多傳感器融合的車間自動化運(yùn)輸作業(yè)研究

殷秀梅

(泰州機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 泰州 225300)

0 引言

近年來,隨著智能制造的不斷升級,國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量日益提升,同時也不斷走向海外,產(chǎn)品需求增大,生產(chǎn)效率不斷創(chuàng)出新高度。但對于機(jī)械零部件生產(chǎn)或者需求量較大的重量產(chǎn)品,產(chǎn)品加工車間之間流轉(zhuǎn)不便,需要使用大量人力物力,效率低下,這個問題也是企業(yè)生產(chǎn)的一個頭疼問題。隨著自動化信息化的發(fā)展和廣發(fā)應(yīng)用,生產(chǎn)車間中半成品的運(yùn)輸及裝卸也得以賦能,實現(xiàn)車間中的自動化運(yùn)輸能夠解決產(chǎn)線中的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)效率問題,縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期,提高生產(chǎn)效率,意義重大。車間中的自動化運(yùn)輸不僅需要實現(xiàn)產(chǎn)品的精準(zhǔn)運(yùn)輸,還需要保證穩(wěn)定,能夠做到自主避障。國內(nèi)目前大部分小中企業(yè)自動化運(yùn)輸作業(yè)使用還不足,考慮到實際應(yīng)用需求和性價比,本系統(tǒng)基于設(shè)計創(chuàng)新,圍繞自動前行及避障兩個方向進(jìn)行主要研究:一個提出基于光電傳感器循跡進(jìn)行自主行駛設(shè)計;另一個為避障探索研究,采用多個超聲波測距傳感器側(cè)向避障及激光測距傳感器實現(xiàn)正面避障,配合上位機(jī)[1],實現(xiàn)車間的自動化運(yùn)輸作業(yè)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 傳感器整體布局

本系統(tǒng)設(shè)計采用低速自動化運(yùn)輸,確保安全和產(chǎn)品質(zhì)量的保障,故而系統(tǒng)反應(yīng)時間充足,各傳感器選擇國產(chǎn)為主。整體系統(tǒng)包括行駛導(dǎo)向系統(tǒng)和避障系統(tǒng),激光測距傳感器采用SEN0337,測距5 m,系統(tǒng)設(shè)計考慮到車間環(huán)境空間小,傳感器測量距離和車速較小,盡可能選用性價比高一點的傳感器。傳感器的整體布局如圖1所示。

圖1 傳感器的整體布局示意圖

激光測距傳感器置于前方,用來檢測前方環(huán)境,下方安裝紅外傳感器,地面輔助行駛黑線,提升自主行駛精準(zhǔn)度,兩側(cè)共安裝4個激光測距傳感器用于檢測運(yùn)輸車的側(cè)面障礙,可根據(jù)定制需求調(diào)整激光測距傳感器的數(shù)量。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

自主運(yùn)輸系統(tǒng)主要由車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件控制電路和主控制系統(tǒng)組成[2]。主運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)械整體結(jié)構(gòu),使用底盤搭載電機(jī)驅(qū)動四個車輪框架系統(tǒng),上面為放置零部件及產(chǎn)品臺,前部和側(cè)面預(yù)留位置分別放置所需要傳感器。系統(tǒng)的整體控制由STM32控制,外圍配有供電電路,驅(qū)動電路,以及各傳感器模塊及轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路構(gòu)成,通過傳感器的檢測發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)運(yùn)算和處理,并將最終數(shù)據(jù)和指令發(fā)布到下面的執(zhí)行機(jī)構(gòu),實現(xiàn)自主運(yùn)輸?shù)哪康?。本系統(tǒng)的控制器以STM32為核心,輔助算法控制,實現(xiàn)自主運(yùn)輸作業(yè)的路線學(xué)習(xí)以及運(yùn)行方向控制,行駛中的避障功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 行駛導(dǎo)向系統(tǒng)

行駛導(dǎo)向系統(tǒng),采用光電傳感器進(jìn)行循跡前進(jìn),通過光電傳感器的發(fā)射與接收,結(jié)合地面輔助的導(dǎo)引黑線進(jìn)行行駛導(dǎo)向[3]。光電傳感器型號采用TCRT5000光電傳感器,其集合了發(fā)射與接收功能,通過發(fā)射信號,并經(jīng)過地面不同顏色的反射轉(zhuǎn)換出不同的電壓或電流信號,經(jīng)過放大比較后將結(jié)果輸入到控制中心,主控STM32輸出行駛指令,驅(qū)動小車正確行駛。TCRT5000傳感器體積小,便于安裝,同時靈敏度高,頻率超高,抗干擾能力強(qiáng),利于地面的導(dǎo)引線進(jìn)行循跡。

光電傳感器主要用來判斷地面是否有黑色指引線,當(dāng)出現(xiàn)黑色引線時反射信號接收較弱,此時輸出的模擬信號通過電壓比較器,放大,反相等電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號高電平,并經(jīng)過主控制器離散控制,而地面其他顏色的信號則輸出為低電平。

