基于Arduino&Android小车的仓储搬运研究
第一章 绪 论
随着信息技术和工业化的不断发展，物流已经得到了越来越多企业的关注。物流是一种先进的组织方式和管理技术，是企业生产中不可忽视的重要环节，一个高效合理的物流系统，是企业降低生产成本、提高竞争力的重要手段。企业生产中必须把发展物流技术放在一个战略的高度加以重视，尤其是在当今信息传递速度不断提高以及人们对速度的需求越来越高的状况下，更要重视物流系统的高效性。
物流速度的提高依赖于两个方面：一是物流运输速度的提高，二是仓储中货物运转速度的提高。现代运输基础设施快速发展，公路、铁路、航空等运输手段不断升级，这给物流运输速度的提高提供了良好的环境。仓储是物流系统的核心节点，所以提高仓储货物的运转速度成为提高物流速度的关键，而对仓储中货物的运转实质是对仓储中货物进行搬运的一个过程，且搬运作业贯穿于物品的入库、存储、出库等各个环节，搬运活动在物流链中起着衔接的关键作用。目前大多数企业仓储搬运工作都是由人工或者叉车等设备来完成，但这种方式存在投资高、效率低的问题，并且存在一定的安全隐患。据调查显示，美国工业生产过程中装卸搬运费用占总成本的 20%~30%，德国企业物流搬运费用占营业额的 1/3，日本物料搬运费用则占国民生产总值的 10.73%。在实际的生产工作中，由于货物的重量大小不一，人工搬运的过程中会出现人员无法搬运的情况，导致物流速度延迟。很多企业在工作中忽略对搬运人员进行技术培训，导致在仓储搬运活动中也极易出现安全事故。目前物流行业已经转变为经济增长方式的重要内容，传统的仓储作业模式已经无法满足现代物流的发展，人工或者叉车搬运效率低、安全性差的问题已经成为仓储搬运发展的瓶颈。所以人们迫切需要找到一种能够代替人工进行简单重复性操作，且投入少、效率高的机械设备，因此，搬运机器人应用而生。
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国外对于搬运机器人技术的研究始于 20 世纪 50 年代，，1953 年，美国 Barrett 电气公司开发出世界上第一台智能搬运小车，标志着搬运机器人技术的开始。1954 年，英国研制出了一种基于电磁感应的搬运小车。20 世纪 60 年代到 70 年代，由于欧洲对于搬运机器人技术进行了标准化制定，所以在此阶段搬运机器人技术得到了快速发展，除了 Barrett 公司，还有 Wagner、HJC、BT、ACS 等制造厂商加入到搬运机器人技术大军中。70 年代中期，欧洲配备的搬运搬运机器人达 4800 台，1985 年配备总台数超过一万台。
20 世纪 80 年代末，国外的搬运机器人技术逐步走向成熟，以美国为例，从 1983年到 1985 年搬运机器人制造厂商增加了 3 倍多。1984 年，汽车通用公司发展成为搬运机器人产业最大用户，1986 年的使用数量为 1407 台，到 1987 又新增 1662 台。在欧洲搬运机器人技术走向成熟的过程中，日本的搬运机器人技术也发展迅速。日本于1966 年与美国一家公司合资成立日本首家搬运机器人制造厂。日本的搬运机器人总产值在 1981 年的时候达到 60 亿日元，并以平均每年 20%的速度递增，到 1985 年，其总产值高达 200 亿日元。1988 年，日本搬运机器人制造厂商增加到 20 多家，1986 年，日本机器人行业累计使用搬运机器人达 5032 台。目前，全世界搬运机器人使用量达 10万台以上。
80 年代后，随着改革开放的不断深入，我国对机器人技术的研究逐步得到政府的支持与重视。1976 年北京起重机械研究所研发的第一台搬运小车标志着我国搬运机器人技术的开始，随后清华大学、国防科技大学等都开始投入到搬运机器人的研制中。北京邮政科学技术研究所于 1988 年研制出了一台用于邮政枢纽的搬运机器人。中科院沈阳自动化研究所于 1988 年生产出 6 台用于汽车装配线的搬运机器人，这是国内首次将搬运机器人应用到汽车工业中比较成功的案例。
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第二章 系统开发平台介绍
Arduino 是源自意大利的一个开源电子原型平台，它由一块具备简单 I/O 功能的电路板和一套程序开发环境软件组成。Arduino 可以读取它所连接的电灯、传感器等的信号。Arduino 硬件由一个基本版加各种扩展板组成，而各种扩展板则通过插接堆叠在基本版上来完成相互之间的连接。Arduino 电路板能够通过一根 USB 线和电脑连接起来，可以通过电脑进行编程控制。利用 Arduino 项目平台，开发者可以快速做出有趣且实用的交互式产品。
Arduino 采用了基于开放源代码的软硬件平台，其中 Arduino 硬件是一块完整的电路板，它包含了一块微控制器 IC、一组排母用于连接到其他电路、若干个稳压器 IC 用于给整个电路提供电源以及一个 USB 用来连接到计算机。Arduino 软件包含了一个文本编辑器，开发者可以利用它来编写和修改程序并且可以将编写好的程序烧写到Arduion 电路板中。
