章?lián)P，周子堯，楊皓斌

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用正逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)行業(yè)，如機(jī)械和電子制造，也在不斷向前發(fā)展，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，并已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。此外，物流行業(yè)的崛起促使物流機(jī)器人的涌現(xiàn)和不斷發(fā)展。

目前的物流機(jī)器人在高效地完成搬運(yùn)任務(wù)方面表現(xiàn)出色，然而，它們尚未具備物品識(shí)別和分類的功能，無法辨別貴重物品和普通物品，需要人工干預(yù)進(jìn)行分類，這限制了其完全釋放人力生產(chǎn)力的潛力。此外，這類機(jī)器人缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作功能，不能在應(yīng)對(duì)突發(fā)問題時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。鑒于上述兩個(gè)問題，我們提出了當(dāng)前領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。

我們的項(xiàng)目具備在已知場(chǎng)地內(nèi)執(zhí)行貨物識(shí)別和搬運(yùn)任務(wù)的能力，適用于各種物流分揀等場(chǎng)景，極大提升了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)力的最大釋放。此外，它還具備在未知或突發(fā)情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和探索道路的能力，使人能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，并進(jìn)行簡單的搬運(yùn)任務(wù)，將潛在風(fēng)險(xiǎn)和損失降至最低。此外，它還可以進(jìn)行固有功能之外的操作，實(shí)現(xiàn)更多的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體框圖如圖1 所示。它包括主控板、機(jī)械臂、舵機(jī)、攝像頭、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器、電池、電源電路。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 鋰聚合物電池

圖3 TPS54540 簡化電路圖

本系統(tǒng)的主要工作部件是機(jī)械臂、攝像頭和電動(dòng)機(jī)。為了控制這三個(gè)部件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，我們采用舵機(jī)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和速度，進(jìn)一步操控車身運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，主控板負(fù)責(zé)處理攝像頭傳來的視頻數(shù)據(jù)，分析得到結(jié)果后將行動(dòng)命令傳遞給電機(jī)和機(jī)械臂。整個(gè)系統(tǒng)的供電由電池和電源電路提供。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的一部分，良好的硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)軟件編程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，才能保證智能車運(yùn)行流暢穩(wěn)定。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)來合理布局，確定電路板的尺寸以及固定孔位置，車模更加一體化。硬件電路設(shè)計(jì)的開始，要進(jìn)行主控芯片的選擇，主控芯片要考慮算力，是否能夠滿足圖像處理的要求，芯片主頻能否滿足傳輸速率的要求等。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要包括電源供電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、運(yùn)算放大電路等，將各個(gè)電路設(shè)計(jì)到一起時(shí)，需要考慮到供電的穩(wěn)定性。

■2.1 主控芯片選擇

主控芯片使用的是NXP公司生產(chǎn)的I.MX RT1064[5]，此款芯片基于Cortex-M7 內(nèi)核，主頻高達(dá)600MHz，CPU運(yùn)算速度快，這意味著在對(duì)攝像頭采集的圖像做圖像處理的時(shí)候會(huì)有很強(qiáng)的運(yùn)算性能，為大量復(fù)雜的運(yùn)算提供了更大的算力，增加了數(shù)據(jù)處理的速度，增強(qiáng)了圖像處理能力。同時(shí)，此款芯片還有1M 的片內(nèi)SRAM，可以將一些較為復(fù)雜程序中的一些中間變量放入特殊的內(nèi)存，提高數(shù)據(jù)處理的速率。

■2.2 電源電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 電池的選擇

電池選用鋰聚合物電池，規(guī)格型號(hào)為11.1V 2600mA。能夠滿足智能車中速運(yùn)行大概半個(gè)多小時(shí)，續(xù)航時(shí)間長。并且該電池的尺寸很符合放置在車模底盤，不會(huì)影響車模運(yùn)行情況及觀感。

電路根據(jù)不同外設(shè)供電需要，需要從11.1V 鋰聚合物電池設(shè)計(jì)不同的穩(wěn)壓電路，用來提供6V 舵機(jī)供電、3.3V 單片機(jī)供電、5V 編碼器供電，另外電機(jī)的供電直接使用電池輸出電壓，無需做穩(wěn)壓處理。

2.2.2 5V 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

5V 穩(wěn)壓原理圖電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 TPS54540設(shè)計(jì)原理圖

