倉儲搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衡 蜓

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 太谷 030800）

1 設(shè)計(jì)要求

要求所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有如下5項(xiàng)功能。

1.1 導(dǎo)航定位功能

機(jī)器人在作業(yè)時，需要有精確的路線引導(dǎo)與位置定位，這樣可以準(zhǔn)確的完成工作人員下達(dá)的指令。

1.2 搬運(yùn)貨物功能

此類機(jī)器人應(yīng)具備搬運(yùn)大型貨物的能力。在實(shí)際的動作空間內(nèi)，機(jī)器人需要進(jìn)行穩(wěn)定的直線行走，遇到彎道可以及時進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，這樣可以全面的完成各種運(yùn)輸任務(wù)。

1.3 無線通信功能

可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與管理中心的信息交流。包括管理中心向機(jī)器人下達(dá)任務(wù)指令，機(jī)器人向管理中心發(fā)送有關(guān)其方位、電池、工作情況等數(shù)據(jù)，對自身情況進(jìn)行即時反饋。

1.4 安全避障功能

利用傳感器檢測周圍環(huán)境的情況，是否存在影響作業(yè)的障礙物，如若發(fā)現(xiàn)立即采取規(guī)避措施，確保機(jī)器人在操作作業(yè)中的安全。

1.5 自充電功能

機(jī)器人的研究主要為提高工作效率，不受工作時間的限制。所以機(jī)器人應(yīng)具有自主充電的技術(shù)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括6個模塊：①電池及其管理模塊；②主控制模塊；③運(yùn)動控制模塊；④導(dǎo)航定位模塊；⑤避障模塊；⑥無線通信模塊。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

在實(shí)際工作中，不同模塊工作起來的電壓也不相同，主要用到的有24 V，5 V和3.3 V。為了將24 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，本設(shè)計(jì)采用匯眾隔離型HZD10W_24S05模塊。5V變換3.3 V電壓模塊裝置采用具有延遲復(fù)位的芯片，所以不需要再添加額外的電路加以輔助。

由于鋰電池的特性，過低的電池電壓會加速電池的損耗，降低電池的性能，所以機(jī)器人所裝備的鋰電池在充電前的剩余電量不能過低。為了保證機(jī)器人能不間斷工作，每當(dāng)電量消耗過半時，倉儲機(jī)器人應(yīng)自主行至充電區(qū)域進(jìn)行充電。

3.2 運(yùn)動控制模塊

對于機(jī)器人來說，運(yùn)動控制的方式主要包括兩種：第一種是對機(jī)器人的速度和方向控制，即機(jī)器人的驅(qū)動輪控制。第二種是控制升降機(jī)構(gòu)，即控制電動缸，以便完成貨架的升降。

由于本設(shè)計(jì)選擇的MSP430F5438具備內(nèi)置定時器。在工作時可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖信號，驅(qū)動器的內(nèi)部將脈沖信號加以放大，最后轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘枏亩刂齐姍C(jī)的運(yùn)行。但由于電氣驅(qū)動器的輸入信號需要高電平，且單片機(jī)的輸入電壓與編碼器的輸出電壓不同，所以需要將輸入輸出電平相匹配。本控制系統(tǒng)選擇的編碼器可以實(shí)現(xiàn)雙相正交輸出。因?yàn)樵摽刂葡到y(tǒng)使用的是5 V電源，而單片機(jī)的輸出電平卻要求3.3 V，所以為了避免出現(xiàn)芯片燒壞的情況，必須加上電平匹配芯片。電平轉(zhuǎn)換由SN74LCX245進(jìn)行。

選定的編碼器對機(jī)器人的速度進(jìn)行采集。本設(shè)計(jì)采用加裝減速器的500線編碼器，正常情況下電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈可以實(shí)現(xiàn)500個脈沖的輸出。減速比為1∶30。當(dāng)接收到脈沖時，計(jì)數(shù)會自動加1。同時，將系統(tǒng)的采集時序規(guī)定在一個值，設(shè)定編碼器采集間隔t為15 ms，通過單位時間的測量，可以獲得編碼器運(yùn)動距離d，并根據(jù)方程式計(jì)算出機(jī)器人的速度信息。

他們說：“畫院要通過對自己的成果，對社會的貢獻(xiàn)，對藝術(shù)的成就去贏得領(lǐng)導(dǎo)和社會的支持，尤其是要贏得同行的認(rèn)同，這樣才能彰顯出畫院的價值和存在的意義?！?/p>

3.3 導(dǎo)航定位模塊

機(jī)器人的跟蹤傳感器使用的是型號為SEN1665的灰度傳感器。傳感器輸出幅度為5 V的高電平信號，而芯片允許輸入電平為3.3 V，同樣為了避免出現(xiàn)意外，也需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使用SN7LCX245芯片來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人配備有一排8位灰度傳感器。兩個傳感器之間的間隔為1.5 cm?？蓹z測10.5 cm寬的準(zhǔn)線，準(zhǔn)線寬度為3 cm?；叶葌鞲衅鬏敵龇绞綖閿?shù)字電平，可以通過單片機(jī)的I/O口存儲信息。所以當(dāng)檢測到黑色線或深色線時，輸出高電平。在檢測到白色線或淺色線時，輸出低電平。

