《物流搬運校車系統(tǒng)整體設(shè)計案例》3000字

物流搬運校車系統(tǒng)整體設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u7162物流搬運校車系統(tǒng)整體設(shè)計案例綜述 186781.1系統(tǒng)整體設(shè)計方案 1294841.2物流小車傳感器模塊選型 149051.3主控芯片選型 22421.4小車結(jié)構(gòu)設(shè)計 5293871.5系統(tǒng)編程軟件選型 51.1系統(tǒng)整體設(shè)計方案本系統(tǒng)采用了STM32F103C8T6作為物流搬運小車系統(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小車移動，如圖1.1所示。本次系統(tǒng)共用到了PYAI-K210開發(fā)板和stm32最小系統(tǒng)板及其開發(fā)板。其中傳感器模塊負責去檢測識別AprilTAG，通信接口模塊負責將識別結(jié)果通過串口發(fā)送給stm32最小系統(tǒng)板。電源模塊負責去為PYAI-K210開發(fā)板和stm32最小系統(tǒng)板及其開發(fā)板供電。LCD顯示模塊負責去顯示傳感器模塊所識別的結(jié)果。功率驅(qū)動模塊負責接收stm32最小系統(tǒng)板所發(fā)出的PWM信號，通過驅(qū)動芯片控制電機運作。圖1.1基于AprilTAG物流搬運小車的系統(tǒng)框圖1.2物流小車傳感器模塊選型物流小車傳感器模塊主要的任務(wù)是檢測與識別AprilTAG，在本系統(tǒng)中對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可以看作是一個能夠進行編程的攝像頭，并且在這個攝像頭內(nèi)部配置了一些圖像處理算法，上手簡單易學。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，并且能夠允許很多不同的感光元件來進行連接。它除了可以進行AprilTAG檢測識別之外，還可以進行人臉檢測，顏色追蹤，二維碼條形碼的識別。PYAI-K210則是由01studio所研發(fā)，基于嘉南科技設(shè)計的芯片K210，它內(nèi)部采用了RISC-V處理器的架構(gòu)，及機器視覺、機器聽覺于一體，可以廣泛地應(yīng)用于許多場景中，擁有自主的IP內(nèi)核，其可編程能力強，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可以運行現(xiàn)有的各種AI算法模型和自己訓練的各種算法模型，而且支持各種機器視覺的功能。雖然Openmv的圖像比PYAI-K210清楚，且支持的視頻格式多于PYAI-K210，可以說如果是單純的攝像，Openmv那一定是個非常不錯的選擇。但是本次選擇PYAI-K210的主要原因是其算力強，甚至高于了樹莓派和JetsonNano，而且其價格更加實惠，性價比更高。雖然兩者都沒有GPU的單元，但是PYAI-K210有一塊KPU來為神經(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)的計算，并且能夠時時刻刻地去獲得被檢測目標的大小、坐標等等的各種信息?？偟膩碚f如果把Openmv比作是轎車的話，那么PYAI-K210可以說是跑車了，其集高性能和高性價比于一體，所以本次系統(tǒng)的傳感器模塊選擇PYAI-K210開發(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)板負責接收串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，進行處理，然后生成PWM信號。對于本系統(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8位單片機AT89C51，它擁有近乎非常完善的總線專用寄存器，面向控制的指令系統(tǒng)。單片機內(nèi)部擁有一個可擦可編程只讀存儲器和EEPROM技術(shù)相互結(jié)合產(chǎn)生的閃爍存儲器，既擁有前者那樣可編程的強大控制力，又擁有后者那樣電可擦除的高操作性能，與此同時還能夠快速的訪問。因為這些特點使得這個單片機擁有了非常高的可靠性、實用性，并且讓它在同類的芯片中因價格和性能脫穎而出。該單片機和51單片機的信息指令系統(tǒng)能夠相互兼容，并且內(nèi)部的EEPROM允許能夠反復不斷地進行在線編輯通過它的程序數(shù)據(jù)存儲器。AT89C51芯片其自身的優(yōu)越性更加展現(xiàn)在對于一般EEPROM的字節(jié)寫入時間與字節(jié)擦除時間都是10毫秒，就實時系統(tǒng)而言，這是不可能在短時間內(nèi)完成的任務(wù)而本芯片的EEPROM卻可以很短的時間完成，并且其抗干擾能力強，能夠容易地進行過靜放電、群脈沖等測試。