基于超聲波避障的倉庫安防機器人設計

0   引言

安防機器人作為現在最熱門(mén)的服務(wù)型移動(dòng)機器人之一，具有智能化巡邏、高效靈活的特點(diǎn)^[1]，可以代替保安進(jìn)行智能巡邏、移動(dòng)監控作用，而且也節省了小區內多處安裝攝像頭的成本^[2]。輪式安防機器人能實(shí)現原地轉彎，非常適合小區內小道路上的行走^[3]。安防機器人可作為移動(dòng)監控攝像頭代替保安巡邏工作，在高檔小區、醫院、學(xué)校等場(chǎng)合都適合使用^[4]。安防機器人具有智能巡邏、移動(dòng)監控等功能，因此對它的運動(dòng)控制、視覺(jué)導航、路徑規劃等方面的研究具有非常重要的學(xué)術(shù)意義^[5]。

本文基于相關(guān)研究現狀，設計了一種基于超聲波避障的倉庫安防機器人移動(dòng)監測系統，該系統可實(shí)現在既定的室內環(huán)境下進(jìn)行全天24 h 不間斷的巡邏，通過(guò)超聲波模塊進(jìn)行避障，并且在巡邏的同時(shí)利用車(chē)載的各種環(huán)境傳感器采集倉庫內的溫度、濕度、光照、煙霧可燃氣體等信息以及監測倉庫內是否發(fā)生火情、是否發(fā)現可疑人員以及監視機器人的運動(dòng)狀態(tài)，然后通過(guò)2.4 G 無(wú)線(xiàn)通信傳輸給遠程電腦端的倉庫監測系統進(jìn)行相應監測信息的顯示與意外事件提醒，此外管理人員還可以在手機端的倉庫監測APP 上用藍牙連接巡邏機器人，在倉庫監測APP 中可以接收并顯示各種倉庫內的環(huán)境信息數據以及機器人的運行狀態(tài)，并且還可以向機器人下達停止運動(dòng)或啟動(dòng)運動(dòng)的指令。

1   總體方案設計

本文設計一種應用環(huán)境背景為倉庫、車(chē)間等室內場(chǎng)場(chǎng)所，可自動(dòng)循跡導航運動(dòng)的移動(dòng)機器人監測平臺，機器人在循跡導航過(guò)程中可以實(shí)現對室內環(huán)境信息（溫度、濕度、光照值、易燃氣體）的采集并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信上報給監測端，同時(shí)監測是否發(fā)現火情、是否發(fā)現可疑人員、機器人是否運動(dòng)正常；管理員一方面可在PC 端即電腦端的倉庫監測系統顯示界面中查看相關(guān)的環(huán)境信息及機器人運動(dòng)狀態(tài)，也可以在手機端的倉庫監測APP 界面中查看相關(guān)信息，并且在手機端可以實(shí)現對機器人運動(dòng)的控制（停止運動(dòng)、啟動(dòng)運動(dòng)）。

機器人系統總體設計包括三大部分：機器人運動(dòng)、信息采集、上下位機通信及顯示。機器人運動(dòng)部分負責控制機器人的運動(dòng)，包含電機CAN 總線(xiàn)通信、PID 閉環(huán)控制、循跡運動(dòng)；信息采集部分負責采集機器人周?chē)沫h(huán)境信息數據，包含火焰傳感器、人體紅外傳感器等相關(guān)信息采集傳感器；上下位機通信及顯示部分負責對環(huán)境信息的發(fā)送與接收并對數據信息進(jìn)行解析顯示，包含2.4 G 無(wú)線(xiàn)通信、藍牙通信、電腦端的LabVIEW 顯示、手機APP 端顯示。系統的總體設計框架如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框架

2   系統硬件設計

2.1 STM32最小系統模塊

主控器件是系統中最為關(guān)鍵的模塊，需要較小的體積、較低的功耗和較強的性能。綜合考慮本次設計基于超聲波避障的倉庫安防機器人選用STM32F103RCT6 處理器，其主要功能是將傳感器測得的數據進(jìn)行處理、分析，并將相關(guān)參數數據打包通過(guò)串口無(wú)線(xiàn)透傳通信發(fā)送給上位機。