为了满足不同应用领域的需求，Arduino 也设计了不同的型号以满足不同使用者的需求。Arduino 常见版本如图 1.2 所示：
Uno 是最新的 Arduino 产品系列，使用 Atmel Atmega 328 处理器，提供 14 个数字接口、6 个直插板和 8 个贴片板的模拟接口。Uno 采用 ATMega8U2/16U2 进行 USB 到串行数据的转换代替之前版本中使用的 FTDI USB-to-serial 串行驱动器芯片，而且下载速度更快更稳定，Uno 系列支持 USB 口直接供电和外接电源供电，目前 Uno 系列已成为 Arduino 主推的产品。
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Android 平台的研发队伍阵容非常强大，其中包括 Google 以及“开放手机联盟”—HTC（宏达电）、T-Mobile、高通、摩托罗拉、三星以及中国移动等在内的 30 多家企业。Android 应用程序由 Java 语言来编写，同时也支持其他一些语言，如 C、Perl 等。
Google 的目标是让移动通信不依赖与设备，甚至是平台，同时 Google 表面将进一步推进“随时随地为每个人提供信息”这个企业目标。Android 是第一个完整、开放、免费的手机平台。目前市场中应用在手机上的操作系统主要有 Android（安卓）、苹果操作系统、微软 windows phone、塞班、黑莓等操作系统，但 Android 操作系统占据了较大比例。
Android 应用程序一般由 Activity、Broadcast Intent Receiver、Service 和 Content Provider 四个部分组成，还包含一个系统自动生成的描述文件 AndroidManifest.xml。Activity 是开发者频繁遇见的一个基本模块，多个 Activity 之间可以相互跳转并构成一个 Android 应用程序。当一个外部事件发生时，可以使用 BroadcastReceiver 做出响应。Service 是不可视的、运行在后台主线程中的服务，你可以启动一个 Service 服务运行或监听某种动作，如播放一首歌曲，记录位置的改变等，但不能用作耗时请求。Android程序提供 Content Provider 抽象接口实现多个应用程序之间的私有数据互访。
本章主要介绍了系统开发使用的开发平台和相关技术，涵盖了硬件环境——Arduino 平台的介绍，包括 Arduino UNO 开发板以及传感器扩展板的介绍，用于开发手机端应用程序的 Android 技术介绍及其架构的介绍。
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3.1 系统实验平台 ............................. 15
3.2 系统总体设计方案 ............................. 15
3.3 系统总体框架设计 ............................ 16
3.4 无线智能网络设计 ............................. 18
3.4.1 无线智能网络组成 ........................ 18
3.4.2 系统功能设计 .............................. 18
3.4.3 无线智能网络硬件设计 ................. 19
3.5ARDUINO 无线网关工作原理 .................... 23
3.6 仓储搬运车系统硬件 .......................... 23
3.6.1 L298N 电机驱动 .......................... 23
3.6.2 红外循迹传感器 ........................ 25
3.6.3 超声波模块 .......................... 26
3.6.4 舵机 ................................... 27
3.6.5 机械臂 ................................ 29
3.6.6 LCD 液晶屏 ........................... 31
3.6.7 LED 模块 ............................. 31
3.6.8 蜂鸣器 ............................. 32
3.6.9 XBEE 蓝牙模块 ......................... 33
3.6.10 电源 .................................. 36
3.7ARDUINO 主控板电路连接 .................... 36
3.8 本章小结 ................................ 37
