一種倉庫搬運機器人的設計與實(shí)現*

*基金項目：廣東省普通高校特色創(chuàng )新類(lèi)項目（自然科學(xué)）（2018GKTSCX056）；

廣東普通高校重點(diǎn)項目（自然科學(xué)）（2019GZDXM014）；

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年科研項目（KY2021Y01Z）；

2020年教育部高等學(xué)校項目（2020ITA03008）

0 引言

目前大部分的機器人都是基于ROS 系統實(shí)現，一般ROS 在Ubentu 系統中的穩定性最好，因此需要Intel或者高性能ARM 架構的CPU 的支撐，但存在的問(wèn)題是硬件成本高，功耗高，產(chǎn)品的體積大。同時(shí)ROS 系統中有很多功能對于某些特定的應用場(chǎng)景而言是冗余的，這些冗余的功能會(huì )使系統龐大，占用很多內存和CPU的資源，而且機器人反應不夠靈敏，實(shí)時(shí)性較差。如果將ROS 移植到基于ARM 架構的低成本低功耗的CPU上，或者對ROS 系統進(jìn)行裁剪以去掉冗余的部分，存在工作難度大周期長(cháng)的問(wèn)題，而且ROS 后期運行時(shí)不夠穩定。因此要設計一款在特定應用場(chǎng)景中運行的低成本、低功耗的機器人，不應采用ROS 系統開(kāi)發(fā)，而應根據具體需求采用適用于特定應用場(chǎng)景下的定制化的軟硬件設計方案，在降低成本、功耗、體積的同時(shí)可以提高系統的穩定性和實(shí)時(shí)性。

1 硬件設計

本文闡述的搬運機器人如圖1 所示，硬件部分由ARM 主板和單片機電路板組成，具體的硬件框架如圖2 所示。

圖1 搬運機器人

圖2 硬件框架圖

其中ARM 主板采用了S5PV210 的CPU，帶有512M 的RAM 和512 M 的flash，LCD 觸摸屏，SD 卡插槽，3 個(gè)USB接口和4 個(gè)串口，運行嵌入式Linux 操作系統^[1]，如圖3 所示。利用該主板可實(shí)現機器人的激光雷達掃描，LCD 觸摸屏顯示，機器人與手機APP 之間的藍牙通信，運行mjpeg-stream 的實(shí)時(shí)web 視頻顯示等功能。

圖3 ARM開(kāi)發(fā)板

因ARM 主板運行的是嵌入式Linux 系統，該系統是非實(shí)時(shí)系統，無(wú)法準確讀取25 kHz 的光電編碼器的脈沖，因此用單片機進(jìn)行電機控制和光電編碼器的脈沖讀取，單片機與S5PV210 主板之間用自定義的通信協(xié)議傳輸電機數據^[2]，如圖4 所示。

圖4 單片機主板

圖5 SCM6716電路板

圖6 外接模塊

SCM6716 的電流驅動(dòng)模塊，可輸出的最大瞬時(shí)電流達2 A，如圖5 所示。該機器人采用了直流電機搭配減速電機的方式，增強驅動(dòng)力，可以負載超100 kg 重物。

機器人外接模塊可以為機器人提供更加豐富的功能，如圖6 所示，其中USB 攝像頭用來(lái)提供機器人現場(chǎng)的視頻，USB WiFi 模塊用來(lái)將攝像頭的視頻傳輸到web頁(yè)面瀏覽，串口藍牙模塊用來(lái)和手機APP 連接，飛控模塊包含GPS，陀螺儀，電子羅盤(pán)，加速度計等傳感器，并內置了傳感器融合等算法，為室內機器人判斷運動(dòng)方向提供參考^[3]。

機器人可連接激光傳感器，該傳感器可以?huà)呙柚車(chē)沫h(huán)境，得到周?chē)? m 范圍內的每個(gè)障礙物的角度和距離，如圖7 所示。

圖7 激光傳感器

2 軟件設計

2.1 單片機的軟件設計

機器人的直流電機連接著(zhù)減速電機，因此光電編碼器1 s 可以讀入25 kHz 的脈沖， 但嵌入式Linux 操作系統是非實(shí)時(shí)的操作系統，讀取脈沖不夠準確^[4]，因此用單片機來(lái)讀取25 kHz 的脈沖，并將脈沖值通過(guò)串口自定義的簡(jiǎn)單協(xié)議傳給ARM 開(kāi)發(fā)板。

