一種物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)毓培 馬維旻 楊裕 尹雪梅 潘強(qiáng) 湯佩豫 黎偉

摘要：為了節(jié)省機(jī)器人開(kāi)發(fā)的成本和功耗，工業(yè)領(lǐng)域一般采用非ROS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)機(jī)器人，本文闡述的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)基于ARM架構(gòu)的S5PV210的CPU，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，降低了硬件成本，節(jié)省了電池功耗，同時(shí)根據(jù)定制需求開(kāi)發(fā)，實(shí)時(shí)性比較高。機(jī)器人的ARM主板和單片機(jī)主板間通過(guò)定制的通信協(xié)議通信，外接了各種傳感器以加強(qiáng)機(jī)器人的感知能力，通過(guò)嵌入式Linux下多進(jìn)程的開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)多功能同步，圖形界面采用嵌入式QT開(kāi)發(fā)，通過(guò)mjpeg-streamer實(shí)現(xiàn)web遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，并設(shè)計(jì)了安卓APP以提供操控的便攜性。

關(guān)鍵詞：物流機(jī)器人；ARM；嵌入式Linux；單片機(jī)；QT圖形界面

*基金項(xiàng)目：

1）廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2018GKTSCX056）

2）廣東普通高校重點(diǎn)項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2019GZDXM014）

3）珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年科研項(xiàng)目（KY2021Y01Z）

4）2020年教育部高等學(xué)校項(xiàng)目（2020ITA03008）

5）2022年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金（pdjh2022b0992）

6）2021年校級(jí)質(zhì)量工程師資項(xiàng)目（ZLJS2020120622，ZLJS2020120623，ZLJS2020120624）

0 引言

目前大部分的機(jī)器人都是基于 ROS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般 ROS 在 Ubuntu 系統(tǒng)中的穩(wěn)定性最好，因此需要 Intel或者高性能 ARM 架構(gòu)的 CPU 的支撐，但存在的問(wèn)題是硬件成本高，功耗高，產(chǎn)品的體積大。同時(shí) ROS 系統(tǒng)中有很多功能對(duì)于某些特定的應(yīng)用場(chǎng)景而言是冗余的，這些冗余的功能會(huì)使系統(tǒng)龐大，占用很多內(nèi)存和 CPU的資源，而且機(jī)器人反應(yīng)不夠靈敏，實(shí)時(shí)性較差。如果將 ROS 移植到基于 ARM 架構(gòu)的低成本低功耗的 CPU上，或者對(duì) ROS 系統(tǒng)進(jìn)行裁剪以去掉冗余的部分，存在工作難度大周期長(zhǎng)的問(wèn)題，而且 ROS 后期運(yùn)行時(shí)不夠穩(wěn)定。因此要設(shè)計(jì)一款在特定應(yīng)用場(chǎng)景中運(yùn)行的低成本低功耗的機(jī)器人，不應(yīng)采用 ROS 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，而應(yīng)根據(jù)具體需求采用適用于特定應(yīng)用場(chǎng)景下的定制化的軟硬件設(shè)計(jì)方案，在降低成本功耗體積的同時(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

1硬件設(shè)計(jì)

本文中所設(shè)計(jì)的物流機(jī)器人如圖1所示，硬件部分由 ARM 主板和單片機(jī)電路板組成，具體的硬件框架如圖2所示。

其中 ARM 主板采用了 S5PV210的 CPU，帶有512 MB 的 RAM和512 M 的flash，LCD 觸摸屏，SD 卡插槽，3個(gè) USB 接口和4個(gè)串口，運(yùn)行嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)[1]，如圖3所示。利用該主板可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的激光雷達(dá)掃描，LCD 觸摸屏顯示，機(jī)器人與手機(jī) APP 之間的藍(lán)牙通信，運(yùn)行mjpeg-streamer 的實(shí)時(shí) web 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等功能。