2.2 循跡導航模塊

本文運用的AGV 機器人大多采用磁導航模式，通過(guò)車(chē)身前端的AGV 磁導航傳感器，使機器人沿著(zhù)鋪設在路面上的磁條導線(xiàn)進(jìn)行循跡運動(dòng)，磁導航傳感器如圖2所示。

圖2 磁導航傳感器

2.3 超聲波避障模塊

本次設計選用的是HC-SR04 超聲波測距傳感器，用于實(shí)現機器人在巡邏過(guò)程中的避障功能。目前市場(chǎng)上的超聲波測距傳感器模塊品種繁多，其中HC-SR04 超聲波模塊所測量的范圍比較寬，測量時(shí)準確率也比較高，是一種屬于不同接觸式的測量傳感器。超聲波的穿透能力強，具備優(yōu)良的穿透能力，被廣泛應用在測距技術(shù)領(lǐng)域。超聲波測距傳感器由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及控制電路組成，該模塊的實(shí)際有效測距距離為（2~400）cm，測距精度可達3 mm，測量角度為15° ，滿(mǎn)足現實(shí)使用需求。

假設1 個(gè)普通的超聲波在1 個(gè)可以發(fā)射的地點(diǎn)與其他交通障礙物之間定向進(jìn)行時(shí)，往返定向定位傳播所用的定向運動(dòng)持續時(shí)間大約設定為ΔT, 超聲波在一個(gè)密閉低溫空氣中的環(huán)境系統中的進(jìn)行往返定位傳播定向運動(dòng)時(shí)的速度大約設定為V, 則利用超聲波測距儀的計算公式可對其定義為:

圖3 超聲波避障模塊

2.4 環(huán)境傳感器

機器人在進(jìn)行循跡巡邏的過(guò)程中，通過(guò)搭載的火焰傳感器、人體紅外傳感器、MQ-2 煙霧可燃氣體傳感器、DHT11 溫濕度傳感器以及GY-30 光照傳感器來(lái)采集倉庫內的溫度、濕度以及光照值信息，同時(shí)監測是否發(fā)生了火情、是否發(fā)現有可疑人員存在、倉庫內是否存在可燃氣體超標情況。這些信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，上傳到上位機監測平臺，供管理員使用，以及為其預警。環(huán)境信息采集如圖4所示。

3   軟件設計

3.1 底層運動(dòng)系統軟件設計

底層運動(dòng)系統的軟件設計如圖5 所示，控制核心是STM32 單片機，其上連接激光雷達用于避障運動(dòng)，連接7 個(gè)循跡模塊用于循跡運動(dòng)，連接CAN 模塊用于控制電調，進(jìn)而控制電機運動(dòng)。進(jìn)入程序后先進(jìn)行各個(gè)子程序的初始化，然后進(jìn)行循跡信息及避障信息的采集，信息采集完成后進(jìn)行數據處理，控制電機相應轉動(dòng)，達到循跡避障的目的，同時(shí)將電機的運轉狀態(tài)發(fā)送給發(fā)送端單片機，發(fā)送端單片機進(jìn)而通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信將運動(dòng)狀態(tài)上傳給電腦端和手機端；STM32 單片機同時(shí)通過(guò)I/O 口檢測發(fā)送單片機是否發(fā)送來(lái)對機器人運動(dòng)的控制指令，若收到控制指令，則執行對應的停止或開(kāi)始命令，若為收到控制指令，則返回執行循跡避障程序。

圖5 底層運動(dòng)軟件設計流程圖

3.2 PC端上位機設計

巡邏機器人通過(guò)車(chē)載的2.4 G 通訊模塊NRF24L01與遠程的另一塊單片機通信，而接收到相關(guān)信息的此單片機再通過(guò)串口與電腦端即PC 端進(jìn)行數據上報，PC 端通過(guò)串口通訊接收到數據后，通過(guò)LabVIEW 軟件進(jìn)行數據的顯示以及相應的警示功能。下位機與PC 端上位機設計如圖6 所示。