單片機采用STC15F2K60S2，其中外部中斷0 和外部中斷1 分別用來(lái)讀取左右兩個(gè)電機的光電編碼器的脈沖，定時(shí)器0 設置為8 位重裝用以設置波特率為115 200。定時(shí)器1 每4 ms 中斷1 次，在中斷服務(wù)程序里，生成可以驅動(dòng)直流電機轉速的占空比，每200 ms 計算1次輪子的速度，假設兩個(gè)電機的光電編碼器的脈沖數為P，輪子轉一圈是25 000 個(gè)脈沖，輪子的半徑是r，則輪子的速度為2×3.14×9/25 000，并進(jìn)行1 s 的定時(shí)^[5]。

串口中斷服務(wù)程序根據從ARM 板獲取到的串口信息控制兩個(gè)電機的啟動(dòng)停止、轉動(dòng)方向、設定速度，如圖8 所示，可通過(guò)手機APP 或者機器人的液晶觸摸屏上的按鈕來(lái)發(fā)送這些指令，因點(diǎn)擊按鈕是間斷性的動(dòng)作，同時(shí)發(fā)送兩次設定速度的按鈕的時(shí)間間隔會(huì )比較久，所以在獲取設定速度時(shí)如果buffer^[2]的值有可能等于13，即’/r’，也不會(huì )認為這是新的一條指令。

圖8 單片機串口中斷服務(wù)程序

圖9 發(fā)送實(shí)時(shí)電機速度的協(xié)議

主程序每秒鐘發(fā)送兩個(gè)電機的速度到ARM 板，因嵌入式系統底層讀取串口數據是不定時(shí)的，很多情況下會(huì )讀取到一個(gè)不完整的包^[6]，考慮到機器人的速度不可能達到65 535 mm/s，因此可以將通信協(xié)議簡(jiǎn)單設計如下：

當嵌入式Linux 讀到兩個(gè)連續的0xFF，則認為是1個(gè)新的包的開(kāi)始，將后面接收到的數據存放起來(lái)，直到讀滿(mǎn)6 個(gè)字節再開(kāi)始計算兩個(gè)輪子的速度。

主程序中每秒將計算設定速度的上下限，上限是設定速度的105%，下限是設定速度的95%，當電機的速度在上下限之間不需調節占空比，否則每200 ms 調節1次占空比。

2.2 嵌入式Linux的軟件設計

圖10 嵌入式Linux的軟件結構

系統從QT 的TMainForm 進(jìn)入后分別對mjpeg-stream，GPIO，串口，液晶屏，攝像頭進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)QT的定時(shí)器，每1 秒刷新1 次控件。

在robot_start 的進(jìn)程中設置1 個(gè)死循環(huán)，不斷從串口0 連接的串口藍牙模塊來(lái)獲取手機APP 發(fā)送過(guò)來(lái)的命令并加以執行，同時(shí)不斷從串口3 連接的單片機來(lái)獲取機器人的速度，通過(guò)與設定的速度對比后向單片機發(fā)送占空比，并根據累積的脈沖數計算機器人行走的總里程和某時(shí)刻的朝向。

由于GPS 傳感器、陀螺儀、加速度計、磁力計和電子羅盤(pán)等傳感器在室內無(wú)法使用，該方法使用里程計信息對機器人的位置和角度進(jìn)行計算，因此機器人的朝向可以通過(guò)剛體的運動(dòng)進(jìn)行計算得出。

移動(dòng)機器人的輪子由電機帶動(dòng)，輪子的直徑為D，則輪子的周長(cháng)為πD，電機轉動(dòng)的圈數m 可以由光電編碼器獲取，當機器人在前進(jìn)或者后退狀態(tài)，移動(dòng)機器人移動(dòng)的距離S 可以由S = m×πD 得到^[7]。

圖11 移動(dòng)機器人的旋轉示意圖

當移動(dòng)機器人在左轉或者右轉狀態(tài)，左轉或者右轉的角度可以由圖11 中的弧線(xiàn)S 獲取，機器人的初始位置在黃色的位置，旋轉過(guò)一定角度θ2 后到了綠色的位置，從圖1 可知θ1 = θ2，如果可以得到圖11 中的長(cháng)度AC，則通過(guò)弧線(xiàn)S 和AC 則可求出機器人旋轉的角度θ1，則旋轉角度θ2 也可以得到^[8]。

