基于STM32单片机的智能物流小车设计

0引言

电子商务的飞速发展和智能制造的崛起,正引领仓储物流领域经历一场深刻的变革。随着电商平台订单量的指数级增长和消费者对物流时效要求的不断提高,传统仓储物流系统面临着前所未有的挑战。

在传统的仓储物流作业模式中,人工分拣和搬运工作劳动强度大、作业效率低,平均每个拣货员日行走距离超过15 km,而且人力成本持续上升,物流企业的人工成本已占运营成本的40%以上。由此可见,传统的手工仓储物流方式已无法满足日益增长的物流需求。智能物流小车作为现代物流系统中的重要组成部分,因其灵活性高、成本效益好等特点而备受青睐。因此,设计一款适应性强、安全可靠的智能物流小车具有现实意义。

本文设计了一款基于STM32单片机的智能物流小车,具备自主导航、灵活遥控、结构紧凑、造价低廉等优点,适用于小型商超、仓库等场合。该智能小车提高了仓储物流运作效率,减少了人力资源浪费,有

利于推动物流行业智能化发展。

1 总体设计

该智能物流小车采用机电一体化模块设计,由车体机械结构和嵌入式控制系统两部分组成。车体机械结构包括底板、电池、物料盒、轮组、电机等部分。嵌入式控制系统以STM32单片机为主控制器,搭载树莓派、蓝牙模块、视觉导航系统、循迹模块等。系统设计框图如图1所示。

2 车体机械结构设计

2.1 车架设计

该智能物流小车采用两层模块化车架设计,结构示意图如图2所示,通过垂直空间分层优化空间布局,兼顾功能集成与运行稳定性。底板作为底层功能层,集中布置核心组件:Delipow—12 V—2200 mAh锂离子电池组负责为整个系统提供稳定且适宜的电能,STM32F103主控制器与树莓派RaspberryPi 4B形成垂直空间布置,蓝牙模块实现无线通信。底板前部竖立摄像头支架,并设有能够锁定的阻尼转轴和高度调节板,用于固定摄像头模块。上层板作为工作作业层,安装有可拆卸物料盒。该两层模块化车架设计,通过空间压缩、核心部件防护和低重心布局三项设计理念,将小车的主控制器和电源保护在车体内部,显著提升了智能物流小车在复杂拥挤的工作环境中运行的灵活性和稳定性。

2.2运动模块设计

该智能物流小车采用“两驱一万向”的轮式布局,通过两个直流驱动轮和一个被动万向轮构成差速驱动系统。选用AT8236芯片作为电机的驱动模块,接收来自STM32控制器的PWM信号,将PWM信号转换为电机驱动电压,为电机运行提供支持[1]。系统通过调节输入的PWM信号占空比,可以精确实现电机的闭环控制,从而实现智能物流小车的运动。

该智能物流小车的差速运动学模型如下:

1)匀速直线运动:当左右两驱动轮以相同的方向、相同的速度旋转,即采取相同的PWM占空比时,小车实现匀速直线运动。

2)变速运动:当控制左右两轮的PWM占空比同步增加/减少时,可以实现小车的加速/减速运动。当需要紧急制动时,控制两轮的PWM占空比降为零,实现小车的快速制动。

3)渐进转向运动:当两轮同向旋转,但速度不同时,小车实现渐进转向运动。转弯半径公式、角速度公式如下:

式中:R为转弯半径;L为两轮间距;OR为右轮线速度;OL为左轮线速度;w为转弯角速度。

4)原地旋转运动:当两轮等速反向旋转时,小车围绕几何中心旋转,其旋转角速度公式如下:

式中:w/为旋转角速度;O为驱动轮线速度;L为两轮间距。

3嵌入式控制系统设计

3.1 循迹模块

该智能物流小车采用8路红外反射式灰度传感器阵列实现高精度循迹控制。传感器以15mm间距线性排列,其通过发射红外信号并检测反射强度,量化表示路径线的位置,从而计算位置偏差。

位置偏差计算式如下:

式中:e(t)为位置偏差;wi为传感器权重;xi为传感器状态的二值化输出(xi=1表示传感器检测到轨迹线)。

基于偏差信号,主控制器进行PID调节。PID原理如图3所示。

PID调节计算式如下:

式中:u(t)表示控制输出量;kp表示比例系数;ki表示积分系数;kd表示微分系数。

比例控制直接将偏差信号作用到控制器输出上,可以提高系统的响应速度,降低稳态误差;积分控制通过对偏差信号进行积分累加并加以控制,实现消除静差;微分控制通过观测偏差的变化率,预测未来发生的偏差并加以控制,可以提高系统的响应速度,减少超调量[2]。通过该闭环控制,智能物流小车可以快速、稳定地校正运动方向,实现高精度循迹功能。

