基于嵌入式ＡＲＭ結(jié)構(gòu)的倉儲物流機器人控制算法設(shè)計

李成　王錦石　曹顯瑩等

關(guān)鍵詞：嵌入式ARM系統(tǒng)；倉儲物流機器人；控制算法；空間定位

中圖法分類號：TP242 文獻標識碼：A

1引言

搬運、包裝等物流倉儲生產(chǎn)線的自動化與智能化應(yīng)用日益增加，智能機器人也已經(jīng)應(yīng)用到餐飲、制造、機械、物流等多個行業(yè)，可順應(yīng)現(xiàn)今的物流產(chǎn)業(yè)立體化空間理念。實現(xiàn)機器人路徑規(guī)劃、合理避障等功能，并通過嵌入式ARM系統(tǒng)實時計算最優(yōu)解，改善模塊運行性能，充分遵循可擴展性、移植性等原則，是現(xiàn)階段智能機器人的重要發(fā)展方向。

2嵌入式ARM結(jié)構(gòu)的微處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計

ARM結(jié)構(gòu)是一個擁有較高性能的微處理器架構(gòu)，具有16位與32位指令采集能力，且具有較高的拓展性，可同時進行多任務(wù)處理，具有較小的體積與功耗，適用于當前階段下的物流倉儲機器人控制中樞，以滿足智能機器人在自動化、功能化等方面的需求。嵌入式ARM結(jié)構(gòu)較為先進，可在內(nèi)部處理器中設(shè)置嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有較高的集成度，但并不增加其功耗，同時可通過定向開發(fā)模式，將各項程序?qū)懭胩幚砥?，確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)可通過電路板將各個功能模塊與FS和GUI等接口連接，并通過32位的微處理器降低功耗，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力，實現(xiàn)系統(tǒng)多任務(wù)同步處理，多功能異步輔助，且無需TTL轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)對各個引腳的控制。

嵌入式ARM通信定位模塊可通過普通鋰電池進行供電，并與SPI接口相連，按照所設(shè)定的參數(shù)處理工作任務(wù)，具有較強的實時性，可直接對外部事件做出響應(yīng)。其系統(tǒng)內(nèi)資源占用率較低，可節(jié)省倉儲物流存儲成本，且具有較強的自適應(yīng)能力，從而進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1系統(tǒng)工作原理

倉儲物流機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計極為重要，作為用戶控制的執(zhí)行者，服務(wù)機器人的各種功能都需要通過硬件實現(xiàn)，同時硬件平臺也可為各類軟件的運行提供基礎(chǔ)條件，應(yīng)用標準化接口，以確保資源的互換性與擴展性。機器人控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)與軌跡示教系統(tǒng)，主要實現(xiàn)機器人運動軌跡再現(xiàn)等功能，主控制器可通過示教模式引導(dǎo)機器人到達相應(yīng)地點，記錄好該點坐標后可存儲到服務(wù)器內(nèi)，為后續(xù)其他使用提供參考，同時可根據(jù)服務(wù)器內(nèi)記錄的點位信息進行路徑規(guī)劃，再通過發(fā)送脈沖等方式對伺服電機進行同步控制，如實現(xiàn)機器人的導(dǎo)航、啟動、停止、運行控制、路徑規(guī)劃、監(jiān)控、通信等功能，為此需要配備主控元件、驅(qū)動程序、通信模塊、語音識別模塊、液晶觸摸屏、電源管理等多個單元模塊與處理器相互連接，采集機器人各方面的反饋信息，如速度反饋、轉(zhuǎn)向反饋、方向信號等，以確保機器人實現(xiàn)各項功能。

3.2硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式ARM控制系統(tǒng)的硬件可采用三星S3C2410處理器作為CPU，在嵌入式系統(tǒng)C/OS Ⅱ的幫助下，實現(xiàn)對機器人的控制。該處理器應(yīng)用了ARM920內(nèi)核，內(nèi)部時鐘可達到200 MHz，可滿足機器人控制中的各項復(fù)雜算法，從而提升系統(tǒng)運行精準度。同時，該處理器還內(nèi)置了110多個I/O口與24個外部中斷源，其中包括USB接口、DMA接口、UART控制接口等，既可簡化外部的連接電路，又可通過200MHz的內(nèi)部時鐘確保機器人具備高性能指令采集與C語言運算能力，賦予機器人在工作中的實時性。

