智能寻物小车的设计与分析

引言

近年来,我国工厂数量和种类逐渐增多,其中包括一些具有高辐射区域、粉尘或有害气体的工作车间、无菌环境以及一些狭窄间隙等,当需要在此环境中拿取小物品时,就大大增加了员工工作的危险系数,降低了工作效率。此外,在日常生活中也会出现一些尖锐的铁质小物件掉落不易寻找的情况,尤其掉落到地毯上更是难以寻找,存在安全隐患。因此,本文设计了一种智能寻物小车用于寻找铁制零件和一些小物件。当摄像头发现目标物体(未知）后,金属探测仪检测是否为铁制品,如果是铁制品,则使用电磁铁,按下遥控器,此时与电磁铁相连的发光二级管点亮,小车向前行驶的过程中观察与特制检测板相连的二极管,当二极管发光时,说明物体成功被吸取:若没有,则继续寻找物体直到二极管发光,即成功拾取物体。如果检测不是铁制品,则使用机械臂抓取。拾取系统的具体工作流程如图1所示。

1车体整体设计

车体是小车的硬件基础,根据小车功能,对其余电子元件进行合理的位置排布,使小车可以正常工作。考虑到本智能小车所需电子元件较多,而履带式移动载体的支撑面积大,对地面压力较小,履带支撑面上附有多条棱起,移动时不易产生滑动,牵引附件能力好,有较好的越障能力,可以更好地适应路面,所以本产品选用了履带式移动载体作为车体。

车壳采用硬质纸壳通过测量、裁剪,与车体完美结合,用不规则黑色绝缘胶带加以装饰,提升了小车美感,并与整车色调相协调。

2机械臂组装及调试

本款智能寻物小车的机械臂由6个型号为TBs2701的单轴舵机和若干连接件组成。六自由度机械臂具有高速、灵活、易操控等优点。本车机械臂最大伸展长度接近40cm,可夹持范围在机械臂可伸展长度内的任一三维坐标点。

组装完成后要对舵机自动回正的方向进行调整,使电源开启时机械臂在自动回正程序的控制下处于竖直状态。再对Ps手柄和接收器进行对频,使其完成信号连接,达到控制机械臂的目的。

3视频监控实现步骤

通过树莓派远程桌面与小车上的摄像头实现对接,实时观察小车周围情况及各指示灯工作状态。具体操作流程及代码如下:

通过mjpg-streamer网络视频监控wi-Fi遥控小车,编译mjpg-streamer软件,下载并修改源码,mjpg-stream支持JPEG和YUV两种格式,本文摄像头使用Yuv格式,编译程序:

cpp代码:

1cd~/mjpg-streamer/

2makeUsE一LBV4一2Itr=ecuealauu开启mjpg-streamer:

s=dn./start.sh

然后在浏览器地址栏内输入树莓派LP地址,端口号8080,页面会显示关于MJPEGstreamer的信息:点击stream会实时显示摄像头拍摄的内容。因程序文字数量大,本文只介绍视频监控的实现步骤。

4电路及部分电子元件工作原理

本智能寻物小车的电路较多,多为独立电路,本文对电磁铁控制电路、遥控开关原理、金属检测模块工作原理和自主设计的检测铁制零件是否被吸引的检测电路进行简单说明。

电磁铁的电路控制主要是利用自锁的工作方式,通过遥控开关远距离控制电路通断。此电路中二极管与电磁铁并联,当按下遥控开关后,二极管发光,说明电路接通。

小车使用5V遥控开关,电源采用50mA以上的直流稳压电源,通过点动式方式工作。小车所使用的遥控器接收板适用于多种控制电路。遥控开关模块继电器接点独立输出,更适合于直接控制各类负载:采用无线编码技术(隔空对码）,无方向性,开关互不干扰。另外,接收板每路可承受10A电流,可以直接驱动直流/交流负载。遥控开关构造图及电路连接图如图2所示。

金属探测模块用于检测智能寻物小车所经之处是否有金属物件,为之后控制电磁铁的通断电提供信号。金属探测模块主要由三极管、电位器、色环电阻、发光二极管等组成。

人工特制检测板由铜丝和电路板焊接而成。当导电物体被电磁铁吸引后,会与自制的检测板上的铜丝接触,使电路通路,二极管发光,因此通过检测板即可检测到是否吸引到目标(铁制品）。

5实验数据

Ps手柄的最远遥控距离:20m:

电磁铁遥控的最远遥控距离:≤100m:

机械臂举重能力:≤270g:

机械臂可夹持物品大小:宽度≤80mm,长度500mm左右(保持水平状态下）:

检测是否被吸引的铁制零件最小直径(宽度）:3mm。

6数据分析

测试不同型号的电磁铁最大吸引距离实验,所选用的电磁铁额定电压均为12V,功率随型号的不同而改变,型号则根据所需吸引物的最大质量决定。由于本小车需要隔空吸引铁质物件,电磁铁型号的选择以实验最终效果而定。经过多次实验取平均数,本款小车最终采用型号P30/22的电磁铁能达到最佳效果。

不同型号的电磁铁最高吸引高度如表1所示。

检测是否被吸引的自主设计电路由于手工焊制铜丝间距而很难保证完全一致,存在一定误差,经多次实验发现,最小可检测到的铁制物件为3mm(由于人工测量,实验数据存在一定误差）。

7结语

随着零件精密性的提高,小物件丢失的情况越来越频繁,尤其在一些工厂及不易进入的密闭空间内,快速寻找细小零件成为了亟需解决的问题。而本文设计的智能寻物小车,可通过图像回传告知拾取人,然后通过机械臂抓取非铁制品,或者通过金属检测模块检测,用电磁铁吸取铁制品,解决了细小零件丢失寻找困难和恶劣环境取物件不便的问题。