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摘 要
随着我国经济的高速发展，我国业已成为当今全球工业品类最齐全的名副其实的“世界工厂”。由此，物流行业得到快速发展，快递包裹的递送数量迅速增长。在物流公司的仓库和物流中转点，每天有大量的快递需要装卸和搬运，如果采用人工处理的话不仅效率较低，而且会耗费大量的劳动力，增加了物流企业的经营成本，给物流仓储企业带来了很大的困扰。
针对以上问题，本文设计了一款远程视像搬运小车，小车采用模块化设计，由主控模块，摄像头模块，颜色识别传感器模块，电机驱动模块与机械臂等模块组成，主控模块采用树莓派4B，能够用于处理各种传感器收集的数据，控制和驱动各个模块的工作。通过PYTHON3等软件进行编程，同时不断进行实物调试测试，小车可以实现对任务的读取、颜色识别、物料抓取、物料搬运。本设计系统结构比较简单、稳定性好、且性价比较高，灵活可用性强，能够基本达到智能物流的需求。
关键词：颜色识别；物料抓取；物料搬运
ABSTRACT
With the rapid development of our economy, our country has become the most complete category of global industry, the veritable “world factory”. As a result, the logistics industry has developed rapidly, and the number of express packages has grown rapidly. In the warehouses and logistics transfer points of logistics companies, a large number of express needs to be loaded, unloaded and transported every day. If manual handling is adopted, it is not only inefficient, but also consumes a large amount of labor force, which increases the operating cost of logistics enterprises and brings great troubles to logistics warehousing enterprises.
In view of the above problems, this paper designs a remote video handling trolley, the trolley adopts a modular design, consisting of the main control module, camera module, color recognition sensor module, motor drive module and robotic arm and other modules, the main control module adopts Raspberry Pi 4B, which can be used to process the data collected by various sensors, control and drive the work of each module. Through PYTHON3 and other software programming, while constantly carrying out physical debugging tests, the trolley can realize the reading of tasks,color discrimination, material grabbing, and material handling. The design system structure is relatively simple, stable, cost-effective, flexible and available, and can basically meet the needs of intelligent logistics.
Key words:color discrimination ; Material grab;Material handling
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 主要研究内容 3
第2章 系统的总体结构 4
2.1 总体方案设计 4
2.2 功能需求分析 4
2.2.1 技术路线 4
2.3 单片机型号选择 5
第3章 系统的硬件部分设计 6
3.1 系统总体设计 6
3.2 系统的主要功能模块设计 6
3.2.1 蜂鸣器电路模块设计 6
3.2.2 YX4055AM驱动电路模块设计 7
3.2.3 按键电路模块设计 7
3.2.4 颜色识别传感器模块设计 8
3.2.5 USB单目摄像头模块设计 8
3.2.6 舵机模块设计 9
3.2.7 WiFi通讯模块 9
第4章 系统的软件设计 10
4.1 系统的总体流程 10
4.2 蜂鸣器报警电路模块软件设计 11
4.3 驱动电路软件模块设计 12
4.4 按键电路模块设计 13
4.5 颜色识别模块软件设计 14
4.6 摄像机模块软件设计 15
4.7 舵机模块软件设计 16
4.8 WIFI通讯模块软件设计 17
第5章 系统测试 18
5.1 系统实物图 18
5.2 测试原理 19
5.2.1 硬件实物测试 20
5.2.2 软件调试——树莓派系统的基本操作 21
第6章 总结与展望 22
6.1 总结 22
6.2 展望 22
参考文献 23
致 谢 24
附 录 25
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
随着工业自动化、智能化和信息化的加速，自动控制正在逐步取代传统人工控制[1]。物料搬运的需求增大，无论是建筑工地的建材搬运还是物联网的仓储管理，都离不开物料搬运[2]。小车搬运系统已经融入了社会生活的方方面面[3]。然而，传统的小车搬运系统存在着操作繁琐，人工成本较高等问题[4]。采用增量式PID算法设计了一种分拣搬运机器人，通过控制X轴和Y轴减速电机实现物体的搬运，采用树莓派4B为控制核心，结合抗干扰黑线提取算法、轨迹图像采集算法及PID转向控制算法，设计了一种智能搬运小车的结构，结果表明设计的智能小车能根据自身的位置、速度及方向适时调节，稳定、快速的到达指定位置[5]。
