基于ROS的可重構(gòu)多差速驅(qū)動(dòng)重載AGV系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

朱雪宏，丁承君*，吳禮榮，馮玉伯，賈麗臻

(1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津 300401；2.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院 天津 300300)

0 引言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、信息融合技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用水平正在快速提高，自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）作為一種搬運(yùn)用輪式移動(dòng)機(jī)器人（Wheeled1Mobile Robot，WMR），在航空、航天、船舶、汽車、港口、倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)具有日益廣泛的應(yīng)用[1，3]，各個(gè)行業(yè)都存在重型負(fù)載的智能搬運(yùn)需求，尤其是對(duì)大質(zhì)量、大尺寸部件進(jìn)行移載時(shí)，重載AGV的作用更顯得尤其重要。重載AGV發(fā)展至今，各行各業(yè)的搬運(yùn)物體及現(xiàn)場(chǎng)工況各不相同，重載AGV設(shè)計(jì)加工制作周期較長(zhǎng)，在這種背景下，需要一種設(shè)計(jì)方法，使重載AGV實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)重載AGV軟件系統(tǒng)對(duì)不同的硬件模塊實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)[4]，使得重載AGV具備完成不同工況不同任務(wù)的能力。

AGV發(fā)展至今，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常采用萬(wàn)向輪、麥克納姆輪、舵輪、正交輪、球輪、差速單元等，目前重載AGV主要使用麥克納姆輪、舵輪、差速驅(qū)動(dòng)單元結(jié)合腳輪活萬(wàn)向輪承重的方式，考慮應(yīng)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)工況，這里采用高度尺寸最小的差速驅(qū)動(dòng)單元作為研究對(duì)象。重載AGV可重構(gòu)特性主要體現(xiàn)在硬件自重構(gòu)[5]和軟件自重構(gòu)[6]，其中硬件自重構(gòu)體現(xiàn)在機(jī)械本體自重構(gòu)和控制系統(tǒng)自重構(gòu)，機(jī)械本體主要是零部件的選擇，不可自重構(gòu)的是外觀設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)自重構(gòu)主要是各類傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)單元等控制元件插入控制系統(tǒng)后自識(shí)別，軟件自重構(gòu)可根據(jù)接入控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行自重構(gòu)，軟件自重構(gòu)要求各個(gè)模塊之間不能具有耦合性，否則重構(gòu)算法將變得特別復(fù)雜。自重構(gòu)不僅要求各個(gè)模塊和控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，還同時(shí)要求各個(gè)模塊之間能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，為了滿足這一需求，學(xué)術(shù)界開(kāi)發(fā)了許多框架，其中機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）就是在這種背景下出現(xiàn)的。

機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operating System）是一種開(kāi)源機(jī)器人操作系統(tǒng)，此系統(tǒng)是Willow Garage 公司與多家科研單位合作開(kāi)發(fā)的，是為了應(yīng)對(duì)在開(kāi)發(fā)大型服務(wù)機(jī)器人時(shí)遇到的特殊挑戰(zhàn)。目前為止，它形成的機(jī)器人操作與控制系統(tǒng)軟件框架已得到廣泛應(yīng)用[7，9]。該框架使用了面向服務(wù)架構(gòu)軟件技術(shù)（SOA），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議將節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信解耦[10]。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）代表了當(dāng)今機(jī)器人應(yīng)用軟件原型和開(kāi)發(fā)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。它為機(jī)器人硬件資源提供了多個(gè)軟件抽象層，使軟件開(kāi)發(fā)人員能夠更專注于軟件開(kāi)發(fā)，而不必?fù)?dān)心底層硬件編程，提供了類似操作系統(tǒng)所能提供的功能，包含管理底層的驅(qū)動(dòng)程序、執(zhí)行公用功能、程序間的信息傳遞、硬件描述、程序發(fā)行包的管理等。

1 重載AGV硬件組成

重載AGV由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，文中所謂的自重構(gòu)既要考慮硬件系統(tǒng)，也要考慮軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由機(jī)械本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 重載AGV組成圖

機(jī)械本體設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況和工作空間決定，有潛伏式、牽引式等。機(jī)械本體設(shè)計(jì)主要考慮其承載能力和防傾覆能力。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)考慮工作空間的兼容性，文中設(shè)計(jì)的重載AGV選擇高度尺寸較低的差速驅(qū)動(dòng)單元，通常每組驅(qū)動(dòng)單元能承載8t左右，考慮重載AGV載重和安全系數(shù)，選擇對(duì)應(yīng)輪組的數(shù)目即可。

供電系統(tǒng)采用獨(dú)立供電方式，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電、控制系統(tǒng)供電和液壓系統(tǒng)供電三部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電根據(jù)選擇的差速單元輪組數(shù)目而定。液壓系統(tǒng)供電取決于液壓頂升重量和液壓缸量程等參數(shù)有關(guān)。控制系統(tǒng)供電取決于依據(jù)控制系統(tǒng)的功耗而定。