圖12 移動(dòng)機器人的觀(guān)測模型

從圖12 可知，機器人的重心位置在A，對于前后左右對稱(chēng)的機器人，A 是機器人的中心位置，如果不是前后左右對稱(chēng)的機器人，A 的位置可以通過(guò)測量得到，B 是機器人左邊沿的中點(diǎn)，C 是左上輪的中心點(diǎn)，因此AB 和BC 的長(cháng)度可以通過(guò)測量得到，則AC 的長(cháng)度可通過(guò)余弦定理得到：

機器人后端的光電編碼器得到的反饋脈沖數的總數是P，如果機器人的輪子旋轉2π，光電編碼器得到的反饋脈沖數是F，則旋轉的圈數M = P/F，則旋轉角度θ2的弧度值為

圖5 中綠色方塊代表在移動(dòng)機器人，紅色圓圈代表導航的終點(diǎn)位置，A 代表移動(dòng)機器人的初始位置，C 代表移動(dòng)機器人在某一時(shí)刻的位置，B 點(diǎn)為導航的終點(diǎn)位置^[9]，由圖5可知：

其中：

因為AB 和α 為移動(dòng)機器人在初始位置時(shí)獲取的導航終點(diǎn)位置和終點(diǎn)角度，可以由手機APP 輸入，以便告知初始位置的機器人，導航終點(diǎn)的距離和角度，因此B_X和B_Y可以式（3）計算得出。

接下來(lái)計算C_X 和C_Y ，因為機器人運動(dòng)的距離會(huì )不斷地累積，因此可知

式（4）中i 為機器人根據表1 和表2 轉變運動(dòng)狀態(tài)的次數，S 為機器人在前進(jìn)和后退時(shí)移動(dòng)的距離，前進(jìn)時(shí)S 為正值，后退時(shí)S 為負值，β 為機器人在左轉和右轉時(shí)轉動(dòng)的角度，右轉時(shí)β 為正值，左轉時(shí)β 為負值，S 和β 可由里程計信息得出^[10]。

由上得出B_X 和B_Y ， C_X 和C_Y ，則BC 的值便可以求出，接下來(lái)求移動(dòng)機器人在任意一點(diǎn)C 的終點(diǎn)角度θ，首先γ 可由下式得出，

由圖5 可知，θ =γ - β， 因此機器人在任意位置的終點(diǎn)角度θ 便可求出，需要注意的是當θ<0時(shí)，θ=θ+2π，因此移動(dòng)機器人在任意位置相對于導航終點(diǎn)的距離和終點(diǎn)角度都可以求出，結合上面的分析，移動(dòng)機器人在未知室內動(dòng)態(tài)環(huán)境中，在無(wú)傳感器，無(wú)地圖和動(dòng)態(tài)避障的情況下導航到終點(diǎn)。

根據以上公式，機器人在每1 s 求1 次角度，并計算角度的累計和，以此判斷出機器人的朝向，因為激光數據處理的進(jìn)程也會(huì )對角度數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作，因此在以上流程執行前需要加上互斥鎖mutex_lock，執行完畢后關(guān)閉互斥鎖^[11]。

串口3 連接飛控模塊，根據模塊提供的通信協(xié)議，每1 s 獲取1 次飛控模塊的經(jīng)緯度的數據，經(jīng)度和緯度數據都是4 個(gè)字節，需要拼接后得到十進(jìn)制的經(jīng)緯度，當機器人如果到室外運動(dòng)時(shí)可以通過(guò)經(jīng)緯度對機器人進(jìn)行粗略的定位。

機器人每1 s 也會(huì )判斷設定速度是否發(fā)生改變，如果改變了就會(huì )根據新的設定速度計算占空比并下發(fā)到單片機，如果機器人按照設定速度來(lái)調整占空比，會(huì )出現機器人的速度忽大忽小的情況，因此將速度上限定為設定速度的101%，速度下限定為設定速度的99%，誤差率為± 1%，當機器人的速度在速度的上下限范圍內則不用調整占空比，機器人可以運行得更平穩^[12]。

