基于增量法的圖書管理助手機器人運動路徑研究

王海波 蔣羽鑫

（1.吉林化工學(xué)院機電工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院圖書館,吉林 吉林 132022）

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖書館作為文化建設(shè)的重要組成部分，越來越受到人們的重視，目前國內(nèi)政府和高校建成了很多大型的圖書館，這些圖書館對管理的要求非常高[1-3]。在這一背景下，體現(xiàn)現(xiàn)代科技發(fā)展的圖書管理助手機器人的研發(fā)顯得非常必要。圖書管理助手機器人的工作環(huán)境非常復(fù)雜，圖書館人員多、書多，建筑物結(jié)構(gòu)多，規(guī)劃好工作路徑，對于機器人的正常工作非常重要[4-5]。

如圖1所示，設(shè)計研發(fā)了一種圖書管理助手機器人，本文利用其所攜帶的角度和距離傳感器獲取的信息，采用增量位置算法來進行實時路徑規(guī)劃。利用這種算法，機器人能夠?qū)崟r自我定位，不易受到外部環(huán)境的影響。

圖1 圖書管理助手機器人

1 位置增量為直線運動時的算法

圖2所示為圖書管理助手機器人兩個相鄰時間段的行走機構(gòu)參數(shù)。

圖2 圖書管理助手機器人的行走機構(gòu)參數(shù)

由于是直線運動，所以機器人在T時刻和T+1時刻兩輪移動的距離相等，n設(shè)為機器人兩輪移動的距離，利用數(shù)學(xué)知識可以推導(dǎo)得到這一小段移動過程中的路徑規(guī)劃公式。

2 位置增量為圓弧運動時的算法

如圖3所示，當(dāng)圖書管理助手機器人行走機構(gòu)的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速不一樣時，其運動路徑為曲線。

圖3 圖書管理助手機器人曲線運動參數(shù)

設(shè)圖書管理助手機器人在兩個時間間隔內(nèi)的路徑規(guī)劃坐標(biāo)分別為，行走過程中轉(zhuǎn)過的角度為，兩個位置之間的直線距離為，利用數(shù)學(xué)知識可以推導(dǎo)得出這兩個時刻之間的路徑規(guī)劃算法為：

利用上式，圖書管理助手機器人在每個工作的周期里，利用上一周期里面行走機構(gòu)行進的不同距離，得出轉(zhuǎn)角和其他相關(guān)參數(shù)，進行路徑規(guī)劃，然后進一步規(guī)劃下一步，以此類推完成整體路徑規(guī)劃。

3 電機驅(qū)動程序代碼

圖書管理助手機器人程序采用C語言技術(shù)進行編程[6-9]具體代碼如下：

4 路徑規(guī)劃實現(xiàn)

4.1 路徑規(guī)劃導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成

機器人在運動過程中，需要由霍爾傳感器與磁釘配合使用導(dǎo)航，磁釘布置在機器人行進的路線上。為了避免檢測不準(zhǔn)確導(dǎo)致導(dǎo)航失誤，需要在圖書管理助手機器人上安裝多個霍爾傳感器，形成磁尺。機器人在工作時，通過磁尺來檢測路線上的磁釘，從而達到導(dǎo)航的目的。

4.2 導(dǎo)航信號處理硬件系統(tǒng)

運動路徑的規(guī)劃需要導(dǎo)航系統(tǒng)來支持，如圖4所示，圖書管理助手機器人采用的是霍爾傳感器，該傳感器由輸出電路、外圍電路、運算放大器和磁敏元件構(gòu)成。

圖4 導(dǎo)航系統(tǒng)霍爾傳感器

圖書管理助手機器人導(dǎo)航系統(tǒng)信號處理部分主要由傳感器、信號處理電路、單片機和電機控制模塊構(gòu)成?；魻杺鞲衅鞴ぷ鲿r，檢測到磁釘存在與否直接與輸出高低電平有關(guān)，這種高低電平通過信號線傳送到單片機系統(tǒng)中進行分析計算，得出機器人當(dāng)前位置與預(yù)定位置的偏差，并根據(jù)偏差信號計算出控制信號，控制信號會傳送到電機控制模塊，驅(qū)動電機進行工作，調(diào)整位置，從而實現(xiàn)預(yù)定的路徑規(guī)劃。

如圖5所示，導(dǎo)航系統(tǒng)中，磁尺的安裝分兩部分，分別為前磁尺和后磁尺，為了進行精確的路徑規(guī)劃，還需要陀螺儀和電子羅盤來輔助，以確定圖書管理助手機器人的方向角，實現(xiàn)糾偏，達到最佳的位姿，實現(xiàn)路徑規(guī)劃。

圖5 磁尺的安裝要求

4.3 運動路徑規(guī)劃的實現(xiàn)

圖書管理助手機器人在工作中沿著一定的路線行進，不斷檢測路線上布置的磁釘，實時調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)預(yù)定的路徑規(guī)劃。

機器人在行走過程中，利用檢測控制系統(tǒng)不斷對自身進行準(zhǔn)確定位，以自身建立局部坐標(biāo)系，磁尺在坐標(biāo)系中的位置固定，霍爾傳感器會實時獲取磁釘位置（既定路線），該路線會與機器人前后部分的磁尺形成一定的角度，通過相應(yīng)的幾何計算得出機器人需要調(diào)整的中心位移偏移量和轉(zhuǎn)角偏移量，之后機器人的控制系統(tǒng)將依據(jù)這種偏移量所得出的控制信號傳送給兩個電機，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的路徑規(guī)劃。

5 實驗研究

搭建圖書管理助手機器人實驗系統(tǒng)，在圖書館樓道內(nèi)設(shè)置了15 m實驗路線，路線上布置了磁釘，在路線上取了15個點進行偏差信號檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大的位移偏差為6.5 cm，最大的轉(zhuǎn)角偏差為5.2°，并且機器人可以按照規(guī)劃好的路線到達預(yù)定地點。實驗結(jié)果表明，圖書管理助手機器人路徑規(guī)劃導(dǎo)航系統(tǒng)能夠達到預(yù)期要求。

6 結(jié)論

文章對于研發(fā)的圖書管理助手機器人直線運動和圓弧運動時的路徑規(guī)劃算法進行了分析了，編寫了電機工作代碼，實現(xiàn)了路徑規(guī)劃的系統(tǒng)搭建，實驗證明，該路徑規(guī)劃方法可以滿足圖書管理助手機器人的工作要求。