但是它的AD、EEPROM等功能需要依靠外設(shè)擴展來實現(xiàn)，這樣既增加了硬件的負擔力也加大了軟件的負擔力。雖說其I/O引腳使用起來相對簡單方便，但是它最大的軟肋高電平時無輸出能力也成為一個很大的缺陷。AT89C51單片機自身運行速度并不快，特別是在數(shù)據(jù)指針方面，如果能夠得到改進增強，也許能夠給編程帶來方便。其單片機保護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ATmega16，它省去了關(guān)于累加器A的結(jié)構(gòu)，而通過其R16-31寄存器來代替了累加器A的功能。在ATmega16中，并沒有上者所說的51單片機運行速度過慢的雙數(shù)據(jù)指針，ATmega16是通過16位寄存器來實現(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16位寄存器來代替，相當于擁有了三組數(shù)據(jù)指針。在實現(xiàn)這些功能的同時還能夠做后增量或者先減量操作，而在上者51單片機中，所有的邏輯運算都需要放在累加器A中來進行處理運算，而ATmega16卻可以在隨意兩個寄存器之間任意進行，完全節(jié)省掉了在累加器A中的反復折騰，憑借這些就可以在上者AT89C51單片機中領(lǐng)先而出。ATmega16單片機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去完成即將到來的指令的讀取動作。但是在ATmega16單片機的32個通用寄存器中，擁有了16個不能夠直接進行立即數(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)進行操作的51單片那樣，所以其通用性比較差。其優(yōu)點使得ATmega16在市場上一直在進行增長，但占有率還是不如51單片機。綜合前兩者考慮，本系統(tǒng)選擇了第三個選擇stm32系列的單片機，stm32系列單片機作為著性價比超級高的單片機占有著市場，憑借著強大的功能和性價比，讓大多數(shù)系列的單片機都不能夠達到。本系統(tǒng)選擇了stm32系列中的增強型芯片STM32F103C8T6，從其核心單片機結(jié)構(gòu)來看，它擁有著可以達到512KB的內(nèi)設(shè)RAM和32字節(jié)的存儲器，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通信方式與各個模塊連接通信，直接輸入采集各種的模擬量和開關(guān)量。在片內(nèi)外設(shè)方面，stm32的外設(shè)豐富且功能強大，相比而言AT89C51單片機卻只有兩個定時器和兩個外部中斷，但是stm32有很多定時器，且每個定時器的功能都是十分的強大，比如自帶PWM模式、輸入捕獲、編碼器模式等等的功能，通過內(nèi)部定時器甚至可以配置多到16個外部中斷，另外它還支持IIC、DMA、以太網(wǎng)等外設(shè)，而對于51系列單片機來講對于這些外設(shè)功能的實現(xiàn)只能通過CPU指令控制引腳的高低電平變化來進行模擬，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)高實時性的控制工作。無論是從處理速度還是外圍設(shè)備或者是價格上，stm32系列的單片機都具有著很大的優(yōu)勢，并且其抗干擾能力不會比前兩者差，綜合起來說，就是速度快，外設(shè)強大，價格實惠。要說缺點的話，可能就是它暫時還沒有內(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小車結(jié)構(gòu)設(shè)計小車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計是選擇了一種差速驅(qū)動的結(jié)構(gòu)模式，利用兩個相互獨立的電機來對小車的啟動停止和方向進行控制。在小車的前方位置設(shè)置了一個萬向輪來使小車保持平衡并能夠自由的轉(zhuǎn)向，從這樣的結(jié)構(gòu)來看，本次物流搬運小車結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，控制起來相對方便，只需要控制兩個輪子的轉(zhuǎn)動速度就可以控制小車進行左右轉(zhuǎn)向。車體結(jié)構(gòu)如下圖1.3。圖1.3小車的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖1.5系統(tǒng)編程軟件選型小車的傳感器模塊負責調(diào)用攝像頭進行AprilTAG的掃描識別，PYAI-K210開發(fā)板的通信接口模塊負責將識別的結(jié)果通過串口傳送給stm32最小系統(tǒng)板，其中這兩個模塊的編程我選擇了MaixPy，它能夠?qū)icropython下載到K210開發(fā)板上，MaixPy不但能夠支持單