國立虎尾科技大學電機系專題精簡報告

題目：自動化智慧搬運車

Automatic intelligent freight of car

執行期限：105 年 03 月 20 日至 105 年 12 月 06 日

指導老師：林光浩老師

班級：四電四乙

專題參與人員： 蘇容輝 賴柏諺 侯榮倫 許哲瑋

壹、摘要

本專題使用 3D印表機與金屬雷射切割機打造自走車，自走車特色為使用 AI2

設計手機 APP由藍芽連結手機再利用手機直接對自走車路徑進行初次設定，自走

車就會依照設定路徑行走，而不用像一般自走車那樣，需要事先在地面上貼好磁

條再感應磁條來行進，企圖應用在搬運工廠內，可以減少大量維護磁條的成本，

另外還有超音波可以感測障礙物，行進時還有大家耳熟能詳的音樂來提醒工作人

員搬運車的到來，可有效降低事故的機率。

This topic using 3D printer and metal cutting machine build self-propelled vehicle,

self-propelled vehicle features for using AI2 design phone APP by bluetooth links

phone again using phone directly on self-propelled vehicle path for initial set,

self-propelled vehicle will according set path to walking, and without like general

self-propelled vehicle as, need prior in ground posted magnetic stripe again induction

magnetic stripe to march, attempts to application in freight factory within, can

reduced large maintenance magnetic stripe of cost, addition also has ultrasound can

induct obstacles, march also has everyone familiar of music to reminded workers

f r e i g h t c a r o f c o m i n g , c a n r e d u c e t h e c h a n c e o f a c c i d e n t s .

關鍵字: 3D印表機(3D printer)、自走車(self-propelled vehicle) 、藍芽(bluetooth)、

磁條(magnetic stripe)、超音波(ultrasound)

.

1

貳、專題緣由與目的

現今是一個講求自動化的時代，科技日新月異，什麼都要求快速、便利且耗

損能源低之需求，在事事將本求利的狀況下老闆們也都使出渾身解數的想要降地

成本，提升收益。於是機器逐漸開始取代人力，因為機器總是非常精準且重現性

高的執行著，也不會有工作時數的問題，值得投資的是降低大量的人力成本，效

率上尤其傑出。雖然一台機器都價格不斐，但是機器能帶來的利益已遠大於成本。

由此切入，我們也順著自動化時代的潮流開始思索，在彈性製造系統(FMS)搬運

工廠內總是會有粉塵細削之類的東西，長時間累積覆蓋在磁條上可能會造成感應

不良，而且磁條若老舊了可能就會脫落形成經常性的維護負擔，且維護期間不能

工作也會降低收益。所以我們開始嘗試著進行有關自走車的研究，希望設計一款

利用藍芽連結手機進行操控自走車，擺脫傳統式感應磁條方式，來解決搬運工廠

內磁條脫落與感應不良的問題，如此即可減少維修成本。

參、研究目的

一、設計利用藍芽連結手機進行操控自走車，擺脫傳統式感應磁條方式的裝置。

二、機構動作測試及修正。

三、研究此裝置效率及未來修正設計的方向。

肆、製作構想

製作構想是採用手機與藍芽建立連接進行控制 Arduino UNO 單片機應用開發

系統, 構建於開放原始碼 simpleI/O 介面板，使用大學所學之 C 語言的

rocessing/Wiring 開發環境建立控制連結。其間結合電子元件開關或感測器、

伺服馬達輸出裝置，作出互動作品。因 Arduino 可以獨立運作成為一個可以跟軟

體溝通的介面，故本專題取用其長，做為與搬運機類比對照應用，期以得到獲得

更替或刪減舊有導磁條環控因素所形成之問題。

以下圖示為本研究硬體之架構:

Arduino UNO

(Master) Arduino UNO

(Slave)

