一種物流機器人的設計與實(shí)現*

*基金項目：

1）廣東省普通高校特色創(chuàng )新類(lèi)項目（自然科學(xué)）（2018GKTSCX056）

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

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

4）2020年教育部高等學(xué)校項目（2020ITA03008）

5）2022年廣東省科技創(chuàng )新戰略專(zhuān)項資金（pdjh2022b0992）

6）2021年校級質(zhì)量工程師資項目（ZLJS2020120622，ZLJS2020120623，ZLJS2020120624）

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Ubuntu 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

本文中所設計的物流機器人如圖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 設計的物流機器人

圖2 硬件框架圖

其中ARM 主板采用了S5PV210 的CPU，帶有512MB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-streamer 的實(shí)時(shí)web 遠程視頻監控等功能。

圖3 ARM開(kāi)發(fā)板

ARM 主板的CPU 是S5PV210，運行嵌入式Linux系統，嵌入式Linux 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ARM 主板之間用自定義的通信協(xié)議傳輸光電編碼器讀取的數據^[2]，如圖4 所示。

圖4 單片機主板

機器人外接模塊可以為機器人提供更加豐富的功能，如圖5 所示，其中USB 攝像頭用來(lái)提供機器人現場(chǎng)的視頻，USB-Wi-Fi 模塊用來(lái)將攝像頭的視頻傳輸到遠程客戶(hù)端的web 頁(yè)面，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]。

圖5 外接模塊

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6 所示。

圖6 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，因此光電編碼器一秒鐘可以讀入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 中斷一次，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 計算一次輪子的速度，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7 所示，可通過(guò)手機APP 或者機器人的液晶觸摸屏上的按鈕控件來(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7 單片機串口中斷服務(wù)程序

主程序每秒鐘發(fā)送兩個(gè)電機的速度到ARM板，因嵌入式Linux 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，則認為是一個(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 調節一次占空比。

圖8 發(fā)送實(shí)時(shí)電機速度的協(xié)議

2.2 嵌入式Linux的軟件設計

系統從QT 的TMainForm 進(jìn)入后分別對mjpegstreamer，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 s 刷新一次控件。

在robot_start 的進(jìn)程中設置一個(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^[7]，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)計算得出。

圖9 嵌入式Linux的應用程序框架圖

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，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 可以由得到。

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^[8]。

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。

圖10 嵌入式Linux下液晶觸摸屏的QT界面圖

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105%，速度下限定為設定速度的95%，誤差率為±5%，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^[9]。

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QTdesigner 中直接添加槽函數^[10]，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1 m/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11 基于mjpeg-streamer的web遠程視頻監控

機器人通過(guò)以上mjpeg-streamer 組件的代碼完成了web 遠程視頻監控的功能，可在遠程打開(kāi)firefox 瀏覽器看到機器人上攝像頭拍到的視頻^[11]，相關(guān)實(shí)現代碼如下：

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° 到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。

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^[12]。

表2 前方1米范圍內有障礙物時(shí)的判斷

可利用狀態(tài)機處理該部分代碼，一共有3 種狀態(tài)，第1 種是在左轉或者右轉中以尋找終點(diǎn)方位的狀態(tài)，第2 種是前進(jìn)或者后退中不斷向終點(diǎn)靠近，第3 種狀態(tài)是尋找新的空隙的狀態(tài)。

圖12 機器人動(dòng)作決策的狀態(tài)機圖

2.3 安卓端的軟件設計

圖13 Android APP

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：

mInputEditText = (EditText) findViewById(R.id.editText1);

mInputEditText.setGravity(Gravity.TOP);

mInputEditText.setSelection(mInputEditText.

getText().length(),mInputEditText.getText().length());

mInputEditText.clearFocus();

mInputEditText.setFocusable(false);

mStartButton=(Button)super.findViewById(R.id.button_start);

forward=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_forward);

backward=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_backward);

left=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_left);

right=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_right);

mStartButton.setOnClickListener(newShowStart());

forward . set On Click Listener(new Show Forward());

right.setOnClickListener(new ShowRight());

backward.set On Click Listener(new ShowBackward());

left.setOnClickListener(new ShowLeft());

mTitle = (TextView) findViewById(R.id.title_left_text);

mTitle.setText(R.string.app_name);

mTitle = (TextView) findViewById(R.id.title_right_text);

HEXCheckBox = (CheckBox) findViewById(R.id.radioMale);

breakButton = ( Button) findViewById(R.id.button_break);

mBluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();

checkBox_sixteen = (CheckBox) findViewById(R.id.checkBox_sixteen);

如果在A(yíng)PP上按下啟動(dòng)按鈕，按鈕的文本會(huì )變成“停止”，同時(shí)向機器人的串口藍牙模塊發(fā)送”Start”字符串，機器人通過(guò)串口收到后調用start() 函數啟動(dòng)機器人，以下是安卓端的具體實(shí)現。

APP 的其他控件介紹如下：buletooth 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。

3   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軟硬件設計方案，該設計方案可以節省機器人的成本和功耗，并增強了系統的穩定性和實(shí)時(shí)性，通過(guò)實(shí)驗驗證，機器人運行穩定高效，說(shuō)明該設計方案具有一定的實(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2023年1月期）