基于ROS 的智能AGV 運輸小車

王 佳 鐘開洋 韋興德 詹曉晨 趙嘉賓 程志敏 曾智稟 葉健洪 何士悅

（佛山科學技術學院，廣東 佛山528000）

隨著機器人領域的發(fā)展和人民生活的需求日益提高，生產(chǎn)工業(yè)化正在向生產(chǎn)智能過度，因此工業(yè)智能機器人的發(fā)展需求越來越大。

由于ROS 系統(tǒng)的分散式消息機制，各模塊多線程分布式獨立工作，可根據(jù)需求將軟件功能獨立應用于各個模塊的控制，具有非常高的靈活度，是應用于低功耗工業(yè)智能化的不二之選。而現(xiàn)有AGV 小車結構尚有不合理之處，造成各個組件的安裝位置不夠理想，難以進行設備升級和替換，也難以進行故障檢修和功能擴展，往往會對其智能化程度造成一定限制。

本文的目的在于提供一種樹莓派3b+ 主控板下的智能AGV 運輸小車的框架原理與實現(xiàn)方案，其便于進行設備升級和替換，也便于故障檢修和功能擴展，智能化程度高。

1 系統(tǒng)功能設計

構成小車的硬件系統(tǒng)包括主控板RaspberryPi3B+，8400mAH 帶充電器的鋰電池，步進電機，STM32 電機驅(qū)動板，激光雷達RPLIDAR A1 用于使用SLAM 導航，OpenMV 攝像頭模塊，紅外掃描儀，無線網(wǎng)卡，SD 卡接口，16G SD 卡，串口線智能密碼鎖模塊，盒子儲物箱，小車底板以及車輪、螺絲釘、銅柱、杜邦線若干用于構造車體。主控板RaspberryPi3B+自帶以太網(wǎng)模塊，以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)框圖和功能框圖如圖1、圖2。

圖1 系統(tǒng)框圖

當APP 進入主界面時，會顯示小車的位置和攝像頭的監(jiān)控。通過“密碼鎖設置”功能改變儲物箱的智能鎖的密碼；通過“SLAM定點導航”在APP 界面設置相對位置的定點導航，通過紅外掃描儀避開障礙物；通過“手動方向控制”來自由操控小車運動。

主要功能實現(xiàn)為APP 發(fā)送指令給主控板，從而主控板控制各個步進電機運動，雷達和攝像頭作為實時監(jiān)控，把信號傳輸給主控板，主控板再把數(shù)據(jù)處理后傳給以太網(wǎng)模塊，再通過無線網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到手機APP，實時獲取數(shù)據(jù)后，又可以繼續(xù)通過APP 發(fā)送指令給主控板；其次，可以在主控板執(zhí)行APP 的指令中，通過APP 的中斷鍵，終止指令，主控板會發(fā)送停止信息給電機驅(qū)動模塊。

圖2 功能框圖

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 智能鎖設計

智能鎖可通過51 單片機串口控制舵機實現(xiàn)，其輸入密碼部分可用數(shù)字電路結構和獨立按鍵組成。可以在APP 設置密碼，通過網(wǎng)絡傳輸給主控板，主控板將數(shù)據(jù)傳給51 單片機。當在鎖上輸入密碼，51 單片機獲取并處理，再根據(jù)密碼正確與否通過串口線控制舵機運動。

圖3 智能鎖設計

電子鎖與51 單片機系統(tǒng)通過串口通信，采用4 根串口線，分別為VCC、GND、TXD、RXD。同理，51 系統(tǒng)也需要引出4 根串口線與主控板相互傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 車體設計

核心部件主控板藏于車身內(nèi)部；電機驅(qū)動模塊置于底盤；為了保證小車的避障功能，將紅外掃描儀安裝在車體前；攝像頭成像與雷達掃描都應該在車身上方，其中雷達掃描范圍大，置于頂端，攝像頭置于雷達下，避免相互干擾；儲物箱置于車身后，底盤上，通過51 系統(tǒng)引出4 根串口線與主控板進行串口通信。

2.3 openMV 攝像頭

OpenMV 是一個開源，低成本，功能強大的攝像頭模塊。以STM32F767CPU 為核心，集成了OV7725 攝像頭芯片，集成了各種高效的算法，提供Python 編程接口，對于自帶python 編程環(huán)境的RaspberryPi3B+有非常高的適用性。攝像頭直接成像，并將視頻信號實時傳到給主控板，主控板處理并壓縮后，通過以太網(wǎng)模塊傳輸APP。

2.4 激光雷達

ROS 系統(tǒng)下，通過激光雷達可以使用SLAM（即時定位與地圖創(chuàng)建）來完成定點導航。雷達與主控板組成嵌入式系統(tǒng)，實時將掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匕澹骺匕逶龠M行處理壓縮，利用以太網(wǎng)模塊傳輸給APP，并繪制地圖及定位信息。

3 軟件設計

Android 系統(tǒng)是一個開源的操作系統(tǒng)，采用Android 系統(tǒng)開發(fā)APP 便于二次開發(fā)以及應用程序的維護；其次，Android 操作系統(tǒng)有更多免費開源的開發(fā)環(huán)境，如：Android Studio + SDK；Eclipse + ADT + SDK；IntelliJ IDEA + SDK；這里建議使用Eclipse + ADT + SDK，將手機作為上位機，嵌入式系統(tǒng)作為下位機，有助于直觀地觀察編譯效果，做各種測試。

4 結論

本設計主要以嵌入式技術為主，講述了一種結合ROS 系統(tǒng)、單片機、激光雷達、攝像頭、智能鎖等設備的智能AGV 小車，結合物聯(lián)網(wǎng)技術，使用手機APP 控制，極大地加強使用的便利性，促進智能機器人水平的提高，滿足更多生活和工業(yè)上的需求。