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        高職院校實(shí)訓(xùn)區(qū)域智能運(yùn)載AGV機(jī)器人

        2021-10-13 10:25:54李嘉輝張勁東劉鵬宇鄭可建王二利
        電子制作 2021年19期
        關(guān)鍵詞:接收端機(jī)械手小車

        李嘉輝,張勁東,劉鵬宇,鄭可建,王二利

        (天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué),天津,300222)

        0 引言

        我國近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得新成效,但隨著經(jīng)濟(jì)快速增長以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,勞動(dòng)力市場供應(yīng)與需求不匹配,嚴(yán)重缺少熟練技術(shù)人才的問題仍亟待解決。為此各地高職院校紛紛建設(shè)公共實(shí)訓(xùn)中心,從人才的培養(yǎng)上解決該問題。但實(shí)訓(xùn)中心每天需要承擔(dān)大量的學(xué)生實(shí)訓(xùn)工作,實(shí)訓(xùn)工具使用率呈持續(xù)增長,每天如何在實(shí)訓(xùn)前及時(shí)的、準(zhǔn)確的為學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)工具,實(shí)訓(xùn)結(jié)束后快速將工具入庫、統(tǒng)計(jì)成了管理人員頭疼的問題。本文研究的高職院校實(shí)訓(xùn)區(qū)域智能運(yùn)載AGV機(jī)器人,通過融合相關(guān)技術(shù),較好的解決了上述問題,具有十分良好的應(yīng)用前景。

        1 作品功能與特色

        (1)路徑規(guī)劃—采用分布式體系結(jié)構(gòu),其各個(gè)功能模塊作為相對(duì)獨(dú)立的單元參與整個(gè)體系。主控單元與測控介入處理、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、數(shù)傳、有效載荷控制等功能子系統(tǒng)相互獨(dú)立為智 能體,由總線相連;主控單元為整個(gè)系統(tǒng)提供整體規(guī)劃,以及協(xié)調(diào)、管理各子系統(tǒng)的行為。測控介入處理保證地面系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)任意層面的控制介入能力,可接受上行的使命級(jí)任務(wù);自主完成主控單元發(fā)送的任務(wù)規(guī)劃。

        (2)無線充電—當(dāng)AGV運(yùn)載車的電量使用達(dá)到最低預(yù)設(shè)值時(shí),將自動(dòng)報(bào)警提示并在完成當(dāng)前任務(wù)后自動(dòng)前往最近的無線充電網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行有序充電。同時(shí)無線充電時(shí)通過非接觸式的磁場進(jìn)行電能傳輸,很大程度上減少了安全隱患的出現(xiàn),避免了不必要的硬件損耗。

        (3)安全運(yùn)行—車身四周環(huán)繞有雷達(dá)探測,可以準(zhǔn)確規(guī)避路徑上突然出現(xiàn)的故障,確保行駛安全。機(jī)械手部位裝有限位開關(guān),確保機(jī)械臂達(dá)到最大工作范圍后能夠及時(shí)報(bào)警停止,避免損壞;此外超出機(jī)械臂最大工作范圍外還設(shè)有對(duì)射式光纖傳感器以確保在機(jī)械臂工作工程中因人員無意間進(jìn)入機(jī)械臂工作范圍而造成傷害事故。

        (4)應(yīng)用廣泛—機(jī)械臂法蘭盤部位可以根據(jù)所搬運(yùn)工件種類大小不同裝載不同的抓取工具與滿足用戶更多的需求。

        (5)工作環(huán)境要求小—AGV運(yùn)載車以較小的車身體積為優(yōu)點(diǎn),可以在較為狹窄的工作區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè),能夠適應(yīng)各種室內(nèi)器件搬運(yùn)工作。

        2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)硬件框圖

        AGV機(jī)器人由微處理器控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等部分組成。

        微處理器控制系統(tǒng):采用STM32H750VBT6高性能單片機(jī),H7是ARM系列里ST公司最新研究出的高性能處理器,而且VBT6也是H7系列中性價(jià)比較高的產(chǎn)品,它含有了一系列的所有功能,比如Cortex-M7內(nèi)核,400Mhz的主頻率,還有1MB的SRAM,以及16K指令和緩存數(shù)據(jù),單片機(jī)還集成了128KB等待得FALSH,而且價(jià)格還很合適,非常適合高性能嵌入式進(jìn)行開發(fā)。這次使用H7系列的單片機(jī)結(jié)合紅外光電檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù),對(duì)AGV機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及周邊近距離障礙物、盲區(qū)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,確保AGV機(jī)器人的安全運(yùn)行,在本次系統(tǒng)中使用了3個(gè)SPIFLASH,其中2個(gè)是主控的qspi FLASH,可用來儲(chǔ)存代碼,從而記錄數(shù)據(jù),另外一個(gè)就是用來與串口屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