第四章 ARDUINO 平台无线网关的设计与实现 ....... 38
4.1 ARDUINO 与 PC 通信 ......................... 38
4.1.1 USB 接口的串行通信 ....................... 38
4.1.2 PC 向 ARDUINO 发送信息 ................... 40
4.1.3 ARDUINO 向 PC 发送信息 .................. 41
4.2 系统 PWM 调速原理 ........................ 42
4.3 循迹模块的设计与实现 ..................... 43
4.4 避障模块的设计与实现 ...................... 50
4.4.1 避障模块设计 .......................... 50
4.4.2 LED 指示灯报警 ......................... 52
4.4.3 蜂鸣器报警 ........................ 53
4.5 搬运模块的设计与实现 ................. 55
4.6 显示模块的设计与实现 ...................... 59
4.7ARDUINO 网关软件的设计与实现 ............. 60
4.8 本章小结 .................................. 63
第五章 ANDROID 蓝牙通信软件设计与实现 ...... 64
5.1 ANDROID 蓝牙软件功能设计 .......... 64
5.1.1ANDROID 蓝牙软件开发技术 ............... 64
5.1.2 ANDROID 蓝牙软件功能结构 ............ 65
5.1.3 ANDROID 蓝牙软件工作流程 ............. 65
5.2 ANDROID 蓝牙软件的实现 ................. 67
5.2.1 蓝牙的开启 .......................... 67
5.2.2 蓝牙的连接 ......................... 67
5.2.3 建立 SPP .......................... 68
5.2.4 接收与发送十六进制数据 ......... 69
5.3 应用程序的签名 .................... 69
5.4 本章小结 ......................... 70
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第五章 ANDROID 蓝牙通信软件设计与实现
Arduino 要与其它蓝牙设备进行无线通信，可以使用蓝牙技术实现，目前大多Android 智能手机均自带蓝牙模块，并且支持虚拟串口通信方式，而 Arduino 硬件电路只需要额外添加一个 XBEE 蓝牙模块，即可实现与 Android 智能手机的通信。因为蓝牙虚拟串口的Android手机无法与Arduino直接进行通信，所以需要开发通信软件来实现。
Android 2.0 以上版本的手机均支持蓝牙开发，并且提供了蓝牙 API 接口和相应功能的类，可以实现蓝牙的开启、关闭、搜索、连接等功能。蓝牙通信软件的主要作用就是在 Arduino 端与安装 Android 操作系统的智能终端通过蓝牙 API 接口和调用相应功能的类建立二者之间的 Socket 通信，并且将输入输出数据以数据流的形式通过蓝牙串口软件进行传递。蓝牙通信，包括蓝牙设置、搜索和配对、建立连接和数据传输。Android 平台支持蓝牙协议，提供蓝牙功能包建立蓝牙设备间的无线连接，实现蓝牙串口通信。
启动手机终端软件，首先需要进行蓝牙设备的搜索，搜索到的蓝牙设备需正确输入配对密码才能完成配对，本软件设置的配对密码为 1234。配对完成后，蓝牙主、从设备建立串口通信链路。使用完毕可以断开串口通信链路的连接，或者退出本软件。
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结论
系统采用 Arduino 平台进行硬件电路的搭建和硬件驱动程序的开发，采用 Android平台进行手机蓝牙通信软件的开发。用户只需要安装蓝牙通信软件的 APK 即可实现对硬件电路和外围模块的驱动。Arduino 硬件主要使用了 Arduino UNO 电路板、Arduino XBee 传感器扩展板、XBee 蓝牙模块、红外循迹传感器、超声波传感器、舵机、机械臂、LED 指示灯、蜂鸣器、LCD 液晶显示屏和 Android 手机等设备，采用了蓝牙串口通信 SPP 技术规范实现无线通信。Android 平台提供了建立蓝牙设备间通信的 API，用于支持手机通信软件的开发。
参考文献（略）
本文编号：38970
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/38970.html
