2021-工程实践与创新大赛-智能物流搬运

Posted 2021-10-23 Poaoz

Background

继西门子杯智能制造挑战赛后，俺参加了第七届工程训练大赛（现在改名叫“中国大学生工程实践与创新能力大赛”），后续文章皆简称“工训赛”。工训赛（智能物流搬运赛项）涉及的内容较丰富，也算是圆了我“熬夜做比赛，做出点东西”的梦，为此也有必要写上些许文章，记录一下不是？于是便有了工训系列文章。

须知：我们的方案很多地方是存在缺漏的，但当时鉴于时间及金钱原因，故未改。so，后续介绍的方案，切勿直接照搬。

工训赛系列文章包括三大部分，方案设计、器件调试、程序框架。后续文章更新后，都将补充相关内容到此文中。

三个部分只是我的粗略划分，不用太计较。

搬运小车方案总述

arduino mega2560 mini、42步进电机（drv8825）、麦克纳姆轮（七英寸）、十六路机械臂控制板（五自由度机械臂）、hwt101（测yaw）、灰度寻迹模块（单路24）、openmv4（加补光灯）、串口屏。

比赛场地看这里： Poao：工训物流搬运机器人物料及赛道—2021
比赛视频：https://www.zhihu.com/zvideo/1369967763247693824

选型概述

一、主控选择
2021年没啥限制，主控制板没啥限制要求。（可树莓派）其中比较常见的选择为stm32的f4系列或arduino mega2560。秉承谁简单用谁的原则，我们选用的自然是mega2560。 mega2560有4个硬件串口，一个iic，16路模拟输入，50多个数字io口，完全够用。（尺寸 54*38 mm 重 8.7g）

使用情况:
1）机械臂控制板，hwt101，openmv各占用一个硬件串口； 2）串口屏占用两个数字引脚，模拟软串口；
3）十六路寻迹模块占用16个模拟输入引脚； 4）四个步进电机的step/dir占用8个数字引脚，使能端en占用一个数字引脚。
（共计3个硬件串口，16个模拟输入，11个数字io）

二、驱动方案

Poao：2021-工训搬运机器人-行进方案(步进电机+麦克纳姆轮)

依旧秉承以“极简”的方案实现功能，小车的驱动方案选用步进电机与麦克纳姆轮。 驱动电机也可选择直流减速带编码器电机，无刷电机（如大疆的电机）。我们选择步进电机主要考虑到两点。

其一，步进电机以脉冲驱动，控制精度高，控制算法简单，开环控制即可实现不错的效果；其二，步进电机的转矩大，劲儿大，且不容易坏掉。 补充（步进电机控制板相关内容 ）
Poao：四路步进电机驱动板（工训小车）— A4988/DRV8825
Poao：42步进电机驱动—A4988/DRV8825调节

至于轮子的选择，亦有麦克纳姆轮，全向轮，普通轮子可选。这个没咋想，麦轮安装方法，用起来也简单，所以就选了麦轮。

三、机械臂控制

2021/10/1 更新：
Poao：2021-工训搬运机器人-机械臂动作顺序

我们的机械臂结构与tb上的六自由度机械臂类似，多次拆装后更改为五自由度。五个舵机最终选用十六路舵机控制板控制，机械臂控制板通过串口与主控板进行通讯。

1）采用上位机进行机械臂动作组的调试；
2）动作组皆烧录到机械臂控制板中；
3）主控板直接控制机械臂控制板执行对应动作组。

四、循迹选型

2021/10/2 更新：
Poao：2021-工训搬运机器人-循迹编程思路

寻迹模块尝试过红外寻迹与灰度寻迹，最终采用灰度寻迹模块。为避免阳光对寻迹模块的影响，寻迹模块配备了黑色的挡光罩。（鉴于资金有限，实际仅使用了10个单路灰度寻迹。）

五、姿态校准

2021/5/11 更新：
Poao：2021-工训搬运机器人-HWT101

尽管步进电机精度高，但受到各种因素的影响，我们无法保证小车始终走直线，难免会有整体的角度偏移。除外，由于机械臂抓取放置物料的动作组是开环的（提前调好的动作组），为保证较好的色环放置精度，只能尽量保证小车每次都跑到固定的位置（定点，同时车身不偏移）。
综上，我们需求为一个可以精准测量yaw角的陀螺仪。可供选择的陀螺仪很多，有mpu6050/9250（iic），需要通过算法估算yaw角；有jy901（iic/uart），可直接通过串口获取模块解算的yaw角，但测量环境最好远离磁场，测量的yaw角也存在着累计偏移。
总之，可供选择的陀螺仪很多，但都存在着累计偏差，磁场干扰等问题（我们小车底板是3mm铁板）。 最终选择了一款价格比较昂贵的模块，hwt101。 只能输出yaw角及z轴加速度，抗干扰能力强，几乎无偏移，效果很好。

六、二维码与物料识别

2021/4/25 更新：
Poao：2021-工训搬运机器人-openmv识别

搜寻往届资料，二维码和物料颜色识别的方案无外乎两种，即二维码识别模块（如微雪二维码识别模块）和颜色识别模块、openmv。 大概是因为我们手头有两个openmv，故都采用openmv实现了，效果也不错。（openmv的二维码识别与模块相差不大，但其颜色识别快很多，一次识别上下两层物料顺序。）

后续文章汇总

我的大部分文章都写于知乎，可能会陆续搬运至csdn

一、方案设计（完结）

搬运小车方案总述：
Poao：2021-工训搬运机器人-搬运小车方案简述
1）行进驱动方案：
Poao：2021-工训搬运机器人-行进方案(步进电机+麦克纳姆轮)
2）循迹定位方案：
Poao：2021-工训搬运机器人-循迹编程思路
3）机械臂动作顺序：
Poao：2021-工训搬运机器人-机械臂动作顺序
4）识别方案（二维码+物料）：
Poao：2021-工训搬运机器人-openmv识别

二、器件调试（一半）

1）步进电机驱动：
Poao：四路步进电机驱动板（工训小车）— A4988/DRV8825
Poao：42步进电机驱动—A4988/DRV8825调节
2）HWT101测姿态角—矫正车姿：
Poao：2021-工训搬运机器人-HWT101
3）串口屏—显示任务码及调试信息：
4）机械臂控制板：

三、程序框架（待更新）

赛前程序框架介绍
1）循迹计数详讲
2）步进电机行进程序
3）机械臂动作顺序解算
4）机械臂功能函数封装