基于嵌入式系統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃研究

陶重，劉壯宇，孫云飛

（蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院江蘇省建筑智慧節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215009）

基于嵌入式系統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)與路徑規(guī)劃研究

（蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院江蘇省建筑智慧節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215009）

為了解決目前工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人發(fā)展的需求問題，設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式系統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)器人；該型搬運(yùn)機(jī)器人的循線采用的是一種七路灰度傳感器，并通過設(shè)計(jì)的一種藍(lán)牙模塊將灰度信息發(fā)送到手機(jī)端，從而簡(jiǎn)化了循線時(shí)的調(diào)試，具有創(chuàng)新性；搬運(yùn)機(jī)器人前端安裝有顏色傳感器用以區(qū)分不同種類的物料；電機(jī)控制部分設(shè)計(jì)了一個(gè)PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；然后，針對(duì)模擬場(chǎng)地提出了一種路徑規(guī)劃算法，并通過設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和有效性。

搬運(yùn)機(jī)器人；嵌入式系統(tǒng)；循線；路徑規(guī)劃

0 引言

在高速發(fā)展的信息化時(shí)代，機(jī)器人在人們的生活中扮演著舉足輕重的角色，搬運(yùn)機(jī)器人正逐步取代人工出現(xiàn)在一些工業(yè)生產(chǎn)崗位。工業(yè)用搬運(yùn)機(jī)器人的主要目的是為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，本文從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃等方面實(shí)現(xiàn)了一種更為高效的搬運(yùn)機(jī)器人方案。

李雷研究了在MCS－51單片機(jī)控制下的搬運(yùn)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是并沒有提出對(duì)應(yīng)的路徑規(guī)劃［1］。戶碩設(shè)計(jì)了一款搬運(yùn)機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人搬運(yùn)物品，并能對(duì)搬運(yùn)物品通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物流管理［2］，但該方法使用微處理器很難實(shí)現(xiàn)。王文憑等人設(shè)計(jì)了一種基于ATmega16單片機(jī)的搬運(yùn)機(jī)器人，系統(tǒng)采用渦流傳感器檢測(cè)金屬線進(jìn)行路徑識(shí)別。通過單片機(jī)控制舵機(jī)將貨物運(yùn)送到指定位置［3］。然而，該方法成本較高，不符合工業(yè)生產(chǎn)低成本的要求。本文使用ARM公司的STM32芯片，并采用μC／OS－Ⅱ系統(tǒng)，擁有比51單片機(jī)更高的效率和準(zhǔn)確度，更加符合工業(yè)生產(chǎn)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的循跡功能，本文采用了兩個(gè)七路灰度傳感器，用于控制機(jī)器人前進(jìn)和后退的循跡。針對(duì)需要搬運(yùn)物料的種類，本文選擇使用顏色傳感器來區(qū)分，顏色傳感器主要是通過將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測(cè)顏色，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測(cè)結(jié)果［4］。地面的灰度數(shù)據(jù)使用手機(jī)藍(lán)牙APP與藍(lán)牙發(fā)射器連接后獲得。機(jī)器人的速度的控制，本文采用了一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得機(jī)器人的速度達(dá)到設(shè)定的值，更加精確地完成任務(wù)。

1 搬運(yùn)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)器人采用7.4 V、1 000 m AHNi－cd蓄電池供電，以STM32F103RC芯片作為控制核心，使用驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制機(jī)器人的行動(dòng)以及機(jī)械手臂加持物料，配備有顏色識(shí)別傳感器來分辨物料的顏色，并且使用灰度傳感器對(duì)比賽場(chǎng)地的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并通過藍(lán)牙發(fā)射器將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)端，以完成按照設(shè)定好的路線前進(jìn)的巡線功能，通過程序設(shè)定好的按鍵來控制啟停。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 顏色傳感器模塊設(shè)計(jì)

顏色傳感器是通過將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測(cè)顏色，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測(cè)結(jié)果。本文采用的是TCS230顏色傳感器。

圖1 搬運(yùn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

在每個(gè)采樣－比較周期中，顏色采集系統(tǒng)中的單片機(jī)都會(huì)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，從顏色傳感器讀取RGB數(shù)據(jù)，并與事先存儲(chǔ)在電可擦只讀存儲(chǔ)器中的顏色列表進(jìn)行比較，得到最接近的顏色。在比較過程中，采用笛卡爾距離比較兩種不同的顏色，其公式如下：

式中，Ru，Gu，Bu是未知色彩傳感器值；Rr，Gr，Br是參考色彩傳感器值。

上面的公式對(duì)于單片機(jī)來說過于復(fù)雜，在實(shí)際使用中會(huì)受到影響，因此對(duì)式（2）進(jìn)行［5］簡(jiǎn)化為：

