智能搬运小车实验报告

智能搬运小车

摘要：本设计以实现电动车搬运铁片的智能化为目的，利用单片机MSP430G2553作为小车的控制核心；采用PWM驱动芯片控制电机动作；车身前后布置了多个红外反射式光电传感器用于对黑色边界线的检测，辅助小车定位，同时利用红外进行避障；此外还安装了舵机摆杆，接近开关检测铁片、红外反射式光电传感器和电磁铁组成的模块实现了对铁片的检测、颜色识别和搬运功能。加之独特的软件算法，实现了对小车行进路线及铁片搬运的精确控制。另外，设计中我们设计了电池低电量报警模块，整个系统功能全面，能完成题目的各项指标。

关键词：智能小车、搬运铁片、金属检测、电磁铁

目录

一、方案论证与选择 (3)

1.试题分析 (3)

2.车体的选择 (3)

3.电机的选择 (3)

4.摆杆电机的选择 (3)

5.电机驱动方式的选择 (3)

6.地面黑线检测和铁片颜色检测模块 (4)

7. 搬运工具选择 (4)

8.寻找铁片和避障方案 (4)

二、系统具体设计与实现 (5)

三、各单元电路的设计 (5)

1.电机驱动模块 (5)

2.红外模块 (6)

3.金属检测模块 (6)

4.电磁铁模块 (7)

5.声光报警模块 (7)

四、系统软件设计分析 (7)

五、系统测试 (8)

1.测试方法 (8)

2.测试结果与分析 (8)

六、总结分析 (8)

七、参考文献 (8)

一、方案论证与选择

1.试题分析

本题要求利用多种传感器协调配合，设计一辆具有一定适应能力的自动智能搬运小车。小车能在有一定范围内的场地探测到金属并根据金属片的颜色，在规定的时间内，能成功避开障碍物将其搬运到不同的货物储存区。根据题目要求，设计应有电机驱动，控制模块，场地黑边线检测模块，避障模块，金属探测与颜色识别模块，电源模块，电磁铁模块，电源模块，显示模块，声光提示模块及单片机控制模块。由于本设计属于移动性高精度实时控制系统，因此模块必须具有高精度，稳定性强，多种传感器综合控制，智能控制等诸多性能要求。

2.车体的选择

方案一：用玩具小车，选用其车体的主体结构再加以改造，在玩具商店很容易买到。但其驱动能力较差并且其转弯效果均不理想。

方案二：自制简易小车，车体的大小与外型完全由我们决定且驱动电机选择型号可以选择，但在短时间内装配一简易小车很有难度。

3.电机的选择

方案一：采用直流电机。其中直流电机使用方便，价格便宜，但运动精度较低，难以实现精确的位置控制。如用直流电机调整输液瓶的高度，将难以控

制其精确位置，系统稳定性较差，较难达到题目的要求。

方案二：采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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（及步进角）。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；同时也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。

我们小组最后选用步进电机，自制三轮车，前轮用两个步进电机，后轮用万向轮，转弯灵活。

4.摆杆电机的选择

方案一：采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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（及步进角）。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；同时也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。

方案二：采用舵机。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反

馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将

输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在

位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。体积紧凑，便于

安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于和数字系统接口。

舵机体积小，安装轻便，控制简单，所以我们采用舵机来控制摆杆。

5.电机驱动方式的选择

方案一：采用L298N驱动芯片。用L298N驱动该四相的步进电机，其输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出的电压，通过单片机对L298N

的IN1~IN4口和ENA、ENB口发送脉冲信号来控制电机的转速和方向。方案二：采用L297驱动器加L298N组成的步进电机控制电路,该电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并

且单片机硬件费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工

作电流可达2.5A， L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。

相位是由内部产生的，因此可减轻单片机和程序设计的负担。

方案三：采用东芝细分芯片THB7128。它内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的

驱动电路。且振动低、噪声小、转动平滑。本系要求电机转动角度小，

且平滑，这样可大大提高精度。

6.地面黑线检测和铁片颜色检测模块

方案一：采用红外对管检测。一般自然光线中红外线频段能量较弱，而且红外线波长较长，近距离衰减小，这样在一定程度上能避免外界光源干扰，可

以更为可靠的探测近距离的黑线。

方案二：采用光敏电阻检测。光敏电阻对光强敏感，当光强时其电阻较小。黑线和白纸对光的反射能力不同，所以可以利用这一性质，判断黑线的位置。

在车下面，光强较弱，会在一定程度上影响光敏电阻的功能，且还有钨丝灯对光敏电阻的影响，不同的地方光强不一样。另外，光敏电阻对光强有一定的反应时间，实时性不如红外对管，难以达到小车循迹的要求，所以我们选择方案一。

7. 搬运工具选择

方案一：使用机械手捡取铁片。此方案结构复杂，且难以控制。

方案二：使用电磁铁吸取铁片。简便易行。

采用方案二。

8.寻找铁片和避障方案

方案一：因为题目中以给定铁片放置的位置，并且由于我们所选用的电机为步进电机，故我们完全可以通过计算起跑线至放置铁片的直线（铁片线）的

距离，以及储存库距铁片线的距离，同时通过记录行驶的里程位置等数

据，实现小车的各项功能，此算法较简单，但在初步调试过程中发现由

于电机性能、路面平整性等影响，轮胎又太软，所以直线行驶累计误差

较大。

方案二：由于我们已知铁片的放置位置，小车活动区周围有黑线边界，而且在铁片存储库有光源引导，而且步进电机在较小范围内运动时具有直线前进、设定任意值转弯等优势，故我们可以考虑在小车在出发时沿黑线走，检

测到黑线时能根据传感器信号作运动方向调整，至底线时调头180度并

行驶小段距离以到达铁片线位置，然后再转向90度检测铁片，入库时依

据光敏三极管导向等等一系列措施。此方案算法复杂，但可靠性高，有

效地利用了题目提供的各种条件。

方案三：我们采用黑色边界来对小车定位，走到底线时，垂直伸出摆杆，在距底线30cm处进行搜索铁片。在避障上，我们采用红外避障，具体路线如