别和距离数据的计算。

具体工作原理如图5所示。单片机调制输出40kHz方波信号，经功率放大器送至发送器，由于逆压电效应，高频波动电压使得发送器内的压电晶片产生高频振动，形成的40kHz的超声波从发送器发出；

若超声波在传播途中遇到障碍物，则被反射，反射波压迫接收器内的压电晶片使之受力，压电晶片因压电效应而产生电信号，该电信号经前置放大器和带通滤波器的放大过滤，输出电平信号跳变，代表反射波已到达，由单片机捕获；利用单片机定时器记录发射波与反射波的间隔时间，由下式可计算得出距离值：

式中：△d为传感器与障碍物的距离，（单位为m）；C为1标准大气压和15℃的条件下的声速，（单位为m/s）；△t为发射波与反射波的间隔时间，（单位为s）。

如图6所示，颜色识别模块采用TCS230颜色传感器，利用光电二极管的光伏效应，以及CCO（电流控制振荡器）原理，完成光信号至脉冲信号的转化，以输出脉冲信号的频率值表示待测颜色的RGB（红绿蓝）分量值，适用于检测物体反射光线的颜色种类。

TCS230具体工作原理如图6所示，其内部集成8×8光电二极管阵列，按16个一组分为4组，其中一组未覆盖滤光器，另外三组分别覆盖有红色、绿色和蓝色滤光器，这三组光电二极管负责采集待测光源的三原色光信号，并产生对应的三种光电流，电流信号经内部电流/频率转换电路处理后，分别转化为与三基色分量值相对应的变频率脉冲信号，输出给单片机；

单片机计数器依次记录这三种脉冲信号在同一时长（10ms）内的脉冲个数，由于传感器对三原色的敏感性不同，对输出脉冲的频率值造成了一定误差，所以需将三种脉冲个数按照白平衡比例因子放大或缩小加以修正，得出准确的RGB值。白平衡比例因子通过以下方式得出：将白色的实测脉冲个数{a，b，c}，与标准RGB值{255，255，255}相除，所得三个比值{a/255，b/255，c/255}即为比例因子。

本实施例中的电机驱动模块采用型号为1A120-1812L直条单轴减速马达。驱动芯片采用L298N，内部集成双H桥高电压电流全桥式驱动器，控制接口采用标准TTL逻辑电平信号，适配于IAP15系列单片机。电源端分为逻辑控制电源和电机驱动电源，分别为5V和7.4V。

L298N有6路输入通道和4路输出通道，IN1、IN2、IN3、IN4为方向输入端，接入单片机I/O口，控制电机的旋转方向，ENA、ENB为使能输入端，控制两台电机的启停，将使能输入端与单片机中PCA模块相连接，即可实现PWM脉宽平滑调速，从而使小车两轮差速旋转，实现转向功能。

机械手模块采用单自由度机械手抓取物料，由左臂、右臂、固定板和MG995型舵机组成，其结构如图7所示。机械手由MG995驱动，MG995是一种角度伺服驱动器，适用于驱动运动机构中，需准确控制转角并维持力矩的旋转构件。

MG995是一个典型闭环控制系统，其工作原理如图8所示，PCA模块生成定频调宽脉冲信号（频率为50Hz，脉宽为0.5ms～0.9ms），输入至舵机控制电路，舵机内部直流马达开始转动，经减速齿轮组缩小转速并放大扭矩，通过舵盘将扭矩输出至机械手。

同时，齿轮轴与一个线性比例电位器联动，该电位器将舵盘转角转换为一比例电压反馈给控制电路，控制电路比较该反馈电压与控制脉冲信号是否相符，产生纠正脉冲，使齿轮组的输出角度达到期望值，在该纠偏控制过程中，纠正脉冲逐渐趋于零，最终达到使舵机输出轴旋转至指定角度的目的。

警报模块由ISD1820磁带回线记录芯片、驻极体式咪头和低功率扬声器组成。ISD1820利用了DAST（多电平直接模拟量存储技术）记录声音信号，适用于8～12秒语音信息记录与播送。

当REC按键持续按下时，ISD1820处于录音工作状态，驻极体式咪头随着不同频率和振幅的声波信号产生相应动态变化的电压信号，信号经ISD1820芯片内部自动增益控制器、防混淆滤波器、平滑滤波器的调理优化后，利用DAST技术，将信号频率和振幅的采样值存储在片内FLASH RAM（快速随机存取存储器）阵列中；

当PLAYL按键持续按下时，ISD1820处于放音工作状态，FLASH RAM存储的模拟量被传送至音频放大器，由扬声器输出还原后的声波，当PLAYE按键按下时，ISD1820接收到上升沿信号，放音过程与PLAYL按下过程类同。

显示模块采用LCD1602液晶显示器，LCD的主要原理是：通过电流刺激液晶分子扭转背光方向，来控制各像素点的显示，其适用于显示ASCII（美国信息交换标准代码）字符或简单图形。

在LCD1602的液晶控制器HD44780中，通过D0～D7并行通信接口，将字符ASCII（美国信息交换标准代码）写入DDRAM中的存储空间；在CGROM中，保存有每一种字符的5×8点阵字模数据库；

另外，存储器预留了一部分CGRAM（字符发生随机存取存储器），可由软件将自定义点阵数据写入其中，即可实现库外字符的显示。当需要在某位置显示某字符时，按规定时序向DDRAM中写入待显示字符的ASCII，从CGROM找到与之匹配的字模点阵数组，由CGROM输出点阵数据，点阵对应位置处的液晶分子两端产生电压，液晶发生扭光效应，使LED背光无法从该位置通过，该像素点形成黑色阴影，通过控制多个像素点的显示与否，组成各种字符。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。