ARM處理器還具備RS串口，可與傳感器、伺服器等模塊相互連接，這種RS串口也可確保系統(tǒng)的實時性，并通過DSP傳感器模塊，同時進行4路服務(wù)器連接的控制任務(wù)。讓傳感器模塊連接24路超聲傳感器及紅外傳感器，其中伺服電機可選用松下NINASA5的伺服電機，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，額定輸出功率為750 W，最大轉(zhuǎn)數(shù)為4500r/min，最大輸出轉(zhuǎn)矩為7.2 N。在具體應(yīng)用中既可以降低機器人的功耗及成本，又可以全面收集機器人的各項運行信息，注重操作的實時性，避免出現(xiàn)較高的操作延遲。此外，還包括LCD觸摸屏及語音交互接口等，屏幕可選用普通液晶觸摸屏，語音識別可采用16位結(jié)構(gòu)的高集成微型控制器，內(nèi)部設(shè)有16*16語音算法，CPU時鐘可達到49 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)實時語音處理工作，為機器人控制系統(tǒng)提供較高的便利性。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1軟件模塊化設(shè)計

硬件平臺搭設(shè)后，為實現(xiàn)機器人的各項功能，就需要進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)軟件可通過開放式形式進行設(shè)計，并遵循軟件結(jié)構(gòu)化、驅(qū)動標準化等原則，應(yīng)根據(jù)機器人所需的各項功能，針對性調(diào)整各個模塊結(jié)構(gòu)，確保各個模塊之間相互通信，滿足系統(tǒng)的實時性需求。如可通過Linux操作系統(tǒng)搭載Qt界面，通過其支持多線程、多任務(wù)操作等特性，讓各個軟件功能模塊之間建立通信，實現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同處理，該操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，容易移植，且系統(tǒng)具有公開化源代碼，便于實現(xiàn)各個功能任務(wù)間的邏輯關(guān)系。

倉儲物流機器人的控制系統(tǒng)軟件應(yīng)分為主控制模塊與示教模塊，其中主控制系統(tǒng)應(yīng)包括初始化模塊、通信模塊、軌跡顯示模塊、位置速度生成模塊、脈沖頻率生成模塊、故障報警模塊等，而示教軟件則應(yīng)包括通信模塊、點動模塊、四軸聯(lián)動模塊、故障監(jiān)控模塊等，再通過通信端口相互連接，用戶在發(fā)出指令任務(wù)后，可通過嵌入式操作系統(tǒng)向軟件層發(fā)送任務(wù)數(shù)據(jù)，軟件層接收后就可實現(xiàn)各項功能。

4.2空間直線插補

倉儲物流機器人控制系統(tǒng)建立后，機器人就會按照軌跡插補算法，再現(xiàn)示教軌跡。為確保機器人定位精度，降低對后續(xù)各項工作的影響，提升工作效率與準確性，就應(yīng)確保這種插補算法的精準性。插補是在機器人運動路徑的起點與終點中插入定位點，并將整體運動軌跡切斷為小路段點，再采用一定的插值算法，對每一段軌跡的路徑進行擬合排列，以提升機器人的運動精準度，降低復(fù)雜空間下機器人運動出錯的概率。而在嵌入式ARM控制中，可采用空間直線插補的方式，在已知的機器人運動軌跡中，獲取到插補點位的位置信息，如在包裝及搬運等過程中，為機器人規(guī)劃出行程軌跡，確保機器人在運動中提前規(guī)避路徑上的障礙，避免碰撞到流水線及其他物品，以確保機器人能夠正常工作。