我国物流与采购联合会的《中国物流年鉴(2003)》中对自动化物流系统定义为:自动化物流是集光电信息技术为一体的系统工程，随着信息技术的发展，它具有更广阔的外延，典型的自动化物流技术主要包括自动化立体仓库系统、自动输系统、自动引导车系统AGVS机器人作业系统和自动控制系统等。这些自动化物流系统涉的相关的技术，主要包括自动仓库技术、分拣自动化技术、自动引导车(AGV)技术等。自动引导小车，是指装配了传感器，能够感知工作环境沿规定的路径行驶，并且可以设置运行参数的全自动小车[6]。随着科学技术的进步，物资仓储管理也有了更多的选择性，通过电子信息化建设，能够更好地提高物资仓储管理效率[7]。因此，自动引导小车在智能制造领域的应用越来越广泛。能够大量节省人力物力，人们在日常生活中，也切实地享受到了其带来的便捷，例如，快递分拣小车、火灾现场寻路、扫地机器人等等[8]。对于人力搬运而言，以往会使用人工叉车进行搬运，工作效率较低，而且存在危险[9]。使用自动引导小车不仅可以在无人监控的状态下正常运行，同时也可以通过在车的四周装上一些避障传感器来有效地躲避障碍物，有效地将人员的伤害降到了最低点[10]。
近年来，随着我国自动化技术的不断发展，智能搬运小车的发展主要由机械结构部分和硬件控制电路部分组成,具有场地目标位置识别、自主路径规划、自主移动、二维码读取、物料颜色识别或形状识别、物料抓取和搬运等功能[11]。
1.2 国内外研究现状
随着社会经济的迅速发展，工业搬运小车逐渐发展起来，进一步提高生产与分拣效率正成为行业的发展趋势，同时具有庞大的市场需求[12]。
2022年，杨日容在《基于直流电机的智能搬运小车设计与实现》文中谈到设计了基于单片机控制的智能搬运小车，融合了计算机、传感器、自动控制原理、通信技术和人工智能等多个学科为一体。能够通过各类传感器对物料、路径以及外部环境进行多方位的感知与识别[13]。
2021年，叶昊宸，王会良，张志高在《基于单片机控制的智能物料搬运小车的设计》文中介绍了小车整体由电路硬件系统、机械系统和软件系统三个系统构成。软件系统通过程序编写并烧录至单片机，控制主控模块芯片与ArduinoNano单片机，从而用于小车整体识别、通信与控制等过程的实现。机械系统负责执行相关运动任务，实现任务目标[14]。
2020年，林健全，刘浩捷，孙伟卿在《基于STM32的智能物料搬运小车》文中讲到，文以智慧工厂中常见的搬运小车为研究对象，给出了小车总体结构、硬件设计、软件设计、系统联调四个主要设计内容，最终实现了智能搬运小车常见的沿线走、避障、站点设计、到站停、显示路程等功能[15]。
2023年，Vlachos Ilias P.,Pascazzi Rodrigo Martinez,Zobolas George在《Lean manufacturing systems in the area of Industry 4.0: a lean automation plan of AGVs/IoT integration》文章中讲到将自动导引车(AGV)和物联网(IoT)来制定计划,帮助管理者将工业4.0技术集成到他们的制造系统中,实现精益自动化，通过自动化提高效率[17]。
2023年，Demir Mehmet Hakan,Demirok Mehmet在《Designs of Particle-Swarm-Optimization-Based Intelligent PID Controllers and DC/DC Buck Converters for PEM Fuel-Cell-Powered Four-Wheeled Automated Guided Vehicle》文中指出对于自动导引车（AGV），以最大的能源效率最大化运行时间是提高工作效率的最重要因素。将开发基于粒子群优化（PSO）的智能PID和I控制器，以最大限度地提高AGV的路由跟踪性能和DC/DC转换器的电压跟踪性能，同时降低功耗[18]。
2022年，Steclik Tomasz,Cupek Rafal,Drewniak Marek在《Automatic grouping of production data in Industry 4.0: The use case of internal logistics systems based on Automated Guided Vehicles》文中提出一种基于流信息的AGV工作类型自动检测方法。通过K-meanss和DBScan两种不同经典聚类算法得到的结果比较。结果表明可用这两种方法之一自动检测AGV所执行的工作类型,并检测新的、以前未知的类型[19]。
2021年，Prabowo Y A,Imaduddin R I,Pambudi W S在《 Identification of automatic guided vehicle (agv) based on magnetic guided sensor for industrial material transfer》中对采用磁导式传感器的AGV设计一种控制器，来精准控制AGV运作[20]。
2019年，Alexander A S Gunawan,Valdi Stevanus,Albertus Farley在《Development of Smart Trolley System Based on Android Smartphone Sensors》中通过使用IOIO微控制器和Android智能手机作为传感器和控制器设计的智能小车[21]。
综上所述，近年来，随着工业AGV小车和汽车电子的迅速发展，智能小车得到了广泛的研究，所以对于搬运小车的控制研究也越来越多[16]。
1.3 主要研究内容
通过PYTHON3等软件进行编程，同时不断进行实物调试测试，小车可以实现对任务的读取和不同颜色物料的识别。准确完成按照指令进行物料的抓取、物料的搬运，满足搬运小车运行的设计目标。
该系统应完成的主要功能有:
1.使用WIFI通信技术，手机端上位机；
2.用户可在手机端进行功能选择切换：手机遥控、颜色识别；
3.用户可在手机端接收搬运小车回传来的画面；
4.用户可在手机端控制搬运小车移动；
5.搬运小车可通过摄像头实时采集画面并回传到手机；
6.搬运小车可接收手机端指令控制；
7.搬运小车可完成物体抓取，搬运功能；
8.搬运小车可完成颜色识别追踪功能；
第2章 系统的总体结构
2.1 总体方案设计
为实现搬运不同颜色的物料，响应智能制造发展的要求，设计了一款远程视像搬运小车控制系统设计。该小车采用模块化设计，由主控模块、摄像头模块、颜色识别传感器模块、电机驱动与机械臂等模块组成。主控模块芯片采用树莓派4B，能够用于处理各传感器收集到的数据，控制或驱动各个模块的工作。
图2.1 系统模块框图
主控模块以树莓派4B为核心，发布的指令通过树莓派传输至舵机和小车，操控二者上下（左右）运动。摄像头装在舵机上，采集周围图像信息后传输至上位机。数据通过WIFI模块上传至云端，上位机在通过WIFI连接获取云端数据，使得能够实时查看摄像头拍取的画面。同时上位机也可通过WiFi模块完成远程操控。
2.2 功能需求分析