1.3 灰度傳感器模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中灰度傳感器由白光二極管與光敏電阻組成。通過發(fā)光二極管照亮路面，地面的反射光線被光敏電阻吸收，電阻的阻值會(huì)隨著反射的光線的強(qiáng)弱而發(fā)生變化。地面的顏色越深，反射的光越弱，光敏電阻的阻值越大。機(jī)器人底部的兩個(gè)七路灰度傳感器會(huì)將采集到的電信號(hào)傳送到A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過藍(lán)牙傳送到手機(jī)端的藍(lán)牙串口通信APP。

本文將七路傳感器定義為ADC1、ADC2、ADC3、ADC4、ADC5、ADC6、ADC7。當(dāng)ADC3、ADC4、ADC5反饋的數(shù)值比較大時(shí)，說明機(jī)器人正沿著黑線行進(jìn)。當(dāng)ADC2返回的數(shù)值比較大時(shí)，說明機(jī)器人向右偏離，需要向左調(diào)整。當(dāng)ADC6反饋的數(shù)值比較大時(shí)，說明機(jī)器人向左偏離，需要向右調(diào)整。流程如圖3所示。

圖2 灰度傳感器工作流程圖

此外，本文在巡線調(diào)試時(shí)，采用將ALIENTAK公司藍(lán)牙發(fā)射器與STM32芯片連接的方式，將灰度傳感器采集到的灰度信息發(fā)送到手機(jī)端，這種方法相對(duì)于其他灰度值校正的方法更加便利，每換一個(gè)環(huán)境就可以采集一次信息，準(zhǔn)確性更高。此外，通過自行編寫了相應(yīng)的灰度采集的程序，可以獲得每一種環(huán)境下對(duì)應(yīng)的灰度。

2 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人用的是電機(jī)作為機(jī)器人的左右輪以及機(jī)械手臂。與其他類型的電機(jī)相似，使用PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝調(diào)試、控制簡(jiǎn)單、大扭力、成本較低等。

在PWM控制直流電機(jī)中，本文可以將變換器看做一個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)控制電壓變換時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但是其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期T［6］，其傳遞函數(shù)是：

PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

由此我們可以得到PID的直流調(diào)速系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 直流調(diào)速系統(tǒng)

在仿真過程中，本文發(fā)現(xiàn)PID控制方式比開環(huán)直流電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速單閉環(huán)相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性上面，PID控制可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。

3 路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 模擬場(chǎng)地

工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)車間與物料存儲(chǔ)的地點(diǎn)以及成品的放置地點(diǎn)有一定的距離，本文中采用中國(guó)機(jī)器人大賽智能搬運(yùn)項(xiàng)目（光電組）的比賽圖紙作為路徑規(guī)劃的模擬場(chǎng)地，如圖4 （a）。場(chǎng)景機(jī)制是隨機(jī)抽取ABCDE五點(diǎn)的物料的顏色，在ACE點(diǎn)放置物料，在FG處按照ABCDE的順序放置物料，機(jī)器人從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，將所有的物料從到對(duì)應(yīng)顏色的區(qū)域，最后回到出發(fā)點(diǎn)，任務(wù)完成。

3.2 路徑規(guī)劃

本文通過實(shí)際的比賽經(jīng)驗(yàn)，提出了一種行之有效的路徑規(guī)劃算法。算法的核心思想是“以直線代替曲線，提高巡線準(zhǔn)確性”。相對(duì)于用五段三次多項(xiàng)式方法對(duì)一種搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并利用Matlab工具對(duì)該方法進(jìn)行仿真分析［7 8］，本文的方法更具有實(shí)用性。本文選取A、B、C、D、E分別為藍(lán)、黑、紅、白、綠的順序來進(jìn)行模擬搬運(yùn)。

本文提出的方案是先將A、C、E三處的物料運(yùn)送到各自的倉庫中，然后將F、G兩處的物料分揀出來，即將E、F中的綠色分揀出來送到A處，白色分揀出來送到B處，紅色分揀出來送到C處，黑色分揀出來送到D處，藍(lán)色分揀出來送到E處，最后再分別將物料推送到各自的倉庫之中。此設(shè)計(jì)完全是按照直線，即遵循的是兩點(diǎn)之間直線最短的方式進(jìn)行的。根據(jù)場(chǎng)地規(guī)劃，我們采用“以直代曲”的方案，即全部按照直線前進(jìn)。對(duì)于A處放置藍(lán)色物料的情況設(shè)計(jì)的路徑示意圖如圖4（b）。