這種空間直線插補算法可提前獲取機器人的工作環(huán)境，如獲取工作路徑上所需要規(guī)避的點位及障礙物信息，提前進行標點，再根據(jù)固定的機器人步長或固定時間間隔，在規(guī)劃的路徑中插入坐標點，再根據(jù)機器人本體的運動方式進行規(guī)劃，轉(zhuǎn)換所插入的各個坐標點，得到空間關(guān)節(jié)角度值，并將得到的關(guān)節(jié)角通過伺服控制器進行規(guī)劃，傳輸?shù)綑C器人的控制系統(tǒng)中，最后讓機器人按照規(guī)劃的路徑進行移動。而示教系統(tǒng)則可以根據(jù)新的障礙物信息，獲取服務(wù)器傳遞的點位信息并進行模擬學(xué)習(xí)，以不斷提升機器人的移動精準度，降低出錯概率，從而讓機器人在移動中學(xué)會規(guī)避不同路徑下的障礙，以確保機器人正常運作[3]。

5倉儲物流機器人控制算法設(shè)計

5.1空間定位與行程軌跡控制

倉儲物流機器人的控制程序是進一步提升機器人在工作中的流暢性，降低誤操作概率的控制算法，應(yīng)確保機器人可以躲避障礙物，以及機器人能夠按照指定路徑前進，并精準地完成搬運貨物、舉起貨物、分揀、裝載等動作。為此，在嵌入式ARM系統(tǒng)中，首先應(yīng)選用交流伺服電機及RS485通信總線，提升系統(tǒng)的靈活性及拓展性，考慮到倉儲物流機器人的橫向運動及縱向升降運動等都需要三維工作臺的幫助，為此應(yīng)將系統(tǒng)與工作臺相連接，并進行嵌入式結(jié)構(gòu)匹配。

嵌入式ARM結(jié)構(gòu)可內(nèi)置通信模塊及陀螺儀模塊，用來獲取機器人的前進速度、方向、加速度等空間信息，以實現(xiàn)機器人的空間定位。再通過通信模塊等，將空間定位信息發(fā)送到后臺控制中心，保持通信聯(lián)系，同時ARM處理器還應(yīng)對當前機器人的位置進行實時處理，若發(fā)現(xiàn)機器人運動軌跡偏離了既定軌跡，或判斷路徑存在障礙物，則微處理器就會發(fā)動警報，采用緊急制動或路徑更新等方式，計算出最佳行進路徑并進行路徑調(diào)整，改變傳統(tǒng)中靜態(tài)路徑規(guī)劃的方式，減小運動誤差，確保機器人每一段路徑偏差達到最小化。

5.2空間位姿控制調(diào)整

倉儲物流機器人在運行中還可通過NFC通信模塊并結(jié)合ARM嵌入式微處理器，對數(shù)據(jù)訂單進行采集，并將其進行拆分處理，可按照機器人攜帶的貨物編碼等，將信息傳遞給伺服控制器，系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送出報文信息，指揮機器人去往最近的物流貨架。而NFC模塊可用于接收調(diào)度信息，并通過微處理器控制機器人前往目標，以及貨物存放與制定貨位。在此過程中，機器人需要完成各項理貨動作，該階段可通過自動化機械臂取代傳統(tǒng)的人工操作，如應(yīng)用日本安川電機YASKAWA硬件與發(fā)那科FANUC及德國的庫卡等算法相結(jié)合的機械臂，完成機器人的上貨、分揀、碼垛等智能動作，現(xiàn)階段下機器人的機械臂還配備真空吸盤，用于抓取包裹并進行掃描，后臺會將識別到的信息與貨柜進行匹配計算，機器人則直接將包裹放進對應(yīng)的貨柜中，全程沒有停頓，該系統(tǒng)每小時可分揀700～1000件包裹，大幅度提升了倉儲物流工作的智能性，解放了大量勞動力。同時，該系統(tǒng)還可通過重力檢測來判斷貨柜是否裝滿，減少裝袋與運動規(guī)劃時間，提高分揀效率。

