高職院校實(shí)訓(xùn)區(qū)域智能運(yùn)載AGV機(jī)器人

李嘉輝，張勁東，劉鵬宇，鄭可建，王二利

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300222）

0 引言

我國(guó)近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得新成效，但隨著經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，勞動(dòng)力市場(chǎng)供應(yīng)與需求不匹配，嚴(yán)重缺少熟練技術(shù)人才的問題仍亟待解決。為此各地高職院校紛紛建設(shè)公共實(shí)訓(xùn)中心，從人才的培養(yǎng)上解決該問題。但實(shí)訓(xùn)中心每天需要承擔(dān)大量的學(xué)生實(shí)訓(xùn)工作，實(shí)訓(xùn)工具使用率呈持續(xù)增長(zhǎng)，每天如何在實(shí)訓(xùn)前及時(shí)的、準(zhǔn)確的為學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)工具，實(shí)訓(xùn)結(jié)束后快速將工具入庫、統(tǒng)計(jì)成了管理人員頭疼的問題。本文研究的高職院校實(shí)訓(xùn)區(qū)域智能運(yùn)載AGV機(jī)器人，通過融合相關(guān)技術(shù)，較好的解決了上述問題，具有十分良好的應(yīng)用前景。

1 作品功能與特色

(1)路徑規(guī)劃—采用分布式體系結(jié)構(gòu)，其各個(gè)功能模塊作為相對(duì)獨(dú)立的單元參與整個(gè)體系。主控單元與測(cè)控介入處理、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、數(shù)傳、有效載荷控制等功能子系統(tǒng)相互獨(dú)立為智 能體，由總線相連；主控單元為整個(gè)系統(tǒng)提供整體規(guī)劃，以及協(xié)調(diào)、管理各子系統(tǒng)的行為。測(cè)控介入處理保證地面系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)任意層面的控制介入能力，可接受上行的使命級(jí)任務(wù)；自主完成主控單元發(fā)送的任務(wù)規(guī)劃。

(2)無線充電—當(dāng)AGV運(yùn)載車的電量使用達(dá)到最低預(yù)設(shè)值時(shí)，將自動(dòng)報(bào)警提示并在完成當(dāng)前任務(wù)后自動(dòng)前往最近的無線充電網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行有序充電。同時(shí)無線充電時(shí)通過非接觸式的磁場(chǎng)進(jìn)行電能傳輸，很大程度上減少了安全隱患的出現(xiàn)，避免了不必要的硬件損耗。

(3)安全運(yùn)行—車身四周環(huán)繞有雷達(dá)探測(cè)，可以準(zhǔn)確規(guī)避路徑上突然出現(xiàn)的故障，確保行駛安全。機(jī)械手部位裝有限位開關(guān)，確保機(jī)械臂達(dá)到最大工作范圍后能夠及時(shí)報(bào)警停止，避免損壞；此外超出機(jī)械臂最大工作范圍外還設(shè)有對(duì)射式光纖傳感器以確保在機(jī)械臂工作工程中因人員無意間進(jìn)入機(jī)械臂工作范圍而造成傷害事故。

(4)應(yīng)用廣泛—機(jī)械臂法蘭盤部位可以根據(jù)所搬運(yùn)工件種類大小不同裝載不同的抓取工具與滿足用戶更多的需求。

(5)工作環(huán)境要求小—AGV運(yùn)載車以較小的車身體積為優(yōu)點(diǎn)，可以在較為狹窄的工作區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)，能夠適應(yīng)各種室內(nèi)器件搬運(yùn)工作。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

AGV機(jī)器人由微處理器控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)等部分組成。

微處理器控制系統(tǒng)：采用STM32H750VBT6高性能單片機(jī)，H7是ARM系列里ST公司最新研究出的高性能處理器，而且VBT6也是H7系列中性價(jià)比較高的產(chǎn)品，它含有了一系列的所有功能，比如Cortex-M7內(nèi)核，400Mhz的主頻率，還有1MB的SRAM，以及16K指令和緩存數(shù)據(jù)，單片機(jī)還集成了128KB等待得FALSH，而且價(jià)格還很合適，非常適合高性能嵌入式進(jìn)行開發(fā)。這次使用H7系列的單片機(jī)結(jié)合紅外光電檢測(cè)技術(shù)和超聲波檢測(cè)技術(shù),對(duì)AGV機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及周邊近距離障礙物、盲區(qū)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),確保AGV機(jī)器人的安全運(yùn)行，在本次系統(tǒng)中使用了3個(gè)SPIFLASH，其中2個(gè)是主控的qspi FLASH，可用來儲(chǔ)存代碼，從而記錄數(shù)據(jù)，另外一個(gè)就是用來與串口屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖2 ZVS電路

