物流搬運(yùn)校車(chē)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u7162物流搬運(yùn)校車(chē)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)案例綜述 186781.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 1294841.2物流小車(chē)傳感器模塊選型 149051.3主控芯片選型 22421.4小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5293871.5系統(tǒng)編程軟件選型 51.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)采用了STM32F103C8T6作為物流搬運(yùn)小車(chē)系統(tǒng)的主控芯片，然后為該系統(tǒng)搭配電源模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊、傳感器模塊與通信接口模塊控制物流搬運(yùn)小車(chē)移動(dòng)，如圖1.1所示。本次系統(tǒng)共用到了PYAI-K210開(kāi)發(fā)板和stm32最小系統(tǒng)板及其開(kāi)發(fā)板。其中傳感器模塊負(fù)責(zé)去檢測(cè)識(shí)別AprilTAG，通信接口模塊負(fù)責(zé)將識(shí)別結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給stm32最小系統(tǒng)板。電源模塊負(fù)責(zé)去為PYAI-K210開(kāi)發(fā)板和stm32最小系統(tǒng)板及其開(kāi)發(fā)板供電。LCD顯示模塊負(fù)責(zé)去顯示傳感器模塊所識(shí)別的結(jié)果。功率驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)接收stm32最小系統(tǒng)板所發(fā)出的PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)運(yùn)作。圖1.1基于AprilTAG物流搬運(yùn)小車(chē)的系統(tǒng)框圖1.2物流小車(chē)傳感器模塊選型物流小車(chē)傳感器模塊主要的任務(wù)是檢測(cè)與識(shí)別AprilTAG，在本系統(tǒng)中對(duì)于傳感器模塊的選型有兩種選擇：星瞳科技的Openmv和01studio的PYAI-K210。Openmv可以看作是一個(gè)能夠進(jìn)行編程的攝像頭，并且在這個(gè)攝像頭內(nèi)部配置了一些圖像處理算法，上手簡(jiǎn)單易學(xué)。其攝像頭小巧、功耗低、成本低，Openmv的I/O引腳輸出電壓都是3.3V，而且能夠耐受5V的電壓。其攝像頭模塊可以拆卸下來(lái)，并且能夠允許很多不同的感光元件來(lái)進(jìn)行連接。它除了可以進(jìn)行AprilTAG檢測(cè)識(shí)別之外，還可以進(jìn)行人臉檢測(cè)，顏色追蹤，二維碼條形碼的識(shí)別。PYAI-K210則是由01studio所研發(fā)，基于嘉南科技設(shè)計(jì)的芯片K210，它內(nèi)部采用了RISC-V處理器的架構(gòu)，及機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器聽(tīng)覺(jué)于一體，可以廣泛地應(yīng)用于許多場(chǎng)景中，擁有自主的IP內(nèi)核，其可編程能力強(qiáng)，PYAI-K210擁有雙核64位的處理器，內(nèi)部配置了許多硬件加速的單元如KPU、FPU等，并且其KPU可以運(yùn)行現(xiàn)有的各種AI算法模型和自己訓(xùn)練的各種算法模型，而且支持各種機(jī)器視覺(jué)的功能。雖然Openmv的圖像比PYAI-K210清楚，且支持的視頻格式多于PYAI-K210，可以說(shuō)如果是單純的攝像，Openmv那一定是個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。但是本次選擇PYAI-K210的主要原因是其算力強(qiáng)，甚至高于了樹(shù)莓派和JetsonNano，而且其價(jià)格更加實(shí)惠，性?xún)r(jià)比更高。雖然兩者都沒(méi)有GPU的單元，但是PYAI-K210有一塊KPU來(lái)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元加速，在低功耗的情況下其內(nèi)部的KPU也能夠完成卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算，并且能夠時(shí)時(shí)刻刻地去獲得被檢測(cè)目標(biāo)的大小、坐標(biāo)等等的各種信息。