TPS54540 是一款42V，5A 降壓穩(wěn)壓器，此穩(wěn)壓器具有一個(gè)集成的高側(cè)MOSFET。按照ISO 7637 標(biāo)準(zhǔn)，此器件能夠耐受高達(dá)45V 的拋負(fù)載脈沖。電流模式控制提供了簡單的外部補(bǔ)償和靈活的組件選擇。一個(gè)低紋波脈沖跳躍模式將無負(fù)載時(shí)的電源電流減小至146μA。當(dāng)啟用引腳被拉至低電平時(shí)，關(guān)斷電源電流被減少至2μA。這塊芯片不僅體積小，輸出穩(wěn)定，輸出電流更是可達(dá)5A，極高的開關(guān)頻率可以很好地為后方各種用電元件提供足夠的功率。經(jīng)過實(shí)測(cè)，輸出端帶載1A 情況下紋波只有50mV，精度可達(dá)5%。用TPS545450 穩(wěn)壓至5V后，使用簡單而穩(wěn)定的AMS1117(LDO)電源穩(wěn)壓至3.3V 即可。

表1 TPS545450管腳功能表

表2 LM2596S管腳功能表

2.2.3 6V 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

LM2596s 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A 的驅(qū)動(dòng)電流。相比于另外一款穩(wěn)壓芯片——AMS1117，能夠帶動(dòng)更大的負(fù)載。

6V 穩(wěn)壓原理圖電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 穩(wěn)壓原理圖

2.2.4 3.3V 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

3V3 穩(wěn)壓模塊主要是用AMS1117 在5V 穩(wěn)壓基礎(chǔ)上再做穩(wěn)壓，AMS1117 是一種固定輸出調(diào)節(jié)器，是一種低壓差線性穩(wěn)壓器，最大可輸出500mA 電流，可以給編碼器，TFT 顯示屏等供電，這種供電的方式使輸出電源受干擾小，可以使傳感器采集的信號(hào)更加穩(wěn)定。原理圖如圖6 所示。

圖6 3V 穩(wěn)壓原理圖設(shè)計(jì)

■2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用BTN7971B 驅(qū)動(dòng)芯片，它具有邏輯電平輸入、電流檢測(cè)診斷、壓擺率調(diào)整、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生以及過溫、過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)，便于進(jìn)行控制和電路設(shè)計(jì)，且驅(qū)動(dòng)能力滿足智能車智能視覺組的使用要求。BTN7971B與其他BTN7971B 結(jié)合使用，可以形成H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

電流采集使用BTN 的引腳進(jìn)行負(fù)載電流輸出，IS引腳與負(fù)載電流成比例（比例一般為19.5K，具體見芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)）的電流源，在該引腳上配置檢流電阻，可以通過AD 接口采集到電壓得到相應(yīng)的電流值。

對(duì)BTN 的使能引腳進(jìn)行單獨(dú)控制，配合電流檢測(cè)可以對(duì)BTN的使能狀態(tài)進(jìn)行控制，檢測(cè)到過流時(shí)，切斷BTN 輸出，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。

在BTN 的電源和地之間接470nf 的電容，進(jìn)行濾波，減少電機(jī)造成的地抖動(dòng)。圖7 是BTN7971B 的封裝。

圖7 BTN7971B 封裝圖

關(guān)于BTN7971B 的引腳定義如表3 所示。

表3 BTN7971B引腳功能表

芯片手冊(cè)建議的一種H 橋設(shè)計(jì)方法如圖8 所示。

圖8 BTN7971B H 橋推薦電路

參考上面H 橋設(shè)計(jì)電路，最終設(shè)計(jì)了該驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖9 所示。

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

使用兩個(gè)H 橋來控制兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)H 橋由兩路PWM 組成，可以在IS 端接一個(gè)ADC 管腳，來檢測(cè)電壓，進(jìn)行過流保護(hù)。

圖10 顯示IN 管腳和OUT 管腳的時(shí)序問題，當(dāng)IN由低變高，OUT 會(huì)延時(shí)一段時(shí)間后，再有電壓輸出，當(dāng)IN 由高變低，OUT 會(huì)有一段延時(shí)，然后由高變低。

圖10 IN 和OUT 管腳時(shí)序圖

■2.4 主控板的設(shè)計(jì)

主控板除了包括核心板插針以外，還包括4 個(gè)編碼器接口，一個(gè)陀螺儀接口，3個(gè)舵機(jī)接口，一個(gè)電磁鐵接口，4 路電源接口，兩個(gè)OpenArt 通訊接口，裁判系統(tǒng)接口，PWM 輸出接口，以及為了調(diào)試時(shí)使用的LCD 接口和一個(gè)五項(xiàng)開關(guān)兩個(gè)獨(dú)立按鍵。