藍芽

手機

APP 超音波

伺服馬達

蜂鳴器

按鈕開關

2

伍、研究設備及器材

所需的材料清單

項目 名稱 規格 單位 數量 用途

1 Arduino(UNO) Arduino Ethernet Rev3 塊 2 燒錄程式並執行

2 超音波模組 塊 1 量測距離

3 按鈕開關 個 1 控制按鈕

4 電阻 個 3 電子元件

5 蜂鳴器 9012三極管驅動 2 工

作電壓 3.3V-5V3 個 1

撥放音樂

6 藍芽模組 HC-05 塊 1 接收和發送資料

7 手機 ASUS 支 1 控制車子

8 伺服馬達 GWS-S35- STD 個 2 控制車子移動

9 麵包版 MB-102 個 1 電子元件接線用

10 行動電源 個 1 供應車子電源

11 電 線 捲 1 接線用

12 光編碼器 個 1 計算車子行走距離

專題製作軟體清單

項目 所需設備 用途 備註

1 Solidworks 電腦輔助 3D 設計繪圖 供 3D 列印 stl 圖

2 AutoCAD 電腦輔助 2D 設計繪圖 供金屬雷射加工用

3 CURA 3D 列印軟體 3D 模型製作用

4 AP100(CAM) 金屬雷射切割電腦輔助製造軟體 鈑金切割用軟體

5 Arduino IDE 燒錄 arduino 程式 燒錄軟體

6 Notepad++ 編輯專題程式 筆記本編整文件

7 Ai2 手機 app

專題製作設備清單

項目 所需設備 規格 單位 數量 用途 備註

1 電腦 台 1 編輯程式

2 螺絲起子 十字(小) 支 1 鎖螺絲用

3 3D 列印機 Belta Bot 台 1 專題模型製作用

4 金屬雷射切割 AMATA Quattro 台 1 金屬雷射切割用

5 伺服折床 ES3613AMADA 台 1 金屬鈑金折曲用

6 氣動攻牙機 台 1 攻螺絲孔用

7 銼刀 支 1 修毛邊用

3

陸、研究方法或過程

經過討論後，我們計畫的研究流程圖如下圖所示。

研擬討論干擾導磁條型無

人搬運車因素，提案改善

文獻探討

相關資料收集

討論設計方向

程式設計與撰寫

組立

機構設計、零件加工

Solidworks、AutoCAD..