總的來(lái)說(shuō)如果把Openmv比作是轎車(chē)的話(huà)，那么PYAI-K210可以說(shuō)是跑車(chē)了，其集高性能和高性?xún)r(jià)比于一體，所以本次系統(tǒng)的傳感器模塊選擇PYAI-K210開(kāi)發(fā)板。1.3主控芯片選型本系統(tǒng)選擇了STM32F103C8T6作為主控芯片，其最小系統(tǒng)板如圖1.2所示，該最小系統(tǒng)板負(fù)責(zé)接收串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，然后生成PWM信號(hào)。對(duì)于本系統(tǒng)有三種主控芯片選型方案：AT89C51、ATmega16、STM32F103C8T6。圖1.2STM32最小系統(tǒng)板作為應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)8位單片機(jī)AT89C51，它擁有近乎非常完善的總線(xiàn)專(zhuān)用寄存器，面向控制的指令系統(tǒng)。單片機(jī)內(nèi)部擁有一個(gè)可擦可編程只讀存儲(chǔ)器和EEPROM技術(shù)相互結(jié)合產(chǎn)生的閃爍存儲(chǔ)器，既擁有前者那樣可編程的強(qiáng)大控制力，又擁有后者那樣電可擦除的高操作性能，與此同時(shí)還能夠快速的訪問(wèn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)使得這個(gè)單片機(jī)擁有了非常高的可靠性、實(shí)用性，并且讓它在同類(lèi)的芯片中因價(jià)格和性能脫穎而出。該單片機(jī)和51單片機(jī)的信息指令系統(tǒng)能夠相互兼容，并且內(nèi)部的EEPROM允許能夠反復(fù)不斷地進(jìn)行在線(xiàn)編輯通過(guò)它的程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。AT89C51芯片其自身的優(yōu)越性更加展現(xiàn)在對(duì)于一般EEPROM的字節(jié)寫(xiě)入時(shí)間與字節(jié)擦除時(shí)間都是10毫秒，就實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，這是不可能在短時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)而本芯片的EEPROM卻可以很短的時(shí)間完成，并且其抗干擾能力強(qiáng)，能夠容易地進(jìn)行過(guò)靜放電、群脈沖等測(cè)試。但是它的AD、EEPROM等功能需要依靠外設(shè)擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣既增加了硬件的負(fù)擔(dān)力也加大了軟件的負(fù)擔(dān)力。雖說(shuō)其I/O引腳使用起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單方便，但是它最大的軟肋高電平時(shí)無(wú)輸出能力也成為一個(gè)很大的缺陷。AT89C51單片機(jī)自身運(yùn)行速度并不快，特別是在數(shù)據(jù)指針?lè)矫妫绻軌虻玫礁倪M(jìn)增強(qiáng)，也許能夠給編程帶來(lái)方便。其單片機(jī)保護(hù)能力很差容易燒毀芯片。作為高性能、高速度、低功耗的8位單片機(jī)ATmega16，它省去了關(guān)于累加器A的結(jié)構(gòu)，而通過(guò)其R16-31寄存器來(lái)代替了累加器A的功能。在ATmega16中，并沒(méi)有上者所說(shuō)的51單片機(jī)運(yùn)行速度過(guò)慢的雙數(shù)據(jù)指針，ATmega16是通過(guò)16位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)指針的一系列相關(guān)功能，并且內(nèi)部配置了三個(gè)16位寄存器來(lái)代替，相當(dāng)于擁有了三組數(shù)據(jù)指針。在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)還能夠做后增量或者先減量操作，而在上者51單片機(jī)中，所有的邏輯運(yùn)算都需要放在累加器A中來(lái)進(jìn)行處理運(yùn)算，而ATmega16卻可以在隨意兩個(gè)寄存器之間任意進(jìn)行，完全節(jié)省掉了在累加器A中的反復(fù)折騰，憑借這些就可以在上者AT89C51單片機(jī)中領(lǐng)先而出。ATmega16單片機(jī)擁有著大部分為單周期以字為單位的指令，它可以在執(zhí)行本指令的功能的同時(shí)去完成即將到來(lái)的指令的讀取動(dòng)作。