ARM 主板的 CPU 是 S5PV210，運(yùn)行嵌入式 Linux 系統(tǒng)，嵌入式 Linux 系統(tǒng)是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，無(wú)法準(zhǔn)確讀取25 kHz 的光電編碼器的脈沖，因此用單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制和光電編碼器的脈沖讀取，單片機(jī)與 ARM 主板之間用自定義的通信協(xié)議傳輸光電編碼器讀取的數(shù)據(jù)[2]，如圖4所示。

機(jī)器人外接模塊可以為機(jī)器人提供更加豐富的功能，如圖5所示，其中 USB 攝像頭用來(lái)提供機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)的視頻，USB-Wi-Fi 模塊用來(lái)將攝像頭的視頻傳輸?shù)竭h(yuǎn)程客戶端的 web 頁(yè)面，串口藍(lán)牙模塊用來(lái)和手機(jī) APP 連接，飛控模塊包含 GPS，陀螺儀，電子羅盤，加速度計(jì)等傳感器，并內(nèi)置了傳感器融合等算法，為室內(nèi)機(jī)器人判斷運(yùn)動(dòng)方向提供參考[3]。

機(jī)器人可連接激光傳感器，該傳感器可以掃描周圍的環(huán)境，得到周圍6 m 范圍內(nèi)的每個(gè)障礙物的角度和距離，如圖6所示。

2軟件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的直流電機(jī)連接著減速電機(jī)，因此光電編碼器一秒鐘可以讀入25 kHz 的脈沖，但嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)是非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，讀取脈沖不夠準(zhǔn)確[4]，因此用單片機(jī)來(lái)讀取25 kHz 的脈沖，并將脈沖值通過(guò)串口自定義的簡(jiǎn)單協(xié)議傳給 ARM 開(kāi)發(fā)板。

單片機(jī)采用 STC15F2K60S2，其中外部中斷0和外部中斷1分別用來(lái)讀取左右兩個(gè)電機(jī)的光電編碼器的脈沖，定時(shí)器0設(shè)置為8位重裝用以設(shè)置波特率為115200。定時(shí)器1每4 ms中斷一次，在中斷服務(wù)程序里，生成可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比，每200 ms計(jì)算一次輪子的速度，假設(shè)兩個(gè)電機(jī)的光電編碼器的脈沖數(shù)為 P，輪子轉(zhuǎn)一圈是25000個(gè)脈沖，輪子的半徑是 r，則輪子的速度為2×3.14×9/25000，并進(jìn)行1 s 的定時(shí)[5]。

串口中斷服務(wù)程序根據(jù)從 ARM 板獲取到的串口信息控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)停止、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、設(shè)定速度，如圖7所示，可通過(guò)手機(jī) APP 或者機(jī)器人的液晶觸摸屏上的按鈕控件來(lái)發(fā)送這些指令，因點(diǎn)擊按鈕是間斷性的動(dòng)作，同時(shí)發(fā)送兩次設(shè)定速度的按鈕的時(shí)間間隔會(huì)比較久，所以在獲取設(shè)定速度時(shí)如果 buffer[2]的值有可能等于13，即’/r’，也不會(huì)認(rèn)為這是新的一條指令。

主程序每秒鐘發(fā)送兩個(gè)電機(jī)的速度到 ARM 板，因嵌入式 Linux 系統(tǒng)底層讀取串口數(shù)據(jù)是不定時(shí)的，很多情況下會(huì)讀取到一個(gè)不完整的包[6]，考慮到機(jī)器人的速度不可能達(dá)到 65 535 mm/s，因此可以將通信協(xié)議簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)如下：

當(dāng)嵌入式 Linux 讀到兩個(gè)連續(xù)的 0xFF，則認(rèn)為是一個(gè)新的包的開(kāi)始，將后面接收到的數(shù)據(jù)存放起來(lái)，直到讀滿 6 個(gè)字節(jié)再開(kāi)始計(jì)算兩個(gè)輪子的速度。

主程序中每秒將計(jì)算設(shè)定速度的上下限，上限是設(shè)定速度的 105%，下限是設(shè)定速度的 95%，當(dāng)電機(jī)的速度在上下限之間不需調(diào)節(jié)占空比，否則每 200 ms調(diào)節(jié)一次占空比。

