（南開(kāi)大學(xué)濱海學(xué)院，天津 300270）

0 引 言

現(xiàn)今，隨著先進(jìn)技術(shù)裝備的應(yīng)用和普及，我國(guó)物流業(yè)正努力從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)模式向現(xiàn)代化、智能化升級(jí)。但一些具有搬運(yùn)、碼垛、分揀等功能的智能機(jī)器人的核心和高精度零件仍然過(guò)于依賴(lài)進(jìn)口；在品牌影響力上，本土化民族品牌也相對(duì)缺乏。生產(chǎn)技術(shù)的主要任務(wù)是高效、快速。智能傳感自主運(yùn)輸機(jī)器人可以代替人進(jìn)行貨物的分類(lèi)、搬運(yùn)和裝卸，也可以代替人來(lái)搬運(yùn)危險(xiǎn)品，從而保證工人的人身安全。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，無(wú)人駕駛汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)等產(chǎn)品的出現(xiàn)，預(yù)示著人類(lèi)即將進(jìn)入一種新的生活模式。對(duì)于工作量大且繁雜的物流分揀而言，智能感知自主運(yùn)輸機(jī)器人不僅可以解放人類(lèi)的雙手，也可以推動(dòng)物流行業(yè)的發(fā)展。

1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人主要由三部分構(gòu)成，即傳感器檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)。傳感器檢測(cè)系統(tǒng)包括OpenMV圖像識(shí)別模塊和超聲波以及紅外避障模塊；控制系統(tǒng)將STM32F103C8T6作為主控芯片；動(dòng)力系統(tǒng)采用L298N控制帶有編碼器的直流電機(jī)。機(jī)器人總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人利用OpenMV圖像識(shí)別模塊識(shí)別貨物的條形碼。條形碼提供貨物的路徑信息，機(jī)器人經(jīng)程序計(jì)算后規(guī)劃行進(jìn)路線。行進(jìn)過(guò)程中，圖像識(shí)別模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)軌跡信息，STM32接收軌跡信息，通過(guò)PWM電機(jī)使機(jī)器人不偏離軌跡。紅外數(shù)字避障傳感器和US-100超聲波傳感器檢測(cè)機(jī)器人前方是否有障礙物。如果有障礙物，則根據(jù)障礙物寬度計(jì)算轉(zhuǎn)彎角度，躲開(kāi)障礙物后回到預(yù)定路線繼續(xù)工作[1-3]。

2 機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

硬件原理如圖2所示。

圖2 硬件原理

2.1 二維碼識(shí)別與巡線模塊—OpenMV

OpenMV攝像機(jī)是一種小型、低功耗、低成本的電路板。它以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像機(jī)，可以由Python控制。該模塊可以利用外部終端觸發(fā)或執(zhí)行算法，算法的結(jié)果可以用來(lái)控制I/O管腳。

2.2 避障模塊—超聲波和紅外對(duì)管相結(jié)合

HC-SR04超聲波模塊集成度高，穩(wěn)定性好，測(cè)量距離精確且穩(wěn)定。該模塊利用單片機(jī)的I/O觸發(fā)電平測(cè)距，單片機(jī)內(nèi)部利用普通定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)之后，超聲波便可以自主發(fā)送頻率為40 kHz的方波，然后等待信號(hào)返回。若有信號(hào)返回，單片機(jī)I/O口立刻輸出高電平，利用高空作業(yè)產(chǎn)生的時(shí)間計(jì)算小車(chē)與障礙物之間的距離。

紅外發(fā)射對(duì)管中的發(fā)射管發(fā)射紅外光，機(jī)器人離前方障礙物越近，則反射紅外光越強(qiáng)；紅外接收管的EC電壓接近0 V，小于LM3932腳的電壓，因此LM393輸出低電平，綠色指示燈亮。

實(shí)際使用中，紅外接收管工作在放大區(qū)，即C點(diǎn)電壓在不斷變化。因此可通過(guò)調(diào)節(jié)LM3932腳的電壓來(lái)改變靈敏度。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊—L298N模塊

L298N是ST公司出品的芯片，其主要特點(diǎn)是工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46 V，可驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，由0 V電源直接調(diào)節(jié)電壓。單片機(jī)的I/O口可提供信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，使用方便。

另外，我們選取了帶有增量式編碼器的直流電機(jī)。增量式編碼器通常有2個(gè)輸出信號(hào)，分別為A相和B相。每個(gè)信號(hào)都是一個(gè)由方波組成的脈沖串，A相和B相的相位差為90°。單片機(jī)在接收到A相與B相輸入后，根據(jù)接收到的相位序列確定電機(jī)轉(zhuǎn)向，根據(jù)脈沖串的頻率確定電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精確控制[4-6]。

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用四輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)控制方面非常流暢，4個(gè)輪子使整體更加穩(wěn)定。麥克納姆輪相對(duì)全向輪而言，可以通過(guò)其轉(zhuǎn)速和安裝方法合成任意方向的合力，能夠讓機(jī)器人全方向移動(dòng)。80 mm超大麥輪負(fù)重可達(dá)6 kg，更好地滿(mǎn)足了基礎(chǔ)物流運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖3所示。

圖3 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)爆炸圖

3.1 麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1.1 底盤(pán)運(yùn)動(dòng)分解

機(jī)器人做平面運(yùn)動(dòng)時(shí)可將其分解為3個(gè)獨(dú)立分量：X軸平動(dòng)、Y軸平動(dòng)、yaw軸自轉(zhuǎn)。如圖4所示，底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)可分解為3個(gè)量：表示X軸運(yùn)動(dòng)速度的Vtx，定義向右為正；表示Y軸運(yùn)動(dòng)速度的Vty，定義向前為正；表示yaw軸自轉(zhuǎn)角速度的，定義逆時(shí)針為正。同時(shí)這3個(gè)分量一般看作4個(gè)輪子幾何中心的速度。