但是在ATmega16單片機(jī)的32個(gè)通用寄存器中，擁有了16個(gè)不能夠直接進(jìn)行立即數(shù)操作的通用寄存器，因此它的通用性上就不如所有寄存器都可以直接和立即數(shù)進(jìn)行操作的51單片那樣，所以其通用性比較差。其優(yōu)點(diǎn)使得ATmega16在市場(chǎng)上一直在進(jìn)行增長(zhǎng)，但占有率還是不如51單片機(jī)。綜合前兩者考慮，本系統(tǒng)選擇了第三個(gè)選擇stm32系列的單片機(jī)，stm32系列單片機(jī)作為著性?xún)r(jià)比超級(jí)高的單片機(jī)占有著市場(chǎng)，憑借著強(qiáng)大的功能和性?xún)r(jià)比，讓大多數(shù)系列的單片機(jī)都不能夠達(dá)到。本系統(tǒng)選擇了stm32系列中的增強(qiáng)型芯片STM32F103C8T6，從其核心單片機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)看，它擁有著可以達(dá)到512KB的內(nèi)設(shè)RAM和32字節(jié)的存儲(chǔ)器，兼具著嵌入式Flash和64K的SRAM，能夠及其方便地在系統(tǒng)中存儲(chǔ)各種程序數(shù)據(jù)。憑借著芯片中自帶的A/D轉(zhuǎn)換功能，采用RS485通信方式與各個(gè)模塊連接通信，直接輸入采集各種的模擬量和開(kāi)關(guān)量。在片內(nèi)外設(shè)方面，stm32的外設(shè)豐富且功能強(qiáng)大，相比而言AT89C51單片機(jī)卻只有兩個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)外部中斷，但是stm32有很多定時(shí)器，且每個(gè)定時(shí)器的功能都是十分的強(qiáng)大，比如自帶PWM模式、輸入捕獲、編碼器模式等等的功能，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器甚至可以配置多到16個(gè)外部中斷，另外它還支持IIC、DMA、以太網(wǎng)等外設(shè)，而對(duì)于51系列單片機(jī)來(lái)講對(duì)于這些外設(shè)功能的實(shí)現(xiàn)只能通過(guò)CPU指令控制引腳的高低電平變化來(lái)進(jìn)行模擬，多任務(wù)模式非常的占用CPU內(nèi)部資源，并不適合去完成多任務(wù)高實(shí)時(shí)性的控制工作。無(wú)論是從處理速度還是外圍設(shè)備或者是價(jià)格上，stm32系列的單片機(jī)都具有著很大的優(yōu)勢(shì)，并且其抗干擾能力不會(huì)比前兩者差，綜合起來(lái)說(shuō)，就是速度快，外設(shè)強(qiáng)大，價(jià)格實(shí)惠。要說(shuō)缺點(diǎn)的話(huà)，可能就是它暫時(shí)還沒(méi)有內(nèi)部集成EEPROM，但可以使用其嵌入式Flash的IAP功能去代替EEPROM的功能，并且可靠性高。1.4小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是選擇了一種差速驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)模式，利用兩個(gè)相互獨(dú)立的電機(jī)來(lái)對(duì)小車(chē)的啟動(dòng)停止和方向進(jìn)行控制。在小車(chē)的前方位置設(shè)置了一個(gè)萬(wàn)向輪來(lái)使小車(chē)保持平衡并能夠自由的轉(zhuǎn)向，從這樣的結(jié)構(gòu)來(lái)看，本次物流搬運(yùn)小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制起來(lái)相對(duì)方便，只需要控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度就可以控制小車(chē)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向。車(chē)體結(jié)構(gòu)如下圖1.3。圖1.3小車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1.5系統(tǒng)編程軟件選型小車(chē)的傳感器模塊負(fù)責(zé)調(diào)用攝像頭進(jìn)行AprilTAG的掃描識(shí)別，PYAI-K210開(kāi)發(fā)板的通信接口模塊負(fù)責(zé)將識(shí)別的結(jié)果通過(guò)串口傳送給stm32最小系統(tǒng)板，其中這兩個(gè)模塊的編程我選擇了MaixPy，它能夠?qū)icropython下載到K210開(kāi)發(fā)板上，MaixPy不但能夠支持單