2.2 嵌入式Linux的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從 QT 的TMainForm進(jìn)入后分別對(duì)mjpegstreamer，GPIO，串口，液晶屏，攝像頭進(jìn)行初始化，并啟動(dòng) QT 的定時(shí)器，每 1 s 刷新一次控件。

在robot_start的進(jìn)程中設(shè)置一個(gè)死循環(huán)，不斷從串口 0 連接的串口藍(lán)牙模塊來(lái)獲取手機(jī) APP 發(fā)送過(guò)來(lái)的命令并加以執(zhí)行，同時(shí)不斷從串口 3 連接的單片機(jī)來(lái)獲取機(jī)器人的速度，通過(guò)與設(shè)定的速度對(duì)比后向單片機(jī)發(fā)送占空比，并根據(jù)累積的脈沖數(shù)計(jì)算機(jī)器人行走的總里程和某時(shí)刻的朝向。

由于 GPS 傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和電子羅盤等傳感器在室內(nèi)無(wú)法使用 [7]，該方法使用里程計(jì)信息對(duì)機(jī)器人的位置和角度進(jìn)行計(jì)算，因此機(jī)器人的朝向可以通過(guò)剛體的運(yùn)動(dòng)計(jì)算得出。

移動(dòng)機(jī)器人的輪子由電機(jī)帶動(dòng)，輪子的直徑為 D，則輪子的周長(zhǎng)為πD，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù) m 可以由光電編碼器獲取，當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)或者后退狀態(tài)，移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的距離 S 可以由 S = m×πD得到。

機(jī)器人在每 1 s 求 1 次角度，并計(jì)算角度的累計(jì)和，以此判斷出機(jī)器人的朝向，因?yàn)榧す鈹?shù)據(jù)處理的進(jìn)程也會(huì)對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，因此在以上流程執(zhí)行前需要加上互斥鎖mutex_lock，執(zhí)行完畢后關(guān)閉互斥鎖 [8]。

串口 3 連接飛控模塊，根據(jù)模塊提供的通信協(xié)議，每 1 s 獲取 1 次飛控模塊的經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)，經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)都是 4 個(gè)字節(jié)，需要拼接后得到十進(jìn)制的經(jīng)緯度，當(dāng)機(jī)器人如果到室外運(yùn)動(dòng)時(shí)可以通過(guò)經(jīng)緯度對(duì)機(jī)器人進(jìn)行粗略的定位。

機(jī)器人每 1 s 也會(huì)判斷設(shè)定速度是否發(fā)生改變，如果改變了就會(huì)根據(jù)新的設(shè)定速度計(jì)算占空比并下發(fā)到單片機(jī)，如果機(jī)器人按照設(shè)定速度來(lái)調(diào)整占空比，會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人的速度忽大忽小的情況，因此將速度上限定為設(shè)定速度的105%，速度下限定為設(shè)定速度的95%，誤差率為±5%，當(dāng)機(jī)器人的速度在速度的上下限范圍內(nèi)則不用調(diào)整占空比，機(jī)器人可以運(yùn)行得更平穩(wěn)[9]。

機(jī)器人的液晶觸摸屏采用 QT 的圖形界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中界面布局可以在 QT designer 中完成，并在 QT designer 中直接添加槽函數(shù)[10]，可通過(guò)qt_second（）函數(shù)每秒鐘對(duì)界面的控件進(jìn)行刷新，當(dāng)按鈕單擊后按鈕文本會(huì)發(fā)生變化，可通過(guò)PushButton->setText函數(shù)完成按鈕文本的設(shè)計(jì)，同樣設(shè)定速度的輸入框可以通過(guò) LineEdit1->setText（QString：：number（setup_speed））; 完成設(shè)計(jì)，單擊+、-兩個(gè)按鈕可以修改機(jī)器人的設(shè)定速度，當(dāng)機(jī)器人的設(shè)定速度大于1 m/s 或者小于0時(shí)，彈出警告框QMessageBox：：information（this，”Error ”， “speed should be in range 0-999 mm/s ”）;，設(shè)定速度、兩個(gè)電機(jī)的速度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)可通過(guò)以下 TextLabel2->setText（QString：：number（setup_speed）+”mm/s ”）;等函數(shù)完成顯示。