本控制系統(tǒng)采用隔離式收發(fā)器，此模塊可以直接嵌入控制電路板中，能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時此模塊具有電源隔離和電氣隔離的功能。在模擬操作環(huán)境下，在地面設(shè)置二維碼進(jìn)行機(jī)器人定位。每個二維碼都帶有方位信息。機(jī)器人的底部裝有一個特殊的模塊，當(dāng)機(jī)器人底下的模塊掃描二維碼，并獲取當(dāng)前二維碼的方位信息，從而獲取機(jī)器人的定位信息，并通過無線通信模塊將方位信息傳送到管理中心。慣性導(dǎo)航模塊也采用了隔離收發(fā)器進(jìn)行信息交互，與二維碼掃描模塊的電路設(shè)計(jì)類似。

3.4 無線通信模塊

機(jī)器人接收指令的工作過程是通過上位機(jī)、路由器、轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)合作完成。在此過程中，二者遵守一定的協(xié)議，此協(xié)議選用相同格式長度幀。以確保二者通信無阻礙。由于無線通信使用的是RS485模塊，所以它的輸出要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。以避免實(shí)際操作中出現(xiàn)意外。通過轉(zhuǎn)換可以將TTL電平轉(zhuǎn)換為差分電平。同時，為了實(shí)現(xiàn)管理中心與單片機(jī)之間的無線通信，必須將接口電路連接到ZLAN轉(zhuǎn)換器上。

3.5 安全避險(xiǎn)模塊

機(jī)器人在實(shí)際操作作業(yè)過程中能否主動識別出環(huán)境變化，如果發(fā)現(xiàn)障礙物，機(jī)器人必須立即停止移動。將OMRONE3Z-D62型漫反射紅外光電傳感器用于機(jī)器人安全避障裝置。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過一系列的功能需求分析，倉儲機(jī)器人必須具備周圍數(shù)據(jù)的采集，與管理中心的無線通信和貨物運(yùn)輸?shù)裙δ?。同時，機(jī)器人需要能夠接收上位機(jī)的啟動和停止指令，并意識到在接收上位機(jī)指令后，貨架可以順利放置，貨架上的貨物可以運(yùn)輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)，然后返回出發(fā)區(qū)。在此過程中，機(jī)器人還需將機(jī)器人狀態(tài)和任務(wù)信息向上位機(jī)反饋。

在此基礎(chǔ)上，將整個嵌入式軟件系統(tǒng)分成6個模塊：主功能模塊提供主要的信息循環(huán)，主循環(huán)將每個模塊的子程序進(jìn)行組合，等待指令的下達(dá)和最終的調(diào)用。

初始化模塊是為了保證單片機(jī)中的各個模塊能夠按照預(yù)期的目的進(jìn)行工作，即對單片機(jī)的初始化。同時對其他的模塊也有一定的初始化。

數(shù)據(jù)采集模塊主要采集各傳感器中的數(shù)據(jù)，其中就包括編碼器脈沖數(shù)據(jù)反饋和處理，從而可以獲得機(jī)器人當(dāng)前的速度信息。從慣性導(dǎo)航輸出中獲取偏航角信息，得到機(jī)器人當(dāng)前的偏航角信息。通過掃描二維碼地標(biāo)信息，得到機(jī)器人的當(dāng)前方位信息；對于機(jī)器人，收集灰色傳感器的水平值，以獲得機(jī)器人必須校正的偏移信息。通過采集蓄電池電壓信息，得到機(jī)器人的當(dāng)前電量信息。

運(yùn)動控制模塊主要控制機(jī)器人進(jìn)行合理的貨物搬運(yùn)路徑，以及機(jī)器人貨物重量的控制?？刂乞?qū)動電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人貨物搬運(yùn)速度與方向的控制，通過控制電動桿的控制實(shí)現(xiàn)對貨物的速度與位置的控制。

無線通信模塊可以讓機(jī)器人與管理中心通過無線進(jìn)行信息的傳輸。管理中心向機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人可以接收指令并將數(shù)據(jù)反饋給主機(jī)，做到機(jī)器人和主機(jī)之間交換信息。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

為保證本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)果能正常運(yùn)行，對硬件進(jìn)行了調(diào)試。調(diào)試部分主要包括主控制模塊、運(yùn)動控制模塊、導(dǎo)航定位模塊、安全避障模塊和無線通信模塊的調(diào)試。

5.2 軟件調(diào)試

控制系統(tǒng)軟件調(diào)試，采用IAREmbedded Workbench IDE軟件進(jìn)行構(gòu)建。編寫程序后，通過JTAG模擬器，進(jìn)行實(shí)時在線仿真、單步調(diào)試、斷點(diǎn)調(diào)試和監(jiān)控變量

5.3 聯(lián)合調(diào)試

在總體安裝完成后，對控制系統(tǒng)的硬件和軟件將進(jìn)行整體調(diào)試，主要包括：打開電源、觀察機(jī)器人的每個部件是否正常顯示、測試機(jī)器人是否能正確確定設(shè)定的路徑、是否能提取貨物并準(zhǔn)確送達(dá)以及在行走時遇到障礙時是否能及時停止。對機(jī)器人在不同擾動下的運(yùn)行狀態(tài)不斷測試，再調(diào)整數(shù)據(jù)與控制方式，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。