圖4 麥克納姆輪車(chē)體

3.1.2 計(jì)算輪子軸心位置的速度

X、Y軸分量為vx=vtx-ω·ry，vy=vty+ω·rx。同理可以算出其他3個(gè)輪子軸心的速度。麥克納姆輪速度分解圖示如圖5所示。

圖5 麥克納姆輪速度分解圖示

3.1.3 計(jì)算輥?zhàn)铀俣?/p>

圖6 輥?zhàn)铀俣确纸鈭D示

3.1.4 計(jì)算輪子速度

從輥?zhàn)铀俣鹊捷喿愚D(zhuǎn)速的計(jì)算使用如下公式：

結(jié)合以上步驟，可以根據(jù)底盤(pán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)解算出4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速：

以上方程組為O-長(zhǎng)方形麥輪底盤(pán)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，而正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的3個(gè)方程求解。

輥?zhàn)铀俣鹊捷喿愚D(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換示意如圖7所示。

圖7 輥?zhàn)铀俣鹊捷喿愚D(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換示意圖

4 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為兩部分，即避障和圖像識(shí)別。圖像識(shí)別又分為識(shí)別二維碼和識(shí)別路徑引導(dǎo)線。

系統(tǒng)上電進(jìn)行自檢和各個(gè)模塊的初始化，此時(shí)檢測(cè)攝像頭窗口處是否為二維碼，當(dāng)檢測(cè)到二維碼并獲取到相應(yīng)值時(shí)，OpenMV識(shí)別對(duì)應(yīng)軌跡，并沿著對(duì)應(yīng)軌跡行駛。在行駛過(guò)程中，利用PID算法進(jìn)行誤差矯正，以確保機(jī)器人按照規(guī)定路線行駛。在機(jī)器人行駛的同時(shí)，避障傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)前方是否有障礙物，在檢測(cè)到障礙物之后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的規(guī)避處理，規(guī)避之后機(jī)器人返回之前的工作路徑繼續(xù)完成相應(yīng)工作。程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程

4.1 OpenMV巡線

機(jī)器人采用的快速線性回歸算法可以快速返回視野中一條回歸直線，并得到直線的斜率、角度或偏移的距離，然后利用直線返回的角度控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。若在OpenMV視野中看到的直線為豎直的，即正前方為一條直線，只需控制兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同即可；若在OpenMV視野中看到的直線為左偏，可以控制右邊電機(jī)轉(zhuǎn)速快于左邊電機(jī)，向左前方向運(yùn)動(dòng)（右前方同理）。

4.2 OpenMV識(shí)別二維碼

OpenMV的二維碼識(shí)別采用四元檢測(cè)算法。同時(shí)為防止桶形畸變對(duì)識(shí)別二維碼造成的影響，我們使用OpenMV內(nèi)置的算法矯正畸變。

4.3 PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)調(diào)速

脈寬調(diào)制（PWM）的基本原理：其控制方式為控制逆變電路開(kāi)關(guān)通斷，用脈沖代替正弦波或所需波形。換言之，在輸出波的半個(gè)周期內(nèi)形成多個(gè)脈沖，令每個(gè)脈沖等效電壓為正弦波形并且穩(wěn)定輸出。根據(jù)一定規(guī)律改變脈沖寬度進(jìn)而改變逆變電路的輸出電壓和輸出頻率。

4.4 PID控制算法

PID控制算法是工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)控制器，其具有原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、控制參數(shù)獨(dú)立、調(diào)整參數(shù)方便等特點(diǎn)。

對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制采用離散位置式PID：

式中：e(k)為本次偏差；e(k-1)為上一次偏差；∑e(k)為e(k)偏差的累計(jì)和，k為1，2，...，k；Pwm代表輸出。

5 最終結(jié)果與功能實(shí)現(xiàn)

本文最終實(shí)現(xiàn)了智能感知自主運(yùn)輸機(jī)器人的功能，其可以通過(guò)攝像頭模塊讀取貨物條形碼并確定貨物位置，在運(yùn)輸過(guò)程中避開(kāi)機(jī)器人前方障礙物，在尋跡過(guò)程中機(jī)器人中心線不偏離標(biāo)識(shí)線且能載重2.5 kg以?xún)?nèi)的物體。

機(jī)器人在正常運(yùn)輸過(guò)程中能通過(guò)攝像頭進(jìn)行圖像識(shí)別掃描，讀出相應(yīng)信息，并且能夠自主避障。通過(guò)線的粗細(xì)以及顏色的不同辨別貨架的位置，并準(zhǔn)確到達(dá)指定地點(diǎn)。

巡線時(shí)OpenMV采集的圖像如圖9所示。

圖9 OpenMV采集的圖像

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展和人口紅利的消失，快遞業(yè)對(duì)快遞和包裹自動(dòng)分揀的需求越來(lái)越大。迄今為止，人力資源的需求相對(duì)企業(yè)的發(fā)展速度而言仍較慢，特別在類(lèi)似“雙十一”等時(shí)期，銷(xiāo)售量劇增將導(dǎo)致物流延遲，而中小型分揀中心無(wú)力承受傳統(tǒng)交叉帶分揀系統(tǒng)占地面積大、成本高等帶來(lái)的壓力，因此物聯(lián)網(wǎng)被應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。我們始終相信，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以被物流行業(yè)廣泛應(yīng)用[7-10]。