機(jī)器人通過(guò)以上mjpeg-streamer 組件的代碼完成了web 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的功能，可在遠(yuǎn)程打開(kāi)firefox瀏覽器看到機(jī)器人上攝像頭拍到的視頻[11]，相關(guān)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

if（webcamera==0）

{

int mjpg_streamer2;

char arg[40]=”/mjgp-streamer/start_uvc_yuv.

sh”;

mjpg_streamer2=system（arg）;

if（（mjpg _ streamer2==127）||（mjpg _ streamer2<0））

webcamera=0;

else

webcamera=1;

printf（“the mjgp_streamer2 is %i＼n ”，mjpg_ streamer2）;

}

激光探頭可以測(cè)量到周圍障礙物的距離和角度，當(dāng)激光探頭發(fā)現(xiàn)在320～40的范圍內(nèi)，在距離激光探頭1 m 的范圍內(nèi)有移動(dòng)障礙物，則變量stop_forward=1，否則該變量為0，該角度和距離可以根據(jù)實(shí)際機(jī)器人的情況做相應(yīng)調(diào)整。同理當(dāng)激光探頭發(fā)現(xiàn)在40到140的范圍內(nèi)，在距離激光探頭1 m 的范圍內(nèi)有障礙物，則變量stop_right =1，否則該變量為0。如果變量 stop_ forward =1，則此時(shí)機(jī)器人需要旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度，從周圍障礙物的縫隙中出去。

根據(jù)表1的內(nèi)容，移動(dòng)機(jī)器人可判斷下一秒是前進(jìn)、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)或者后退，如果沿著終點(diǎn)角度的方向有障礙物，則根據(jù)表2的判斷，移動(dòng)機(jī)器人計(jì)算出一個(gè)與終點(diǎn)角度最近且縫隙間隔大于機(jī)器人寬度的角度，沿著該角度的中線方向移動(dòng)出去[12]。

if（angle<last_data[0]）{

new_start=1;

if（（max_data[1]>=40.0）&&

（max_data[1]<=140.0））

turning_right++;

else if（（max_data[1]>=220.0）&&

（max_data[1]<=320.0））

turning_left++;}

if（（angle>320）||（angle<40））{

if（（distance<800.0）&&（distan

ce>0.0））{

stop_forward++;}}

if（（destination _ angle >40）&&（destination _

angle<320））{

if（angle<=（360-destination_

angle+30））&&（angle>=（360-destination_angle-30）））{

if（（distance<1000.0）&&（dista

nce>0.0））{

stop_destination++;}}}

可利用狀態(tài)機(jī)處理該部分代碼，一共有3種狀態(tài)，第1種是在左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)中以尋找終點(diǎn)方位的狀態(tài)，第2種是前進(jìn)或者后退中不斷向終點(diǎn)靠近，第3種狀態(tài)是

尋找新的空隙的狀態(tài)。

2.3安卓端的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人通過(guò)串口藍(lán)牙模塊和安卓手機(jī)連接，主要修改的文件是安卓系統(tǒng)里的 BluetoothChat.java 文件，以下是控件的初始化：

mInputEditText =（EditText） findViewById（R . id.editText1）;

mInputEditText.setGravity（Gravity.TOP）;?? mInputEditText .setSelection（mInputEditText .