6倉儲物流機器人控制算法驗證

6.1測試環(huán)境

倉儲物流機器人的算法驗證用來檢驗ARM處理器控制下機器人的可靠性，以及路徑規(guī)劃的避障能力、空間位姿狀態(tài)的控制效果等。測試可選用ARM11開發(fā)平臺，所測試的機器人內(nèi)置LBlink通信模塊，可匹配交流伺服電機，后臺則可通過相關(guān)監(jiān)控平臺，隨時觀察倉儲機器人的工作狀態(tài)，從而評估測試結(jié)果。測試中倉儲物流機器人可通過C60平臺進行構(gòu)建，并采用軸向6個控制器，自動診斷運動狀態(tài)、空間坐標系等，如初始編碼位置在54 157軸向的機器人可將傳動比與脈沖數(shù)設(shè)置為106與13 1072，初始編碼位置在125 484軸向的機器人可將傳動比與脈沖數(shù)設(shè)為54.35及131072，機器人初始位置狀態(tài)的設(shè)定也決定了后續(xù)檢測中檢測結(jié)果的可靠性，以確保機器人擁有較為精準的定位能力，模擬出真實作業(yè)環(huán)境，并通過驅(qū)動算法進行實時在線糾偏，測試系統(tǒng)的容錯能力，進而提高對各類運動參數(shù)的預(yù)估精度，獲取更高的控制精度。

6.2軌跡規(guī)劃與障礙躲避檢測

倉儲物流機器人的行動軌跡可被限制在100*85m的矩形場地中，區(qū)域范圍內(nèi)包括46組立體貨架。將機器人的初始點位設(shè)為A點，測試機器人從A點出發(fā)，前往B，C，D貨柜，同時路徑上還會有其他正在工作的機器人，用于軌跡規(guī)劃與障礙躲避檢測，該方式可直接體現(xiàn)出機器人在路徑規(guī)劃、碰撞規(guī)避等方面的能力。內(nèi)置了嵌入式ARM控制系統(tǒng)的倉儲物流機器人應(yīng)具備根據(jù)實施路況信息規(guī)劃路徑的能力，選擇動態(tài)化最優(yōu)路徑，并能夠順利躲避路徑上的障礙物，到達目的地。

在實踐測試中，根據(jù)機器人的初始位置，系統(tǒng)已經(jīng)判斷出最優(yōu)路徑，通過對比發(fā)現(xiàn)，嵌入式ARM微處理器機器人可以成功躲避障礙物，還可根據(jù)當前實時位置信息，及時規(guī)劃最優(yōu)路徑，該路徑與系統(tǒng)判斷的最優(yōu)路徑相重合，而采用傳統(tǒng)遺傳算法的機器人雖能夠躲避障礙物，但卻難以利用通信模塊做好最優(yōu)路徑規(guī)劃，在工作效率上遠不如嵌入式ARM機器人，因此搭載了嵌入式ARM微處理器的機器人可進一步提升倉儲物流工作效率及智能性。

6.3空間位姿控制偏差檢測

倉儲物流機器人應(yīng)按照既定程序，控制行進路線的同時，做好貨物的抓取、存放等動作。而為了確保該工作的精準性，應(yīng)對機器人的空間位姿偏差進行檢測，該項測試中可檢測出機器人在進行抓取、擺放貨物等過程中的偏差，以避免貨架上貨物的位置出現(xiàn)偏離。在實驗中可設(shè)立46組立體貨架，并統(tǒng)計倉儲物流機器人擺放貨物的偏離情況，測試結(jié)果顯示搭載嵌入式ARM處理器的機器人在擺放貨物時并未出現(xiàn)較大的偏差，且應(yīng)用日本安川電機YASKAWA硬件與發(fā)那科FANUC算法的機械臂在工作中具有較高的工作質(zhì)量，可滿足現(xiàn)階段智能機器人的工作需求，實驗效果較好。

7結(jié)束語

嵌入式ARM結(jié)構(gòu)的倉儲物流機器人可通過控制算法，實時獲取自身位置信息，并進行準確的空間定位，在工作中可及時規(guī)劃出最優(yōu)路徑，同時具有高精度的避障能力。而在工作效率上，嵌入式ARM結(jié)構(gòu)的機器人相較于傳統(tǒng)的遺傳算法機器人，具有更高的工作效率與更精準的空間位姿，且擁有實時糾偏功能，降低貨物擺放偏差，經(jīng)測試該機器人的應(yīng)用可滿足生產(chǎn)要求，促進行業(yè)發(fā)展。