設計的LabVIEW 程序框圖如圖7 所示，系統分為初始化、等待、接收數據、數據處理、退出五大模塊，通過(guò)不同的條件標志來(lái)切換不同模塊。程序開(kāi)始時(shí)先進(jìn)性初始化（默認值的設置、顯示控件的清除、指示燈的關(guān)閉等）；然后進(jìn)入等待模式，等待接收數據（串口開(kāi)關(guān)觸發(fā)）或閾值設置；觸發(fā)事件后進(jìn)入到數據處理模塊，進(jìn)行解析數據以及數據的顯示或設置閾值，事件處理完后返回到等待模塊；當觸發(fā)停止標志（停止開(kāi)關(guān)）時(shí)進(jìn)入到退出模塊，在此模塊中關(guān)閉所有指示燈、清除顯示，退出While 循環(huán)，結束程序。

圖7 LabVIEW上位機程序設計

當程序運行開(kāi)始運行時(shí)，首先進(jìn)行初始化操作，即配置一些默認的參數（如閾值、波特率等）；然后打開(kāi)串口資源接收數據，數據包為22 位一包，當接收到數據包后進(jìn)行數據的解析，將6 個(gè)環(huán)境信息以及機器人的運動(dòng)狀態(tài)信息拆解出來(lái)；而后對各個(gè)傳感器的數據進(jìn)行數值顯示、波形圖顯示及機器人運動(dòng)狀態(tài)的顯示；同時(shí)還可以對溫濕度進(jìn)行閾值的設置，當溫濕度超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行燈光的警示。設計好的PC 端界面如圖8 所示。

圖8 LabVIEW面板設計

3.3 手機端APP設計

組件設計包含8 個(gè)靜態(tài)顯示標簽（“歡迎使用”、“火焰監測”、“人員監測”、“煙霧監測”、“濕度（%）”、“溫度（℃）”、“光照（lx）”、“運動(dòng)狀態(tài)”），8 個(gè)動(dòng)態(tài)顯示標簽（藍牙連接狀態(tài)、火情顯示、人員顯示、煙霧值、濕度值、溫度值、光照值、機器人運行狀態(tài)），3 個(gè)按鍵（斷開(kāi)連接、停止、啟動(dòng)），1 個(gè)列表選擇框（藍牙選擇），組件設計如圖9 所示。

圖9 APP組件設計

4   系統測試

本系統可基本實(shí)現機器人基于A(yíng)GV 的導航運動(dòng)、基于超聲波模塊的避障，各種環(huán)境信息的采集、數據的無(wú)線(xiàn)通信傳輸、PC 端LabVIEW 監測頁(yè)面的信息顯示以及下位機與手機端上位機的藍牙通信、手機端APP 的數據信息。

最終完成后的機器人如圖10、圖11 為機器人所示，圖12 為正在循跡中的機器人，圖13 為電腦端與手機端的監測實(shí)況圖。

圖10 最終實(shí)物圖

圖11 最終實(shí)物圖

圖12 循跡實(shí)況

圖13 上位機監測實(shí)況

在實(shí)際測試中，PC 端上位機可以穩定接收數據并進(jìn)行顯示、提示等功能，如圖14 所示為PC 端上位機的運行效果。

圖14 PC端上位機運行效果圖

將APP 安裝包下載到手機上并進(jìn)行安裝，藍牙設備連接成功后接收并顯示從下位機發(fā)送的傳感器數據?；鹧鎮鞲衅魈綔y到火源后進(jìn)行紅色文字警示“發(fā)現火情”，人體紅外傳感器發(fā)現倉庫有人時(shí)進(jìn)行紅色文字警示“發(fā)現可疑人員”，機器人運行監測模塊在機器人運行停止時(shí)進(jìn)行紅色文字提示“運動(dòng)已停止”。并且在手機端上用戶(hù)可向下位機發(fā)送停止或啟動(dòng)的運動(dòng)指令。

圖15 藍牙連接成功后的頁(yè)面顯示

5   結束語(yǔ)

本文對基于超聲波避障的倉庫安防機器人的設計和實(shí)現進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析。進(jìn)行了基于超聲波避障的倉庫安防機器人的總體方案設計。將系統硬件部分分解成多個(gè)硬件模塊組合，有STM32F103RCT6 最小系統、AGV 導航模塊、超聲波避障模塊、環(huán)境檢測模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。完成硬件搭建后，設計了電腦端的上位機和手機APP，經(jīng)過(guò)系統測試驗證了該安防機器人監測系統的有效性以及終端數據的成功傳輸。實(shí)現了倉庫內的智能化巡檢，提升了倉庫智能化監測水平。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）