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分拣机器人系统方案(嵌入式方向)

基于STM32的智能分拣机器人系统设计#

项目概述#

本项目设计并实现了一个基于STM32F407ZET6微控制器的嵌入式智能分拣机器人系统。系统采用模块化设计架构,集成了四自由度机械臂、红外循迹模块、编码器电机控制系统,并通过串行通信协议与上位机协同工作。系统的主要功能包括目标识别、路径跟踪、物品抓取与分类放置,适用于物流分拣、工业自动化等场景。

系统架构设计#

感知层#

  • 八路红外循迹模块:采用TCRT5000红外传感器,检测距离2-30mm,响应时间<5ms,用于路径识别和环境感知。
  • 编码器模块:采用增量式光电编码器(AB相),分辨率500脉冲/转,用于电机转速和位置反馈。

执行层#

  • 四自由度机械臂:采用MG996R舵机,工作扭矩9.4kg·cm,响应速度0.17s/60°,控制精度±1°。
  • 直流电机驱动:采用L298N双H桥电机驱动模块,最大驱动电流2A,支持PWM调速。

通信接口层#

  • UART接口:与树莓派进行串行通信,波特率115200bps,8位数据位,无校验,1位停止位。
  • I2C接口:用于扩展外围设备通信,标准模式100kbps。
  • SPI接口:用于高速数据传输。

控制系统算法设计#

PID控制算法实现#

系统采用位置式PID控制器对直流电机进行精确控制。控制算法设计包括:

1. PID控制器结构体定义#

typedef struct {
float kp; // 比例系数
float ki; // 积分系数
float kd; // 微分系数
float integral; // 积分项累积值
float prev_error; // 上一次误差
float output_limit; // 输出限幅值
float integral_limit; // 积分限幅值
float dead_zone; // 死区范围
} PID_Controller;

2. 改进型PID控制算法#

系统实现了以下改进特性:

  • 积分抗饱和机制:防止积分项过度累积
  • 微分先行滤波:减少测量噪声影响
  • 输出限幅保护:保护执行机构
  • 死区处理:避免在小误差范围内频繁调节

3. 参数整定方法#

采用Ziegler-Nichols整定法结合实验调整,最终参数为:

  • 比例系数Kp = 2.5
  • 积分时间Ti = 0.8s
  • 微分时间Td = 0.1s

路径跟踪算法设计#

1. 红外传感器数据处理#

采用加权平均法计算路径偏差:

float calculate_path_error(uint8_t sensor_values[8]) {
float weighted_sum = 0;
float total_weight = 0;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
if (sensor_values[i] > DETECTION_THRESHOLD) {
weighted_sum += (i - 3.5) * sensor_values[i];
total_weight += sensor_values[i];
}
}
return (total_weight > 0) ? (weighted_sum / total_weight) : 0;
}

2. 转向控制策略#

  • 比例控制:转向角与路径偏差成比例
  • 前馈补偿:根据路径曲率预测性调整
  • 速度自适应:根据偏差大小动态调整速度

机械臂运动控制#

运动学模型#

四自由度机械臂采用Denavit-Hartenberg参数法建立运动学模型:

关节θdaα
1θ₁0090°
2θ₂0a₂
3θ₃0a₃
4θ₄00

逆运动学求解#

采用几何法求解各关节角度:

  1. 确定末端位置:通过目标坐标计算
  2. 求解关节角度:使用三角函数关系
  3. 多解选择:根据机械限制和工作空间选择最优解

轨迹规划算法#

采用五次多项式插值实现平滑轨迹:

θ(t) = a₀ + a₁t + a₂t² + a₃t³ + a₄t⁴ + a₅t⁵

满足边界条件:

  • 位置连续
  • 速度连续
  • 加速度连续

通信协议设计#

UART通信协议格式#

数据帧结构#

帧头(2字节) | 命令字(1字节) | 数据长度(1字节) | 数据(N字节) | 校验和(1字节) | 帧尾(1字节)
0xAA 0x55 | CMD | LEN | DATA[LEN] | CHECKSUM | 0x0D

主要命令定义#

  • 0x01:运动控制指令
  • 0x02:机械臂控制指令
  • 0x03:状态查询指令
  • 0x04:参数配置指令
  • 0x05:紧急停止指令

通信可靠性保障#

  1. CRC校验:采用CRC-8校验算法
  2. 超时重传:500ms超时时间,最多重传3次
  3. 数据应答:重要指令需要应答确认
  4. 缓冲区管理:环形缓冲区设计,防止数据丢失

软件架构设计#

系统状态机设计#

采用层次状态机(HSM)管理机器人工作流程:

主状态机:
INITIALIZE -> IDLE -> PATH_FOLLOWING -> OBJECT_DETECTION
-> PICKUP -> PLACEMENT -> ERROR_HANDLING
分拣机器人系统方案(嵌入式方向)
https://liyunyi2005.github.io/posts/automated-sorting-robot/
作者
yiyunyi
发布于
2025-12-26
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0