主控電路原理圖如圖11 所示。

圖11 主板原理圖

圖12 主控板PCB 圖

圖13 主程序流程圖

圖14 子程序流程圖1

圖15 子程序流程圖2

圖16 子程序流程圖3

■2.5 PCB 設(shè)計(jì)

2.5.1 主控板PCB 設(shè)計(jì)

主控板的接口和驅(qū)動(dòng)板匹配，普遍使用XH2.54 接口，比較牢靠的同時(shí)可提供充足的電流。同時(shí)為了縮小主控體積，采用了四層板設(shè)計(jì)，盡可能提高集成度。

2.5.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB 設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)板采取了雙面設(shè)計(jì)，在上下兩面都安置有電子器件，這樣可以節(jié)省空間，節(jié)約主控板的面積。由于驅(qū)動(dòng)板過電流比較大，電源供電接口采用XT30，最大過電流為30A，完全滿足要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)上電后，首先對(duì)所有傳感器模塊進(jìn)行初始化(電機(jī)、陀螺儀、串口等)，結(jié)束后將會(huì)進(jìn)入菜單欄目，在這里可以進(jìn)行功能選項(xiàng)。當(dāng)按鍵按下，我們可以選擇進(jìn)入我們的遠(yuǎn)程控制模式或是搬運(yùn)模式，也可以進(jìn)行參數(shù)測(cè)試與調(diào)整。若按鍵沒有按下則持續(xù)顯示。

在功能檢測(cè)的子模塊中，我們可以對(duì)已有的功能進(jìn)行測(cè)試并實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)試。我們可以測(cè)試電機(jī)、編碼器以及各種其他傳感器的基本功能，并與實(shí)際功能結(jié)合起來進(jìn)行測(cè)試。例如，我們可以將陀螺儀與電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)合，測(cè)試小車能否快速旋轉(zhuǎn)到指定角度或者利用攝像頭與串口功能測(cè)試下位機(jī)路徑規(guī)劃結(jié)果等。當(dāng)結(jié)果與預(yù)期不符，我們可以進(jìn)行PID參數(shù)整定并將參數(shù)存儲(chǔ)到SD 卡中，實(shí)現(xiàn)斷電參數(shù)存取，以及線下調(diào)參等功能。

在遠(yuǎn)程控制模塊，我們主要利用樹莓派來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。利用樹莓派攝像頭，我們可以輕易做到攝像頭圖像的調(diào)取與遠(yuǎn)程顯示，另外我們?cè)谶h(yuǎn)程發(fā)送串口指令來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作。我們可以通過遠(yuǎn)程串口指令來控制機(jī)器人前、后、左、右運(yùn)動(dòng)或定距離行進(jìn)一段路程，并能控制機(jī)械臂進(jìn)行左右移動(dòng)，這樣除了能改變攝像頭視野外還能進(jìn)行人工控制搬運(yùn)工作。

在搬運(yùn)模式下，我們除了可以直接利用機(jī)器人內(nèi)置的攝像頭來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的坐標(biāo)點(diǎn)位提取，還可以通過樹莓派來構(gòu)建場(chǎng)外攝像頭，利用OpenCV 來實(shí)現(xiàn)位置目標(biāo)位置情況下，坐標(biāo)點(diǎn)位的識(shí)別與計(jì)算。獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)信息后，利用無線模塊將信息傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人開始工作，不斷進(jìn)行平移、目標(biāo)識(shí)別、機(jī)械臂搬運(yùn)分類這三個(gè)流程直至所有目標(biāo)搬運(yùn)完畢。然后機(jī)器人會(huì)將分類后的貨物卸到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)并自動(dòng)回到車庫。

■3.2 控制算法設(shè)計(jì)