圖13 機器人液晶觸摸屏設計

機器人的液晶觸摸屏采用QT 的圖形界面進(jìn)行設計，其中界面布局可以在QT designer 中完成，并在QT designer 中直接添加槽函數，可通過(guò)qt_second() 函數每秒鐘對界面的控件進(jìn)行刷新，當按鈕單擊后按鈕文本會(huì )發(fā)生變化，可通過(guò)  PushButton -> setText 函數完成按鈕文本的設計，同樣設定速度的輸入框可以通過(guò) LineEdit1 -> setText (QString::number (setup_speed))；完成設計，單擊+、- 兩個(gè)按鈕可以修改機器人的設定速度，當機器人的設定速度大于1000mm/s 或者小于0 時(shí)，彈出警告框QMessageBox::information(this,”Error”,“speed should be in range 0-999 mm/s”)；，設定速度、兩個(gè)電機的速度、經(jīng)緯度數據可通過(guò)以下TextLabel2->setText(QString::number(setup_speed)+”mm/s”)；等函數完成顯示。

圖14 遠程監控

機器人通過(guò)以上mjpeg-streamer 組件的代碼完成了web遠程監控的功能，可在遠程打開(kāi)fi refox 瀏覽器看到機器人上攝像頭拍到的視頻。

圖15 移動(dòng)機器人的旋轉決策

激光探頭可以測量到周?chē)系K物的距離和角度，當激光探頭發(fā)現在320° ～ 40° 的范圍內，在距離激光探頭1 m 的范圍內有移動(dòng)障礙物，則變量stop_forward = 1，否則該變量為0，該角度和距離可以根據實(shí)際機器人的情況做相應調整。同理當激光探頭發(fā)現在40°～140°的范圍內，在距離激光探頭1 m 的范圍內有障礙物，則變量stop_right=1，否則該變量為0。

如果變量stop_forward=1，則此時(shí)機器人需要旋轉到某個(gè)角度，從周?chē)系K物的縫隙中出去，圖15中障礙物的縫隙的角度θ1～θ4 可以計算得出，例如θ1=θB-θA，OA，OB 的值可以通過(guò)激光探頭的輸出數據得出，則根據余弦定理，障礙物縫隙的大小可通過(guò)下式得出

當導航的終點(diǎn)在機器人的左側時(shí)，此時(shí)機器人可以沿著(zhù)θ3/2 的方向移動(dòng)出去。

圖16 移動(dòng)機器人的移動(dòng)決策過(guò)程

圖16 中的紅色圓圈是導航的終點(diǎn)，綠色的是機器人，黑色的是障礙物，機器人的初始位置在底部，此時(shí)機器人左右分別有障礙物1 和障礙物2，如果按照逆時(shí)針來(lái)計算角度，圖3 中的θ1 是機器人在初始位置的終點(diǎn)相對于機器人的角度，把這個(gè)角度叫做終點(diǎn)角度。

表1 終點(diǎn)角度和旋轉方向的關(guān)系

根據表1 的內容，移動(dòng)機器人可判斷下一秒是前進(jìn)、右轉、左轉或者后退，如果沿著(zhù)終點(diǎn)角度的方向有障礙物，則根據表2 的判斷，移動(dòng)機器人計算出一個(gè)與終點(diǎn)角度最近且縫隙間隔大于機器人寬度的角度，沿著(zhù)該角度的中線(xiàn)方向移動(dòng)出去。

表2 前方1 m范圍內有障礙物時(shí)的判斷

結合以上的內容，可以了解到機器人在周?chē)紳M(mǎn)障礙物的情況下該如何決策，比如在圖4 中，機器人在初始位置position1 應前進(jìn)，但此時(shí)前方有障礙物，此時(shí)左邊無(wú)障礙物，根據表1 向左轉至position2 后再向前移動(dòng)，在前進(jìn)的過(guò)程中一直監測終點(diǎn)角度，當移動(dòng)至position3時(shí)突然前方出現了移動(dòng)障礙物3，結合表1 和表2，則機器人應向右轉，在旋轉的過(guò)程中一直檢測終點(diǎn)角度，當終點(diǎn)角度滿(mǎn)足表1 的前進(jìn)時(shí)，機器人則向著(zhù)終點(diǎn)前進(jìn)，如果在前進(jìn)的過(guò)程中又出現了其他的障礙物，則機器人根據實(shí)時(shí)監測到的終點(diǎn)角度和表1 與表2 的內容，迭代地進(jìn)行決策，直到達到終點(diǎn)。