文獻(xiàn)［1］采用的方案則是將物料一個(gè)個(gè)搬運(yùn)至對(duì)應(yīng)的倉庫并且最大化利用曲線，整體思路是路徑最短原則，路徑如圖4（c）；文獻(xiàn)［2］采用的方法是將所有的物料都搬運(yùn)至中心點(diǎn)處，然后將物料分別送到對(duì)應(yīng)的倉庫中，該方案的路徑如圖4（d）。

圖4 路徑示意圖

3.3 試驗(yàn)方法與分析

本文對(duì)上述的3種方案是否可行進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為多次測(cè)量求平均值，測(cè)量的對(duì)象是完成一次任務(wù)所需要的時(shí)間、能耗以及出錯(cuò)率。由于有3個(gè)指標(biāo)需要比較，我們采用了加權(quán)平均的方法對(duì)每一個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)分，其中出錯(cuò)率占50%（工業(yè)生產(chǎn)中出錯(cuò)率是最為重要的指標(biāo)），時(shí)間占25%、能耗占25%。各項(xiàng)指標(biāo)如下面的表1。

表1 各項(xiàng)指標(biāo)

根據(jù)3個(gè)試驗(yàn)方案的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)了評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

表2 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

加權(quán)平均數(shù)公式為：

其中：f1＋f2＋…fk＝n。

根據(jù)以上公式，可以求出本文方案評(píng)分為92.5，文獻(xiàn)［1］方案的評(píng)分為87.5，文獻(xiàn)［2］方案的評(píng)分為77.5。由此可以看出，本文設(shè)計(jì)的方案最能符合工業(yè)生產(chǎn)的要求。

4 實(shí)驗(yàn)與比較

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的工業(yè)用搬運(yùn)機(jī)器人，我們做出了模型，并且在中國(guó)機(jī)器人大賽智能搬運(yùn)組的場(chǎng)地上進(jìn)行了模擬運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)過程如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)過程

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的搬運(yùn)機(jī)器人采用STM32芯片，STM32芯片在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)效率更高，PID閉環(huán)控制的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使得該機(jī)器人用于工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和精確性得到了提高，顏色傳感器基于STM32的處理速度大大提升。本文提出的“以直代曲”路徑規(guī)劃實(shí)用性強(qiáng)。在后來的實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，灰度傳感器受光照影響比較大，后期可能會(huì)采用三極管或者紅外的方式來改進(jìn)。

［1］李 雷.基于MCS－51控制的軍用自動(dòng)倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7（2）：100-103.

［2］戶 碩.搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作［J］.煤礦機(jī)械，2015，8：18 -20.

［3］王文憑，李天培，馮根生.一種智能搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（2）：395-398.

［4］蔣 嶸，吳晨曦，蔣 崢.一種智能尋跡與搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（4）：1209-1211.

［5］張智博，王 艷，殷天明.基于TCS230的顏色識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2010（S1）：54-57.

［6］崔家瑞，李 擎，張 波.永磁同步電機(jī)變論域自適應(yīng)模糊PID控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（z1）.

［7］李偉光，許陽釗.搬運(yùn)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010（5）：83-85.

［8］丁 磊，李 恩，譚 民.五自由度搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（S1）.

Research of Transfer Robot Design and Path Planning Based on the Embedded System

Tao Chongben，Liu Zhuangyu，Sun Yunfei

（University of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215009，China）

To solve the needs of the development of the industrial transfer robot，designed a kind of robot based on embedded system，this kind of robot used a seven road gray sensor to follow line，and through a Bluetooth module sending gray information to mobile terminal，in order to simplify the debugging of following line，it has certain creativity.Transfer robot is equipped with color sensor to distinguish different materials.A closed－loop control system of PID is designed in motor control part，through the pulse width adjustment to control the motor speed.Finally，put forward a kind of efficient path planning algorithm in simulation field，and carried on experiment test and analysis by the transfer robot.Established a set of evaluation standard meets the needs of industrial production，and comprehensive comparison is made for the path with other ratings，finally came to the conclusion that this proposed method is accurate and effective.

transfer robot；embedded system；follow line；path planning

1671-4598（2016）08-0215-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.059

：TP311

：A

2016-01-29；

：2016-03-24。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61401297）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20140283）；江蘇省教改重點(diǎn)項(xiàng)目：（號(hào)2013JSJG063）；江蘇省社科基金教育學(xué)青年項(xiàng)目（15JYC008）。

陶重犇（1985-），男，江蘇昆山人，博士研究生，講師，主要從事移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃、智能機(jī)器人系統(tǒng)方向的研究。