液壓系統(tǒng)根據(jù)頂升物的重量進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，一般液壓缸設(shè)計(jì)在差速輪組的正上方，讓輪組直接承受重物質(zhì)量，降低車體在此過(guò)程中的形變，同時(shí)采用同步馬達(dá)和平衡閥保證平穩(wěn)舉升。

傳感器系統(tǒng)主要分為安全模塊、運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊、報(bào)警模塊、定位模塊和通訊模塊。各類傳感器采用統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)布。

重載AGV控制系統(tǒng)如圖2所示，主要有工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制器、液壓節(jié)點(diǎn)控制、供電節(jié)點(diǎn)控制器、其余傳感器節(jié)點(diǎn)控制器、串口服務(wù)器、觸摸屏和手持遙控組成。系統(tǒng)除、串口服務(wù)器、觸摸屏和手持遙控以外，其余模塊均可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自重構(gòu)，系統(tǒng)工控機(jī)和驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制器選擇ARK-2230L，其余節(jié)點(diǎn)控制器選擇AIMC-2000J，工控機(jī)與驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制器、液壓節(jié)點(diǎn)控制器、供電節(jié)點(diǎn)控制器、其余傳感器節(jié)點(diǎn)控制器采用路由的方式連接，方便實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制器采用控制總線方式與驅(qū)動(dòng)器連接，可快速擴(kuò)充接入多組差速驅(qū)動(dòng)單元，其作用控制差速驅(qū)動(dòng)單元及時(shí)響應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)精確控制，通過(guò)且通過(guò)采集磁傳感器與慣性傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制算法糾偏；液壓節(jié)點(diǎn)傳感器采用Modbus方式與液壓PLC系統(tǒng)進(jìn)行連接，主要控制液壓系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、復(fù)位和點(diǎn)動(dòng)；供電節(jié)點(diǎn)控制器采用485方式與電池組連接，可實(shí)時(shí)采集電池組信息；其余節(jié)點(diǎn)傳感器與傳感器連接方式可根據(jù)傳感器方式具體而定。通過(guò)以上方式進(jìn)行的硬件連接，可實(shí)現(xiàn)硬件間的解耦，可快速進(jìn)行控制系統(tǒng)自重構(gòu)。

圖2 重載AGV控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

ROS是Willow Garage公司在2010年發(fā)布的用于解決代碼復(fù)用和模塊化需求的機(jī)器人操作系統(tǒng)，采用分布式處理，提供硬件抽象、設(shè)備控制、消息管理等標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)服務(wù)。

節(jié)點(diǎn)是ROS執(zhí)行相關(guān)功能的進(jìn)程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)主題或者服務(wù)于其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。主題是指特定消息的名稱，用于描述消息內(nèi)容，主題實(shí)質(zhì)上是ROS網(wǎng)絡(luò)對(duì)消息進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)總線。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要從另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答時(shí)，可以通過(guò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)允許和某個(gè)節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信。消息是節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的數(shù)據(jù)內(nèi)容，傳感器的數(shù)據(jù)、算法結(jié)果均可定義為消息。

可重構(gòu)重載AGV軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次，ROS是運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上的操作系統(tǒng)，基本節(jié)點(diǎn)層分為4部分，分別是感知節(jié)點(diǎn)類、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)類、狀態(tài)節(jié)點(diǎn)類和主控節(jié)點(diǎn)類。感知節(jié)點(diǎn)類是重載AGV通過(guò)各類傳感器感知環(huán)境的，主要有安全類Node（如激光雷達(dá)Node，防撞條Node，急停按鈕Node，聲光報(bào)警Node），運(yùn)動(dòng)控制反饋類Node（磁傳感器Node，慣性傳感器Node，電機(jī)編碼器Node，旋轉(zhuǎn)編碼器Node），報(bào)警類Node（聲光報(bào)警Node等），電池組狀態(tài)Node和液壓狀態(tài)Node；執(zhí)行節(jié)點(diǎn)類主要控制重載AGV運(yùn)動(dòng)和液壓頂升的，包括差速驅(qū)動(dòng)單元Node和液壓電機(jī)Node；狀態(tài)節(jié)點(diǎn)類是重載AGV運(yùn)行過(guò)程中重載AGV的建模信息，中間變量和控制邏輯變量等，包括重載AGV長(zhǎng)和寬，差速驅(qū)動(dòng)單元組數(shù)，輪的直徑，橫縱向傳感器距離、主軸x和Y方向的偏離，電機(jī)速度、加速度和電機(jī)是否運(yùn)動(dòng)到位等；主控節(jié)點(diǎn)類一方面通過(guò)感知傳感器和重載AGV狀態(tài)來(lái)決策下一步執(zhí)行動(dòng)作的，將執(zhí)行策略下發(fā)給執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，另一方面通過(guò)自重構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重載AGV控制系統(tǒng)的自主識(shí)別和控制系統(tǒng)重構(gòu)。