視覺系統(tǒng)：采用OpenMv H7 PLUS攝像頭。使用內(nèi)置Template Matching模板匹配檢測(cè)工具的擺放位置，自動(dòng)生成三維位置坐標(biāo)，并將工具使用前后的完整程度記錄下來，Sensor是攝像頭中的一個(gè)感光模塊，其實(shí)主要用于設(shè)置光元件的參數(shù)，這個(gè)模塊在硬件上可以設(shè)置為兩種識(shí)別方式，一個(gè)是彩色，其次就是設(shè)置的黑白色。

圖3 兩種基本結(jié)構(gòu)模型

灰度每個(gè)像素大約是8bit，而彩色的每個(gè)像素是16bit。識(shí)別工具時(shí)就會(huì)隨機(jī)拍取一張照片，就會(huì)更改一些設(shè)置，跳過一些幀等操作，最后等待元件變穩(wěn)定。采集完工具的圖像之后還會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行模塊匹配，匹配之前首先就是對(duì)采集時(shí)候的imagine參數(shù)引入，通過與STM32H750VBT6單片機(jī)USART通信的方式發(fā)送給微處理器。匹配的目標(biāo)首先要用模板，而且模板圖片的大小不能超過OpenMv的flash，如果超過模板的flash的話就要外加SD卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。引入模板的圖片需要用的是pgm的格式，而且大小也有限制，不能超過的OpenMv的格式大小，本次攝像頭主要用來識(shí)別靜態(tài)的工具，采用的是NCC算法，這只能匹配與模板圖片和角度基本上一致的圖案，也可以進(jìn)行多角度的進(jìn)行匹配，此情況就需要保存多個(gè)工具的模板。

無線充電系統(tǒng)：采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，利用電磁波來進(jìn)行能量的發(fā)送與接收。理論上從能量傳輸?shù)慕欠治?，改系統(tǒng)至少需要2個(gè)線圈才能進(jìn)行無線電能傳輸，2個(gè)諧振線圈的結(jié)構(gòu)被稱作MCR-WPT的第1種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外在兩個(gè)諧振線圈的基礎(chǔ)上又增加了2個(gè)感應(yīng)線圈，使得電源線與發(fā)射線之間相互隔離，這個(gè)四線圈的結(jié)構(gòu)為MCR-WPT的第2種結(jié)構(gòu)。

本次智能運(yùn)載AGV機(jī)器人無線充電系統(tǒng)主要運(yùn)用的是兩線圈結(jié)構(gòu)，兩線圈的量傳輸路徑如圖4所示，當(dāng)電路回路接通時(shí)，電源給發(fā)射線圈供電，當(dāng)發(fā)射線圈發(fā)生諧振的時(shí)，發(fā)射線圈中電容的電場(chǎng)能與電感線圈的磁場(chǎng)就會(huì)不斷地進(jìn)行能量的交換，而電感線圈中的磁場(chǎng)有一部分傳輸?shù)浇邮斩说碾姼芯€圈，再經(jīng)過交變的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽芰孔罱K傳遞到接收端。同理在能量的接收端，接收線圈也會(huì)發(fā)生諧振，接收線圈中的電容的電場(chǎng)能也有電感線圈中的磁場(chǎng)能也在不斷地進(jìn)行能量交換，最終將能量傳遞給負(fù)載。

圖4 兩線圈能量傳遞

如圖4所示，由基爾霍夫定律可知：

當(dāng)發(fā)射端和接收端發(fā)生諧振的時(shí)，滿足以下條件：

將（3）式結(jié)合基爾霍夫定律可得負(fù)載的功率為：

發(fā)送端將電力發(fā)出，同時(shí)接收端在經(jīng)過轉(zhuǎn)換后將接收到的電能傳輸給電池。整個(gè)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分：電力發(fā)送部分和電能接收部分。電力發(fā)送部分是將市電經(jīng)過整流和逆變后轉(zhuǎn)化為直流電之后在利用全橋逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，借助磁耦合諧振原理將所產(chǎn)生的高頻交流電通過磁場(chǎng)發(fā)送到接收端，作為接收部分的輸入電壓，之后再通過整流、濾波后，轉(zhuǎn)換為小車所需的直流供給電池。

路徑規(guī)劃系統(tǒng)：以ti的tms320vc5416為中央處理器,配合以視頻解碼芯片和大容量存儲(chǔ)器,完成圖像的采集、處理和存儲(chǔ)。主程序運(yùn)行在dsp中,完成圖像預(yù)處、模式識(shí)別等圖像處理算法，自動(dòng)識(shí)別地面路徑，生成軌跡點(diǎn)并記錄路面已存在的障礙物，待確定后,應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行路徑規(guī)劃。重新給定移動(dòng)機(jī)械手的初始位姿及機(jī)械手末端的目標(biāo)位姿,在移動(dòng)機(jī)械手各廣義坐標(biāo)的工作范圍內(nèi)尋找一條無碰撞路徑。也可以通過手動(dòng)的方式確定機(jī)械手起始點(diǎn)坐標(biāo)和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，以及小車運(yùn)行的軌跡點(diǎn)與距離，再自動(dòng)計(jì)算生成可執(zhí)行路徑。