以上導航過(guò)程不需要事先對周?chē)h(huán)境建圖，也不需要傳感器的數據，在整個(gè)導航過(guò)程中可以根據實(shí)際移動(dòng)障礙物的情況做出實(shí)時(shí)判斷，適合在室內未知動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行導航。該方法簡(jiǎn)單高效，使用成本較低的CPU甚至MCU 就可以實(shí)現，同時(shí)可節省機器人的功耗和體積。

在激光掃描的進(jìn)程中，機器人根據表1 和表2 進(jìn)行相應的運動(dòng)決策，激光傳感器7 圈/s，因激光傳感器的精度有限，加上環(huán)境噪聲的影響，在激光掃描的過(guò)程中會(huì )出現一些噪點(diǎn)，通過(guò)計算7 個(gè)點(diǎn)/s 落在了哪個(gè)角度區域，選擇擁有點(diǎn)數最多的角度區域作為判斷下一步動(dòng)作的依據，如圖17 所示， 20° ～ 160° 的區域有5 個(gè)黑色的點(diǎn)， 200° ～ 340° 的區域有1 個(gè)紅色的點(diǎn)， 340° ～360° 的區域有1 個(gè)紅色的點(diǎn)， 20° ～ 160° 區域對應的動(dòng)作是右轉，因此機器人下一秒的動(dòng)作是右轉?？衫脿顟B(tài)機處理該部分代碼，一共有3 種狀態(tài)：①在左轉或者右轉中以尋找終點(diǎn)方位的狀態(tài)，②前進(jìn)或者后退中不斷向終點(diǎn)靠近，③尋找新的空隙的狀態(tài)。

2.3 安卓端軟件設計

機器人通過(guò)串口藍牙模塊和安卓手機連接，主要修改的文件是安卓系統里的BluetoothChat.java 文件，以下是控件的初始化。

APP 的其他控件功能如下：bluetooth data buffer 區域顯示的是機器人和安卓手機通過(guò)藍牙通信的數據，full screen 按鈕可將該區域全屏顯示，hex display 單選框可以切換該區域數據的十六進(jìn)制和十進(jìn)制的顯示，clear screen 按鈕可以清空該區域的數據顯示，connect 按鈕可以啟動(dòng)或者關(guān)閉安卓手機和機器人之間的連接，stop 按鈕可以啟動(dòng)或者停止機器人，speed(mm/s) 用來(lái)顯示機器人的實(shí)時(shí)速度，hex output單選框用來(lái)切換速度的十六進(jìn)制或十進(jìn)制的顯示，longitude 顯示機器人所在位置的經(jīng)度，latitude顯示機器人所在位置的緯度，angle 需要輸入機器人相對于導航終點(diǎn)的朝向角度，distance 需要輸入機器人相對于導航終點(diǎn)的距離，這是一種角坐標的表示，有了這兩個(gè)數據就可以確定導航終點(diǎn)相對于機器人的具體位置，laser scan stop 按鈕可以切換激光傳感器的啟動(dòng)和停止，send speed 按鈕可以發(fā)送機器人的設定速度，send position 按鈕會(huì )將angle 輸入框和distance 輸入框的內容發(fā)送到機器人，以便機器人了解導航終點(diǎn)的位置，navigation 按鈕用來(lái)切換手動(dòng)移動(dòng)和自動(dòng)導航模式，整體界面左下方的上下左右四個(gè)箭頭按鈕可以控制機器人前進(jìn)、后退、左轉和右轉，界面右下方顯示機器人的實(shí)時(shí)速度，電機1 和電機2 的速度，以及距離機器人最近的障礙物的距離。

圖17 動(dòng)作判斷依據

圖18 利用狀態(tài)機處理部分代碼

圖19 軟件設計

4 結束語(yǔ)

本文闡述了一種非ROS 系統的定制化物流機器人的設計方法，通過(guò)該方法設計，可以節省機器人的成本和功耗，在實(shí)現豐富的定制化功能的同時(shí)，可根據手機APP 上輸入的終點(diǎn)位置和角度，在室內動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中導航到終點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗驗證，機器人運行穩定高效，說(shuō)明該設計方法具有一定的實(shí)用性和可靠性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）