基于嵌入式ＡＲＭ結(jié)構(gòu)的倉儲物流機(jī)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(jī)器人；控制算法；空間定位

中圖法分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

搬運(yùn)、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(jī)器人也已經(jīng)應(yīng)用到餐飲、制造、機(jī)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(jī)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(yùn)行性能，充分遵循可擴(kuò)展性、移植性等原則，是現(xiàn)階段智能機(jī)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(jìn)行多任務(wù)處理，具有較小的體積與功耗，適用于當(dāng)前階段下的物流倉儲機(jī)器人控制中樞，以滿足智能機(jī)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(jìn)，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(yùn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)的自適應(yīng)能力，從而進(jìn)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(jī)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(jī)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(yùn)行提供基礎(chǔ)條件，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化接口，以確保資源的互換性與擴(kuò)展性。機(jī)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(jī)器人運(yùn)動軌跡再現(xiàn)等功能，主控制器可通過示教模式引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)相應(yīng)地點，記錄好該點坐標(biāo)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(jìn)行路徑規(guī)劃，再通過發(fā)送脈沖等方式對伺服電機(jī)進(jìn)行同步控制，如實現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航、啟動、停止、運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)器人的控制。該處理器應(yīng)用了ARM920內(nèi)核，內(nèi)部時鐘可達(dá)到200 MHz，可滿足機(jī)器人控制中的各項復(fù)雜算法，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行精準(zhǔn)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(jī)器人具備高性能指令采集與C語言運(yùn)算能力，賦予機(jī)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(jìn)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(jī)可選用松下NINASA5的伺服電機(jī)，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(jī)器人的功耗及成本，又可以全面收集機(jī)器人的各項運(yùn)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(dá)到49 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)實時語音處理工作，為機(jī)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(jī)器人的各項功能，就需要進(jìn)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(jìn)行設(shè)計，并遵循軟件結(jié)構(gòu)化、驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)化等原則，應(yīng)根據(jù)機(jī)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(jī)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(bǔ)

倉儲物流機(jī)器人控制系統(tǒng)建立后，機(jī)器人就會按照軌跡插補(bǔ)算法，再現(xiàn)示教軌跡。為確保機(jī)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(zhǔn)確性，就應(yīng)確保這種插補(bǔ)算法的精準(zhǔn)性。插補(bǔ)是在機(jī)器人運(yùn)動路徑的起點與終點中插入定位點，并將整體運(yùn)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(jìn)行擬合排列，以提升機(jī)器人的運(yùn)動精準(zhǔn)度，降低復(fù)雜空間下機(jī)器人運(yùn)動出錯的概率。而在嵌入式ARM控制中，可采用空間直線插補(bǔ)的方式，在已知的機(jī)器人運(yùn)動軌跡中，獲取到插補(bǔ)點位的位置信息，如在包裝及搬運(yùn)等過程中，為機(jī)器人規(guī)劃出行程軌跡，確保機(jī)器人在運(yùn)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(jī)器人能夠正常工作。

這種空間直線插補(bǔ)算法可提前獲取機(jī)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(jìn)行標(biāo)點，再根據(jù)固定的機(jī)器人步長或固定時間間隔，在規(guī)劃的路徑中插入坐標(biāo)點，再根據(jù)機(jī)器人本體的運(yùn)動方式進(jìn)行規(guī)劃，轉(zhuǎn)換所插入的各個坐標(biāo)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(jìn)行規(guī)劃，傳輸?shù)綑C(jī)器人的控制系統(tǒng)中，最后讓機(jī)器人按照規(guī)劃的路徑進(jìn)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(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，以不斷提升機(jī)器人的移動精準(zhǔn)度，降低出錯概率，從而讓機(jī)器人在移動中學(xué)會規(guī)避不同路徑下的障礙，以確保機(jī)器人正常運(yùn)作[3]。

5倉儲物流機(jī)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(jī)器人的控制程序是進(jìn)一步提升機(jī)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(jī)器人可以躲避障礙物，以及機(jī)器人能夠按照指定路徑前進(jìn)，并精準(zhǔn)地完成搬運(yùn)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(jī)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(jī)器人的橫向運(yùn)動及縱向升降運(yùn)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(jìn)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(jī)器人的前進(jìn)速度、方向、加速度等空間信息，以實現(xiàn)機(jī)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(dāng)前機(jī)器人的位置進(jìn)行實時處理，若發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)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(jìn)路徑并進(jìn)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(yùn)動誤差，確保機(jī)器人每一段路徑偏差達(dá)到最小化。

5.2空間位姿控制調(diào)整

倉儲物流機(jī)器人在運(yùn)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(jìn)行采集，并將其進(jìn)行拆分處理，可按照機(jī)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(jī)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(jī)器人前往目標(biāo)，以及貨物存放與制定貨位。在此過程中，機(jī)器人需要完成各項理貨動作，該階段可通過自動化機(jī)械臂取代傳統(tǒng)的人工操作，如應(yīng)用日本安川電機(jī)YASKAWA硬件與發(fā)那科FANUC及德國的庫卡等算法相結(jié)合的機(jī)械臂，完成機(jī)器人的上貨、分揀、碼垛等智能動作，現(xiàn)階段下機(jī)器人的機(jī)械臂還配備真空吸盤，用于抓取包裹并進(jìn)行掃描，后臺會將識別到的信息與貨柜進(jìn)行匹配計算，機(jī)器人則直接將包裹放進(jìn)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(yùn)動規(guī)劃時間，提高分揀效率。

6倉儲物流機(jī)器人控制算法驗證

6.1測試環(huán)境

倉儲物流機(jī)器人的算法驗證用來檢驗ARM處理器控制下機(jī)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(jī)器人內(nèi)置LBlink通信模塊，可匹配交流伺服電機(jī)，后臺則可通過相關(guān)監(jiān)控平臺，隨時觀察倉儲機(jī)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(jī)器人可通過C60平臺進(jìn)行構(gòu)建，并采用軸向6個控制器，自動診斷運(yùn)動狀態(tài)、空間坐標(biāo)系等，如初始編碼位置在54 157軸向的機(jī)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(jī)器人可將傳動比與脈沖數(shù)設(shè)為54.35及131072，機(jī)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(jī)器人擁有較為精準(zhǔn)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(jìn)行實時在線糾偏，測試系統(tǒng)的容錯能力，進(jìn)而提高對各類運(yùn)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(jī)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(jī)器人的初始點位設(shè)為A點，測試機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)目的地。

在實踐測試中，根據(jù)機(jī)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(jī)器人可以成功躲避障礙物，還可根據(jù)當(dāng)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(jī)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(yuǎn)不如嵌入式ARM機(jī)器人，因此搭載了嵌入式ARM微處理器的機(jī)器人可進(jìn)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(jī)器人應(yīng)按照既定程序，控制行進(jìn)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(zhǔn)性，應(yīng)對機(jī)器人的空間位姿偏差進(jìn)行檢測，該項測試中可檢測出機(jī)器人在進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)YASKAWA硬件與發(fā)那科FANUC算法的機(jī)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(jī)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(jī)器人可通過控制算法，實時獲取自身位置信息，并進(jìn)行準(zhǔn)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(jī)器人相較于傳統(tǒng)的遺傳算法機(jī)器人，具有更高的工作效率與更精準(zhǔn)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(jī)器人的應(yīng)用可滿足生產(chǎn)要求，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。