網路搜索 相關商品搜索

功能測試

結果與討論

研究成果

材

料

選

定

與

購

置

研

究

時

程

表

擬

定

軟

、

硬

體

整

備

研究動機與目的

研討具環保貢獻導磁條型無人搬運車問題

車

體

模

型

設

計

尺

寸

精

度

修

正

4

柒、文獻探討

南台科技大學 電機工程系王明賢所進行之研究，認為一般感應磁條感測器

採 用 比 例 式 線 性 霍 爾 效 應 感 測 器 (Ratiometric Linear Hall Effect

Sensors)MH481，以感應磁條磁場強度的變化。

而高度 2cm磁條約 20Gauss 電壓變動 0.04V，電壓變動量很小，但每顆 MH481在

0 Gauss時輸出電壓範圍為 2.3V~2.7V之間不定，造成每顆霍爾感測器準位不一

的問題，還需要在一段時間研擬對策並尋找適當解決方案。

在控制上，無人搬運車在行駛時，依靠底盤下方十六個高靈敏度之霍爾感測

器感應磁條磁場強度的變化，來得知當前無人搬運車與磁條的相對位置，再由控

制器不斷修正其位置偏差，使無人搬運車沿預定路線行駛。

原理是藉由霍爾感應器進行磁條磁力檢測，磁條的磁力線垂直於磁條，霍爾感應

器靠近磁條時，磁場強度將增大，遠離磁條時，磁場強度將減小，所以就可檢測

出磁條磁場的強度和姿態方位，進而確認目前無人搬運車與磁條的相對位置。

上述之感應情形當感應磁條因工廠內有粉塵細削之類的東西，長時間累積覆蓋在

磁條上會造成感應不良，因此本組將此可能因素，修改以手機與藍芽建立連接進

行控制，研以解決這項問題。

5

捌、研究過程

首先對各元件之控制分析

i.伺服馬達

我們所使用的伺服馬達其作動傳遞方式為連續旋轉型，如圖 1 所示紅色框

框內的標籤上寫著 continuous rotation 即為連續旋轉，此馬達亦可稱為連續

旋轉伺服機。 伺服機是由脈衝的時間寬度所控制，稱為脈衝寬度調變 ( Pulse

Width Modulation，PWM)，並且只需使用一條接地線(黑色)、一條電源線(紅色)

以及一條訊號線(白色)即可完成對伺服馬達的控制，在控制上比起直流馬達容易

許多。

動作說明:

(1)當脈衝寬度調變 PWM 所輸出高準位的時間是 1500μs 時伺服馬達為靜止不

動的情況。

(2)當脈衝寬度調變 PWM 訊號輸出時間為 1300μs 時，伺服馬達為順時鐘轉動

如圖 2示意圖。

(3)當脈衝寬度調變 PWM 訊號輸出輸出時間為 1700μs 時則為逆時鐘轉動如圖

3示意圖。

本專題對此部分之控制是以 1500μs(靜止不動的情況) 為中心，持續遞減

至 1300μs 或持續增加至 1700μs ，此脈衝寬度給予伺服馬達轉速也將往順時

鐘或逆時鐘逐漸增加。若在其正逆轉向所帶給自走車傳動輪之精密性考慮時，則

在研究上，需加入精密製造之相關連動機件及機構方能縮小整體相互連動所造成

的誤差。

圖 1.連續旋轉 圖 3.連續旋轉伺服機逆轉圖圖 2.連續旋轉伺服機順轉圖

6

ii.超音波

普通人耳可聽到的聲音，頻率由 16Hz 到 20KHz，超音波是以頻率高到人耳

聽不到的音波來定義。音波在媒質中傳播的速度(音速)為 c、波長λ、頻率 f、

有以下的關係 c＝fλ(f=c/λ)。超音波感測器常用的有壓電式及磁伸縮式兩大

類。在應用上模組依偵測方式來說明大概有下列幾種：單一發射型、分離反射型

和對射型，而我們所使用的超音波感測器為反射型(如圖 4所示)，其結構設計

上有一個發射器和接收器，作動時序是經由發射後到接收的時間差來進行比對計

算，換算出與障礙物的距離，因此超音波感測器也是一個很容易且方便使用的距

離感測器，所以我們可藉由超音波偵測距離而達到避障的功能。

如圖 4所示感測器有四個 PIN 腳，分別為接地、電源、發送以及接收，其中輸

入與輸出為同一個 PIN 腳；工作原理如圖 5 所示，首先觸發輸入 tOUT = 5μs 的

訊號後等待約 tHOLDOFF = 750μs 的時間後即可從接腳接收到訊號，此訊號所維持

的時間長度(tIN-MIN 到 tIN-MAX)為超音波發出撞到障礙物後反射 回來的時間

範 圍 2 cm ~ 3 m

供 電 電 壓 5V+/-10%(最小 4.5V，最大 6V)

電 源 電 流 25 mA，最大 30mA

電 源 消 耗 20 mA

輸 入 觸 發 積極 TTL 脈衝，2s min，5s

回 波 脈 衝 積極 TTL 脈衝，115s min，18.5ms

突 發 頻 率 40kHz 的 200s

尺 寸 高 22mm x 寬 46mm x D16mm

圖 5超音波感測器工作原理

圖 4.超音波感測器實體圖

表 1.超音波感測器規格表

7

軟體架構部分

i.AI2

撰寫手機 APP，按下寫入可開始設定路徑，

中間框框可輸入欲停留時間

手機與藍芽建立連接

清除先前資料重新設定路徑

選擇欲前進方向

按 go執行先前紀錄的路徑

Start

到達欲停留地點燃後設定停留時間

待所有站點設置完畢回到原點按

go，即照設定路徑開始動作

圖 5 .動作流程圖

8

ii. Solidworks、AutoCAD、CURA 、AP100(CAM)