由于我們使用的是麥輪車，所以想要控制好麥輪的行動(dòng)還需了解麥輪的特點(diǎn)。

麥克納姆輪（以下簡稱麥輪）[1～2]是由輪轂和圍繞輪轂的輥?zhàn)咏M成的，輥?zhàn)邮且环N沒有動(dòng)力的從動(dòng)小滾輪，麥克納姆輪輥?zhàn)虞S線和輪轂軸線夾角是45 度，并且有互為鏡像關(guān)系的A、B 輪兩種，或者會(huì)被稱為左旋輪和右旋輪。這一般會(huì)在輪轂上面有標(biāo)識(shí)A 和B、L 和R。前面提到麥輪分AB兩種，如果A 輪向前運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，即斜向右前方運(yùn)動(dòng)，那么相反，A 輪向后運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)向左運(yùn)動(dòng)，即斜向左后方運(yùn)動(dòng)；相應(yīng)B 輪就可以斜向左前和右后方運(yùn)動(dòng)。這樣的話只要安裝正確，我們就可以使車體全向移動(dòng)。

只需調(diào)節(jié)x、y、z 三個(gè)方向的速度值即可完成全向移動(dòng)，而為了使車能夠更平滑地啟動(dòng)與停止，我們還編寫了速度環(huán)及位置環(huán)等PID 控制代碼。

同時(shí)為了獲得當(dāng)前移動(dòng)的距離和坐標(biāo)[3]，我們需要利用編碼器來計(jì)算小車移動(dòng)的距離，同時(shí)，為了減小誤差，我們固定了車頭方向，由于我們車頭是需要保持超前的，因此我們需要用到陀螺儀來實(shí)時(shí)校正車身的姿態(tài)，以防車頭不正，產(chǎn)生距離上的誤差。

在工業(yè)過程控制中[4～5]，按被控對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的信息與給定值比較產(chǎn)生的誤差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，簡稱PID（Proportional Integral Derivative）控制系統(tǒng)。PID 控制具有原理簡單，魯棒性強(qiáng)和適用面廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制系統(tǒng)。我們對(duì)電機(jī)的速度控制進(jìn)行了PID 閉環(huán)，每個(gè)輪子都有自己單獨(dú)的PID，并且在加減速和角度控制上也同樣利用了PID 來進(jìn)行控制，我們將電機(jī)輸出的限幅設(shè)置在了40%，在滿足速度要求時(shí)防止出現(xiàn)一些意外情況導(dǎo)致加減速過快或車失控。運(yùn)用PID控制的關(guān)鍵是調(diào)整KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)，即參數(shù)整定。PID參數(shù)的整定方法有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

由于我們需要讓小車移動(dòng)到圖片面前并識(shí)別，單純地只靠編碼器獲取的距離值來判斷是否到達(dá)是很不精準(zhǔn)的，因此在到達(dá)圖片附近后，我們需要利用一個(gè)攝像頭來幫助我們校正車身的位置，通過攝像頭獲取到圖片的位置信息反饋給主控從而來控制車身向圖片面前移動(dòng)。

4 總結(jié)

本作品為基于麥克納姆輪的智能搬運(yùn)機(jī)器人，除了智能搬運(yùn)的要求之外，本作品還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接查看和遠(yuǎn)程控制，將自動(dòng)模式和手動(dòng)模式相結(jié)合，擴(kuò)寬了用途，探索了麥克納姆輪的新應(yīng)用。本作品使用可以全向行駛的麥克納姆輪車模作為載體，使用四個(gè)電機(jī)，行駛速度快。車模裝載有機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)，在機(jī)械臂上裝載有攝像頭，用以進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)識(shí)別和搬運(yùn)，是一種極大的提升。機(jī)器人上搭載樹莓派[6]，通過網(wǎng)絡(luò)可以遠(yuǎn)程調(diào)用攝像頭，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，并且通過串口，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

硬件上使用了RT-1064 單片機(jī)，自主設(shè)計(jì)了PCB。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)采用3D 打印，其中與車模連接件采用自主設(shè)計(jì)和加裝。使用九軸陀螺儀和攝像頭等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了多種傳感器共同作用于一個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)。使用航模電池供電，電源輸出穩(wěn)定。

軟件編程上，使用自主上位機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃算法，對(duì)于搬運(yùn)進(jìn)行規(guī)劃，減少搬運(yùn)時(shí)耗。搭建深度學(xué)習(xí)模型，進(jìn)行學(xué)習(xí)和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)貨物的自動(dòng)化識(shí)別。對(duì)機(jī)械臂控制算法進(jìn)行開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)輕易地準(zhǔn)確拾取。通過樹莓派連接網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)圖像。串口連接下位機(jī)，進(jìn)行控制信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。使用場(chǎng)外攝像頭進(jìn)行搬運(yùn)物的定位，獲取貨物地址。使用了RT-Thread 嵌入式系統(tǒng)，提高了單片機(jī)的使用效率。