3.2视觉导航系统

该智能小车的视觉导航系统基于openMV模块实现。在仓库工作时,采用双模式视觉处理架构,根据不同作业场景自动切换处理策略。

3.2.1定点识别模式(货物转运信息采集)

当智能物流小车在上货处工作时,openMV首先对图像中的每一个像素,根据其周围邻域的像素值分布,独立地计算每一个阈值,并将该像素与阈值比较以实现二值化。该算法的数学表达式为:

式中:(x,y)为该像素点的坐标;B(x,y)为该像素点二值化后的灰度值;I(x,y)为该像素点的原始灰度值;T(x,y)为该像素点的局部动态阈值。

其中,阈值的计算表达式为:

T(x,y)=μ(x,y)—C

式中:μ(x,y)为该像素点邻域窗口内的灰度均值;C为常数,用于调整阈值灵敏度。

通过上述动态阈值滤波算法,能够调整图像采集参数,消除仓库照明条件变化产生的影响,效果图如图4所示。

随后openMV自动优化RoI(RegionofInterest),将处理区域缩小至原有图像画面的40%,实现识别速度的提升,从而使智能物流小车精准、快速地获取货物转运的相关信息,包括目标货架编号、货运优先级等信息。

3.2.2运动识别模式(路口导航)

当智能物流小车在配送巡航工作状态时,openMV将自动优化RoI,使之满足运动状态下30 f/s的采样率。当智能物流小车接近转运路口时,openMV将采用边缘检测技术快速定位路口方向指示标识,智能物流小车将根据已获取的货架信息,识别路口的方向指示标识,完成路径选择,实现自主导航。

两种工作模式可以实现无缝切换,切换时间小于100 ms。依托该视觉导航系统,智能物流小车可以实现从上货点完全自主运行至目标货架处的功能。

3.3 蓝牙遥控模块

为了提升灵活性和适应性,智能物流小车搭载蓝牙遥控模块(HC—05模块),其可以与上位机设备(如手机App、PC端控制软件)进行无线连接,实现对智能物流小车的远程实时控制[3]。

蓝牙遥控模块主要功能包括:实时对智能物流小车的运动方向进行控制,包括实现前进、后退、左转、右转、原地旋转等基本运动;动态调整电机控制信号PWM占空比,实现无级变速,实时对智能物流小车的速度进行调节;当遇到障碍物或突发情况时,可以发送紧急停止指令,确保智能物流小车的安全性。

3.4树莓派模块

智能物流小车的树莓派模块集成蓝牙5.0通信功能,其无线连接播音器与拾音器,构建了完整的双向语音交互系统。智能物流小车在进行工作时,系统会通过播音器实时播报当前工作状态(如“正在前往7号货架”“正在进行配送点信息获取”)、异常提醒(如“无法获取货物配送点信息”)等关键信息。当出现信息缺失等异常情况时,工作人员可以通过实时语音指令进行交互:拾音器采集语音指令,经过树莓派进行实时语音识别,提取指令信息后,智能物流小车自动更新任务参数,并进行语音播报反馈(如“配送信息已更新,新的配送点为1号货架”)。

该模块显著提升了智能物流小车在复杂环境中的应变能力和人机协作能力,满足在仓库等工作场所中的工作需求。

4 结束语

基于STM32设计的智能物流小车,解决了小型商超、快递超市等小型物流仓库需要人力搬运实现货物分类摆放的问题。其垂直空间分层优化空间布

局使得该智能物流小车具备紧凑、灵活的结构特点,高精度循迹和视觉导航系统满足其在仓库环境中长时间可靠运行的需求,蓝牙遥控与树莓派语音交互系统使得智能物流小车更具灵活性和人机交互协作能力。该智能物流小车能够在未来小型仓库货运工作中发挥重要作用。

[参考文献]

[1]王智海.基于多传感器融合的智能小车巡航控制研究[J].无线互联科技,2025,22(10):13—16.

[2]杨沙沙,黄艳,王莹.基于0penMV的图标定位与跟踪系统[J]. 自动化与仪表,2025,40(3):122—127.

[3] 乐浩文,陈静,潘锦怡,等.基于STM32的多功能医疗小车的设计与制作[J].物联网技术,2025,15(4):72—79.

《机电信息》2025年第17期第7篇