設計車體模型

iii.IDE模擬環境

撰寫 Arduino 程式

功能:

i.利用手機操控自走車，讓自走車環繞場地一圈，並且能夠紀錄所走過的路線，

不斷的環繞。

ii.繞場的過程中遇到障礙物會自動停下來。

iii.設定多個站點，能夠調整自走車在每個站點停留的時間，若貨物卸完或是搬

完可以等停留時間結束，也可按下按鈕開關讓自走車先行離開。

iv.自走車在行進時會撥放音樂提醒工作人員，讓工作人員知道自走車即將到來

圖 6 APP介面

圖 7 設計草圖 圖 8 各元件組立圖

9

成品組立測試

問題討論與解決紀錄表

問題 解決方案 解決與否

1

光編碼器只要一透光就會一

直計數下去，不是我要的透光

一次計數一次。

加一個暫存器去鎖它 已解決

2

我要從手機傳一組數字當作

我的自走車暫停時間，但藍芽

會把數字分割。

利用 string 的指令，再用

toInt();轉乘 int 的形式。

已解決

3 一開始用的伺服馬達控制不

良，它會亂轉。

換一組新的伺服馬達，它

的工作週期為 20ms。

已解決

4 每一筆路徑存取的資料，都需

要按很多按鍵

已解決

5

用光編碼器去記錄行走的距

離會有誤差。

利用 arduino 內部的時間去

計算行走這段距離所需的

時間。

已解決，有比較

精確

圖 9 完成品

圖 11 改造後 圖 10 改造前

10

6

Arduino UNO 內部的

EEPROM 每一個位置寫入的資

料一次一個 byte，值域為 0 到

255，所以不能存入太大的數

字。

可利用除法和餘數進行數

字的分割。

已解決

7

萬向白尼龍角輪在前進、後退

的方向轉煥中會使我的自走

車產生偏差。

換滾輪型的萬向輪。

已解決

8 執行音樂撥放程式會延遲其

他程式。

多加一塊 arduino 板。 已解決

9 用 pulseIn 指令去寫超音波會

有誤判的問題。

用副程式 Ultrasonic.h 已解決

10

用超音波去偵測，並到一定的

距離會使車子停止，這樣會使

我的路徑不準。

已解決

玖、結論

這次專題製作對我們來說實在是一個很大的挑戰，其實剛開始的時候我們是

買已經組裝好的自走車，但是開始測試之後發現前方的萬向軸會造成行進時有很

大的偏差，而紀錄路徑是使用光編碼器藉由行進時輪子的透光數來計算於行走的

距離，但是這也會產生很大的誤差，於是我們決定重新設計車體，把萬向軸改成

圓珠式，光編碼器也換掉了，改利用 Arduino UNO內部程式時間指令量測行走所

需的時間去紀錄路徑，看似短短幾行就敘述完問題與解決方法，但是實際上卻耗

費幾個月去翻書找資料研究然後不斷測試改良才全部製作完畢，從這些遇到問題

然後思考尋找解決方法的過程中得到了很多寶貴的經驗，我們從無到有不斷的在

學習不斷的在進步直到完成作品，這給了我們莫大的成就感，也讓我們不再只是

紙上談兵而能應用在實務上，不過這專題還是有很大的提升空間，比如說當超音

波感測到障礙物時停止會造成微小的偏差，還有行進時還是會有少許的誤差，這

些都是需要我們繼續思考然後再改進的問題，希望最後可以真的應用在搬運工廠，

為這個自動化的時代在添上精采的一筆。

11

拾、參考文獻

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http://www.geek-workshop.com/thread-288-1-1.html

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http://www.tahoroom.com/archives/7030.html

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