getText（）.length（），

mInputEditText.getText（）.length（））;

mInputEditText.clearFocus（）;

mInputEditText.setFocusable（false）;

mStartButton=（Button）super .findViewById（R . id.button_start）;

forward=（ImageButton）super .findViewById（R . id.imageButton_forward）;

backward=（ImageButton）super.findViewById（R. id.imageButton_backward）;

left=（ImageButton）super .findViewById（R . id.imageButton_left）;

right=（ImageButton）super .findViewById（R . id.imageButton_right）;

mS tartButton . s etOnClickListener（newShowStart（））;

f o r w a r d . s e t O n C l i c k L i s t e n e r（n e w ShowForward（））;

right.setOnClickListener（new ShowRight（））;

ba c kward . se t OnCli c kList e ne r（ne wShowBackward（））;

left.setOnClickListener（new ShowLeft（））;

mTitle =（TextView） findViewById（R .id .title_ left_text）;

mTitle.setText（R.string.app_name）;

mTitle =（TextView） findViewById（R .id .title_ right_text）;

HEXCheckBox =（CheckBox） findViewById（R. id.radioMale）;

breakButton=（Button） findViewById（R . id.button_break）;

m Bl u e t o ot hAdapt e r = Bl u e t o ot hAdapt e r . getDefaultAdapter（）;

checkBox_sixteen =（CheckBox） findViewById（R.id.checkBox_sixteen）;

如果在 APP 上按下啟動(dòng)按鈕，按鈕的文本會(huì)變成“停止”，同時(shí)向機(jī)器人的串口藍(lán)牙模塊發(fā)送”Start ”字符串，機(jī)器人通過(guò)串口收到后調(diào)用 start（）函數(shù)啟動(dòng)機(jī)器人，以下是安卓端的具體實(shí)現(xiàn)。

class ShowStart implements OnClickListener{

public void onClick（View v）{

String message1;

if（system_start==true）{

system_start=false;

mStartButton.setText（“Start ”）;

message1=“stop＼r ”;

}

else{

system_start=true;

mStartButton.setText（“Stop”）;

message1=“start＼r ”;

}

try {

message1.getBytes（“ISO_8859_1”）;} catch（UnsupportedEncodingExceptione）{

e.printStackTrace（）;}

sendMessage（message1）;}}

APP 的其他控件介紹如下：buletooth data buffer 區(qū)域顯示的是機(jī)器人和安卓手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙通信的數(shù)據(jù)，full screen 按鈕可將該區(qū)域全屏顯示，hex display 單選框可以切換該區(qū)域數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制和十進(jìn)制的顯示，clear screen 按鈕可以清空該區(qū)域的數(shù)據(jù)顯示，connect 按鈕可以啟動(dòng)或者關(guān)閉安卓手機(jī)和機(jī)器人之間的連接，stop 按鈕可以啟動(dòng)或者停止機(jī)器人，speed（mm/s）用來(lái)顯示機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度，hex output 單選框用來(lái)切換速度的十六進(jìn)制或十進(jìn)制的顯示，longitude 顯示機(jī)器人所在位置的經(jīng)度，latitude 顯示機(jī)器人所在位置的緯度，angle 需要輸入機(jī)器人相對(duì)于導(dǎo)航終點(diǎn)的朝向角度，distance 需要輸入機(jī)器人相對(duì)于導(dǎo)航終點(diǎn)的距離，這是一種角坐標(biāo)的表示，有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)就可以確定導(dǎo)航終點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人的具體位置，laser scan stop 按鈕可以切換激光傳感器的啟動(dòng)和停止，send speed 按鈕可以發(fā)送機(jī)器人的設(shè)定速度，send position 按鈕會(huì)將 angle 輸入框和 distance 輸入框的內(nèi)容發(fā)送到機(jī)器人，以便機(jī)器人了解導(dǎo)航終點(diǎn)的位置，navigation 按鈕用來(lái)切換手動(dòng)移動(dòng)和自動(dòng)導(dǎo)航模式，整體界面左下方的上下左右四個(gè)箭頭按鈕可以控制機(jī)器人前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，界面右下方顯示機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度，電機(jī)1和電機(jī)2的速度，以及距離機(jī)器人最近的障礙物的距離。

3結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了一種非 ROS 系統(tǒng)的定制化物流機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案可以節(jié)省機(jī)器人的成本和功耗，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定高效，說(shuō)明該設(shè)計(jì)方案具有一定的實(shí)用性和可靠性。

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