        圖2 ZVS電路

        視覺系統(tǒng):采用OpenMv H7 PLUS攝像頭。使用內(nèi)置Template Matching模板匹配檢測工具的擺放位置,自動(dòng)生成三維位置坐標(biāo),并將工具使用前后的完整程度記錄下來,Sensor是攝像頭中的一個(gè)感光模塊,其實(shí)主要用于設(shè)置光元件的參數(shù),這個(gè)模塊在硬件上可以設(shè)置為兩種識(shí)別方式,一個(gè)是彩色,其次就是設(shè)置的黑白色。

        圖3 兩種基本結(jié)構(gòu)模型

        灰度每個(gè)像素大約是8bit,而彩色的每個(gè)像素是16bit。識(shí)別工具時(shí)就會(huì)隨機(jī)拍取一張照片,就會(huì)更改一些設(shè)置,跳過一些幀等操作,最后等待元件變穩(wěn)定。采集完工具的圖像之后還會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行模塊匹配,匹配之前首先就是對(duì)采集時(shí)候的imagine參數(shù)引入,通過與STM32H750VBT6單片機(jī)USART通信的方式發(fā)送給微處理器。匹配的目標(biāo)首先要用模板,而且模板圖片的大小不能超過OpenMv的flash,如果超過模板的flash的話就要外加SD卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。引入模板的圖片需要用的是pgm的格式,而且大小也有限制,不能超過的OpenMv的格式大小,本次攝像頭主要用來識(shí)別靜態(tài)的工具,采用的是NCC算法,這只能匹配與模板圖片和角度基本上一致的圖案,也可以進(jìn)行多角度的進(jìn)行匹配,此情況就需要保存多個(gè)工具的模板。

        無線充電系統(tǒng):采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù),利用電磁波來進(jìn)行能量的發(fā)送與接收。理論上從能量傳輸?shù)慕欠治觯南到y(tǒng)至少需要2個(gè)線圈才能進(jìn)行無線電能傳輸,2個(gè)諧振線圈的結(jié)構(gòu)被稱作MCR-WPT的第1種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外在兩個(gè)諧振線圈的基礎(chǔ)上又增加了2個(gè)感應(yīng)線圈,使得電源線與發(fā)射線之間相互隔離,這個(gè)四線圈的結(jié)構(gòu)為MCR-WPT的第2種結(jié)構(gòu)。

        本次智能運(yùn)載AGV機(jī)器人無線充電系統(tǒng)主要運(yùn)用的是兩線圈結(jié)構(gòu),兩線圈的量傳輸路徑如圖4所示,當(dāng)電路回路接通時(shí),電源給發(fā)射線圈供電,當(dāng)發(fā)射線圈發(fā)生諧振的時(shí),發(fā)射線圈中電容的電場能與電感線圈的磁場就會(huì)不斷地進(jìn)行能量的交換,而電感線圈中的磁場有一部分傳輸?shù)浇邮斩说碾姼芯€圈,再經(jīng)過交變的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽芰孔罱K傳遞到接收端。同理在能量的接收端,接收線圈也會(huì)發(fā)生諧振,接收線圈中的電容的電場能也有電感線圈中的磁場能也在不斷地進(jìn)行能量交換,最終將能量傳遞給負(fù)載。

        圖4 兩線圈能量傳遞

        如圖4所示,由基爾霍夫定律可知:

        當(dāng)發(fā)射端和接收端發(fā)生諧振的時(shí),滿足以下條件:

        將(3)式結(jié)合基爾霍夫定律可得負(fù)載的功率為:

        發(fā)送端將電力發(fā)出,同時(shí)接收端在經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將接收到的電能傳輸給電池。整個(gè)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分:電力發(fā)送部分和電能接收部分。電力發(fā)送部分是將市電經(jīng)過整流和逆變后轉(zhuǎn)化為直流電之后在利用全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電,借助磁耦合諧振原理將所產(chǎn)生的高頻交流電通過磁場發(fā)送到接收端,作為接收部分的輸入電壓,之后再通過整流、濾波后,轉(zhuǎn)換為小車所需的直流供給電池。

        路徑規(guī)劃系統(tǒng):以ti的tms320vc5416為中央處理器,配合以視頻解碼芯片和大容量存儲(chǔ)器,完成圖像的采集、處理和存儲(chǔ)。主程序運(yùn)行在dsp中,完成圖像預(yù)處、模式識(shí)別等圖像處理算法,自動(dòng)識(shí)別地面路徑,生成軌跡點(diǎn)并記錄路面已存在的障礙物,待確定后,應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。重新給定移動(dòng)機(jī)械手的初始位姿及機(jī)械手末端的目標(biāo)位姿,在移動(dòng)機(jī)械手各廣義坐標(biāo)的工作范圍內(nèi)尋找一條無碰撞路徑。也可以通過手動(dòng)的方式確定機(jī)械手起始點(diǎn)坐標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),以及小車運(yùn)行的軌跡點(diǎn)與距離,再自動(dòng)計(jì)算生成可執(zhí)行路徑。