圖3 可重構(gòu)重載AGV軟件系統(tǒng)架構(gòu)

3 重載AGV自重構(gòu)模型

重載AGV自重構(gòu)模型如圖4所示。AGV自重構(gòu)模型分為四部分，分別是AGV控制類Node，狀態(tài)類Node，執(zhí)行類Node，感知類Node?？刂祁怤ode是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，感知類Node負(fù)責(zé)所有傳感器和執(zhí)行器的狀態(tài)的反饋，執(zhí)行類Node負(fù)責(zé)執(zhí)行控制類Node的決策，控制電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，狀態(tài)類Node負(fù)責(zé)重載AGV實(shí)時(shí)的狀態(tài)和內(nèi)部邏輯狀態(tài)。

圖4 重載AGV自重構(gòu)模型

重載AGV完成組裝之后，通過(guò)組態(tài)屏連接工控機(jī)對(duì)AGV控制類Node進(jìn)行IO、協(xié)議等的設(shè)置，保證所有硬件（已安裝硬件或新增硬件）能按照指定方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，AGV控制類Node對(duì)接入系統(tǒng)的硬件進(jìn)行主題檢測(cè)，檢測(cè)完成行成在役主題列表，控制類Node與硬件Node建立連接，確定傳輸協(xié)議，將硬件節(jié)點(diǎn)歸類到狀態(tài)類Node，感知類Node和執(zhí)行類Node中，最終完成數(shù)據(jù)的傳輸。

4 設(shè)計(jì)樣機(jī)

重載AGV本體設(shè)計(jì)可根據(jù)具體工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，文中設(shè)計(jì)均為潛伏式AGV，外觀上只更改了重載AGV本體的長(zhǎng)度和寬度，高度要考慮防傾覆設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)重量選擇差速驅(qū)動(dòng)單元組數(shù)，根據(jù)提升重量和高度選擇液壓系統(tǒng)，根據(jù)工藝要求及工作節(jié)拍，選擇電池組容量。文中控制系統(tǒng)包括一臺(tái)工控機(jī)（主控器），6組差速驅(qū)動(dòng)單元，6個(gè)絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，4個(gè)磁傳感器（磁條導(dǎo)航），1個(gè)RFID高速讀卡器，重載AGV布局圖如圖5所示。

圖5 重載AGV布局圖

重載AGV控制系統(tǒng)是基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)的，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期，利用ROS系統(tǒng)優(yōu)秀的建模功能實(shí)現(xiàn)重載AGV的模型構(gòu)建，并且在rviz上實(shí)現(xiàn)AGV的控制功能仿真，包括手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)功能，通過(guò)仿真功能來(lái)優(yōu)化AGV控制程序，實(shí)現(xiàn)來(lái)AGV通過(guò)前后兩個(gè)磁傳感器沿著磁條進(jìn)行糾偏穩(wěn)定運(yùn)行目的，大大減輕AGV現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的工作量。重載AGV建模圖如圖6所示，重載AGV的設(shè)計(jì)、加工、制造、調(diào)試周期縮短至20天。

圖6 重載AGV的rviz建模圖

其中，重載AGV三臺(tái)樣機(jī)參數(shù)指標(biāo)如表1所示，其產(chǎn)品圖如圖7所示。

表1 重載AGV樣機(jī)參數(shù)表

圖7 可重構(gòu)多差速驅(qū)動(dòng)重載AGV產(chǎn)品系列圖

5 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)重載AGV設(shè)計(jì)、加工、制作、調(diào)試周期長(zhǎng)及標(biāo)準(zhǔn)化不統(tǒng)一問(wèn)題，提出一種基于ROS的可重構(gòu)多差速驅(qū)動(dòng)重載AGV系統(tǒng)，重載AGV車體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行外形設(shè)計(jì)和微調(diào)，控制系統(tǒng)根據(jù)承載重量、現(xiàn)場(chǎng)工藝節(jié)拍、續(xù)航能力進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，降低控制系統(tǒng)模塊間的耦合性，提出了軟件自重構(gòu)模型，對(duì)于不同模塊組合的重載AGV進(jìn)行軟件自重構(gòu)，最終制作了三臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行方法驗(yàn)證，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，基于ROS的可重構(gòu)多差速驅(qū)動(dòng)重載AGV系統(tǒng)將重載AGV設(shè)計(jì)、加工、制作、調(diào)試的周期縮短至20天，同時(shí)產(chǎn)品穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化能力均得到大幅提升，也為后續(xù)多個(gè)重載AGV協(xié)同搬運(yùn)系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。