圖5 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

聲光報(bào)警指示電路：報(bào)警指示電路在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，因此，任何一個(gè)完整的控制系統(tǒng)都會(huì)配合一套相應(yīng)的報(bào)警指示電路。所以，結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)的完整性和安全性，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套聲光報(bào)警指示電路，聲光報(bào)警指示電路由蜂鳴器和紅、綠兩種顏色的發(fā)光二極管構(gòu)成。其主要的作用是在系統(tǒng)正常運(yùn)行或者出現(xiàn)故障急停等狀態(tài)時(shí)發(fā)出聲和光的警示作用。給予工作人員提供聽覺上和視覺上的提示，便于用戶更好的掌握當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，主控單片機(jī)輸出信號(hào)控制綠色發(fā)光二極管常亮進(jìn)行提示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者急停時(shí)，主控單片機(jī)輸出信號(hào)控制紅色發(fā)光二極管常亮以及蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音進(jìn)行提示。聲光報(bào)警指示電路外圍電路體積小，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。聲光報(bào)警指示電路原理圖如圖6所示。

圖6 聲光報(bào)警指示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 小車運(yùn)輸系統(tǒng)軟件流程圖

小車運(yùn)輸系統(tǒng)執(zhí)行功能主要由小車運(yùn)輸路徑獲取、軌跡運(yùn)動(dòng)行為規(guī)劃、起始位置姿態(tài)確認(rèn)、路障規(guī)避、搬運(yùn)物投放等組成。

當(dāng)小車開始運(yùn)行時(shí)，首先需要進(jìn)行運(yùn)輸路徑獲取，可以選擇由用戶手動(dòng)輸入移動(dòng)軌跡坐標(biāo)點(diǎn)和初始化姿態(tài)坐標(biāo)；也可以通過地圖導(dǎo)入或者實(shí)際路況采集記錄等方式進(jìn)行小車運(yùn)輸路徑輸入。之后系統(tǒng)將通過輸入的路徑進(jìn)行運(yùn)算規(guī)劃，自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)軌跡并進(jìn)行模擬運(yùn)行測(cè)試，當(dāng)生成的運(yùn)動(dòng)軌跡執(zhí)行遇到困難或是外部因素所造成的執(zhí)行阻礙時(shí)系統(tǒng)將重新進(jìn)行軌跡規(guī)劃，選擇最適合的移動(dòng)路徑軌跡，直到能夠最佳執(zhí)行為止。運(yùn)動(dòng)路徑軌跡生成后系統(tǒng)將生成新的指令傳遞給小車控制端，矯準(zhǔn)小車與機(jī)械手位置，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作消除偏差，確認(rèn)目標(biāo)位置，進(jìn)行識(shí)別搬用。過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控外界環(huán)境，規(guī)避外來障礙或是報(bào)警提示，必要時(shí)緊急停止，以確保安全行駛。

整個(gè)搬運(yùn)過程可視化，用戶可以在終端設(shè)備上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測(cè)，以達(dá)到高效、可控、安全性高等特點(diǎn)。

4 分析與結(jié)論

在這科技飛速發(fā)展的時(shí)代，一體化控制技術(shù)不斷更新，基于四軸機(jī)器人的物流分揀系統(tǒng)可以隨著一體化技術(shù)的更新，而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的人工手動(dòng)分揀運(yùn)送方式，系統(tǒng)能夠持續(xù)的、長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行自動(dòng)分揀搬運(yùn)工作，既有效的解決了傳統(tǒng)的物流分揀工作中的難題。又體現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。不僅將小車與機(jī)械手完美結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)控制；同時(shí)又融入了軌道規(guī)劃，自動(dòng)識(shí)別等技術(shù)，使系統(tǒng)能夠更加安全、精準(zhǔn)的進(jìn)行搬運(yùn)工作。對(duì)應(yīng)不同的物品或工具選用適合的搬用手爪可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的物品運(yùn)輸，以滿足與不同的工作場(chǎng)合。如實(shí)訓(xùn)工具的自動(dòng)拾取與搬用以及精準(zhǔn)投放。整個(gè)系統(tǒng)以靈巧便捷著稱，可以滿足與各種狹窄的工作路徑與范圍，具有廣泛的應(yīng)領(lǐng)域以及推廣空間。