        圖5 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

        聲光報(bào)警指示電路:報(bào)警指示電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,因此,任何一個(gè)完整的控制系統(tǒng)都會(huì)配合一套相應(yīng)的報(bào)警指示電路。所以,結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)的完整性和安全性,為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套聲光報(bào)警指示電路,聲光報(bào)警指示電路由蜂鳴器和紅、綠兩種顏色的發(fā)光二極管構(gòu)成。其主要的作用是在系統(tǒng)正常運(yùn)行或者出現(xiàn)故障急停等狀態(tài)時(shí)發(fā)出聲和光的警示作用。給予工作人員提供聽覺上和視覺上的提示,便于用戶更好的掌握當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),主控單片機(jī)輸出信號(hào)控制綠色發(fā)光二極管常亮進(jìn)行提示,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者急停時(shí),主控單片機(jī)輸出信號(hào)控制紅色發(fā)光二極管常亮以及蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音進(jìn)行提示。聲光報(bào)警指示電路外圍電路體積小,操作簡單等特點(diǎn)。聲光報(bào)警指示電路原理圖如圖6所示。

        圖6 聲光報(bào)警指示電路

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

        圖7 小車運(yùn)輸系統(tǒng)軟件流程圖

        小車運(yùn)輸系統(tǒng)執(zhí)行功能主要由小車運(yùn)輸路徑獲取、軌跡運(yùn)動(dòng)行為規(guī)劃、起始位置姿態(tài)確認(rèn)、路障規(guī)避、搬運(yùn)物投放等組成。

        當(dāng)小車開始運(yùn)行時(shí),首先需要進(jìn)行運(yùn)輸路徑獲取,可以選擇由用戶手動(dòng)輸入移動(dòng)軌跡坐標(biāo)點(diǎn)和初始化姿態(tài)坐標(biāo);也可以通過地圖導(dǎo)入或者實(shí)際路況采集記錄等方式進(jìn)行小車運(yùn)輸路徑輸入。之后系統(tǒng)將通過輸入的路徑進(jìn)行運(yùn)算規(guī)劃,自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)軌跡并進(jìn)行模擬運(yùn)行測試,當(dāng)生成的運(yùn)動(dòng)軌跡執(zhí)行遇到困難或是外部因素所造成的執(zhí)行阻礙時(shí)系統(tǒng)將重新進(jìn)行軌跡規(guī)劃,選擇最適合的移動(dòng)路徑軌跡,直到能夠最佳執(zhí)行為止。運(yùn)動(dòng)路徑軌跡生成后系統(tǒng)將生成新的指令傳遞給小車控制端,矯準(zhǔn)小車與機(jī)械手位置,控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作消除偏差,確認(rèn)目標(biāo)位置,進(jìn)行識(shí)別搬用。過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控外界環(huán)境,規(guī)避外來障礙或是報(bào)警提示,必要時(shí)緊急停止,以確保安全行駛。

        整個(gè)搬運(yùn)過程可視化,用戶可以在終端設(shè)備上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測,以達(dá)到高效、可控、安全性高等特點(diǎn)。

        4 分析與結(jié)論

        在這科技飛速發(fā)展的時(shí)代,一體化控制技術(shù)不斷更新,基于四軸機(jī)器人的物流分揀系統(tǒng)可以隨著一體化技術(shù)的更新,而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的人工手動(dòng)分揀運(yùn)送方式,系統(tǒng)能夠持續(xù)的、長時(shí)間的進(jìn)行自動(dòng)分揀搬運(yùn)工作,既有效的解決了傳統(tǒng)的物流分揀工作中的難題。又體現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。不僅將小車與機(jī)械手完美結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)控制;同時(shí)又融入了軌道規(guī)劃,自動(dòng)識(shí)別等技術(shù),使系統(tǒng)能夠更加安全、精準(zhǔn)的進(jìn)行搬運(yùn)工作。對(duì)應(yīng)不同的物品或工具選用適合的搬用手爪可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的物品運(yùn)輸,以滿足與不同的工作場合。如實(shí)訓(xùn)工具的自動(dòng)拾取與搬用以及精準(zhǔn)投放。整個(gè)系統(tǒng)以靈巧便捷著稱,可以滿足與各種狹窄的工作路徑與范圍,具有廣泛的應(yīng)領(lǐng)域以及推廣空間。

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