行駛導(dǎo)向系統(tǒng)為了能夠有效地自動轉(zhuǎn)彎,采用了3個傳感器組成光電傳感器組,設(shè)置雙向偏角安裝,這樣的循跡模塊組有效地提高了直線行駛的穩(wěn)定性以及方向的控制能力。循跡模塊通過3個光電傳感器不斷檢測信息:一方面可以通過3個信息進(jìn)行對比判斷小車是否偏離直線軌道,主控機(jī)經(jīng)過判斷結(jié)束后,可以及時驅(qū)動小車進(jìn)行方向校正;另一方面3個傳感器的組合在遇到轉(zhuǎn)彎的時候,可以及時判斷出轉(zhuǎn)向,向左還是向右,可以通過地面的導(dǎo)向線,快速鑒別,并驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

3 避障系統(tǒng)

多傳感器融合的自動化運(yùn)輸作業(yè)研究中將避障系統(tǒng)分為兩部分,一部分為前行避障系統(tǒng),另一部分為側(cè)面避障系統(tǒng)。其中前行避障采用激光測距傳感器,而側(cè)面采用超聲波測距傳感器。

3.1 前行避障系統(tǒng)

自動化運(yùn)輸作業(yè)在加工作業(yè)的環(huán)境下運(yùn)行,同時在本設(shè)計中以前行和停車為主,故而前行設(shè)置避障措施,采用激光測距傳感器的實時性好且精度高,通過信號采集,對障礙物進(jìn)行檢測和識別,實現(xiàn)障礙物形態(tài)信息的判斷,距離和方位的確定。

障礙物的距離檢測通過激光測距傳感器對其掃描,圖像中的明顯凹陷處為障礙物的位置,且通過比例算法構(gòu)建出障礙物的尺寸信息。建立笛卡爾直角坐標(biāo)系,以發(fā)射點為原點,獲取相關(guān)信息和數(shù)據(jù)[4-5]。設(shè)Sv為障礙物邊緣點的集合,表達(dá)式如式(1)、式(2)所示:

(1)

(2)

構(gòu)建極坐標(biāo)系,設(shè)Sp為激光測距傳感器掃描出的障礙物的坐標(biāo)信息集合,表達(dá)式如式(3)所示:

(3)

激光測距傳感器第一次對障礙物掃描后,得到障礙物的邊緣角度以及障礙物的間距值,從而得到障礙物的邊緣離散點集合,對于離散點的集合,采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得到障礙物的邊緣,在擬合曲線與測量點直接還存在一點差值,通過下面的計算公式(4):

(4)

設(shè)Q為差值平方和,通過計算可得公式(5):

(5)

通過Q對a0,a1,a2,進(jìn)行求導(dǎo),如式(6)所示:

(6)

根據(jù)求出的擬合曲線得出障礙物的形態(tài)特征信息,表達(dá)式如式(7)所示:

y=a0+a1x+a2x2

(7)

根據(jù)障礙物的擬合邊緣曲線可以獲得最小的外接矩形,從而來判斷障礙物的中心點和寬度[6],定出中心,設(shè)參數(shù)β,其計算公式如式(8)所示:

β=θm-θ1

(8)

式(8)中,θm指V中x軸與第m條放射線之間的夾角;θ1指V中x軸與第1條反射線之間存在的夾角。基于最小外接矩形參數(shù)計算出障礙物的寬度值如式(9)所示:

(9)

式(9)中,d1指障礙物的邊緣與傳感器之間的第1條反射線的間距;dm指障礙物的邊緣和傳感器之間的第m條反射線的間距;

結(jié)合上面的計算公式,可以得出障礙物的邊緣特征信息,中心點及寬度信息,從而對障礙物進(jìn)行識別與避障。

3.2 側(cè)向避障

在自動運(yùn)輸作業(yè)當(dāng)中,側(cè)向避障為輔助作用,主要為近距離檢測,當(dāng)遇到側(cè)面近距離有障礙物時,即控制電機(jī)減速前行同時持續(xù)超聲波距離檢測,當(dāng)?shù)綐O限值時,控制器控制電機(jī)停止,原地等待,并且超聲波傳感器持續(xù)檢測,到障礙物遠(yuǎn)離,如果障礙物30 s內(nèi)無移動則發(fā)出報警聲,提醒周邊工作人員進(jìn)行清理,再次檢測后繼續(xù)運(yùn)輸作業(yè)。超聲波測距的穿透力強(qiáng),衰減小,機(jī)械波的反射能力強(qiáng),測量時,通過發(fā)出連續(xù)波形,當(dāng)出現(xiàn)障礙時,傳感器會接收到反射信號,經(jīng)過比較得出時差,從而計算出距離。超聲波測距傳感器成本低,應(yīng)用成熟,在本設(shè)計中適用,同時在車間運(yùn)輸作業(yè)中是性價比較好的選擇。

本設(shè)計中側(cè)向超聲波傳感器根據(jù)運(yùn)輸小車的尺寸,共安裝4個,兩側(cè)各2個,通過輻射角,可實現(xiàn)全范圍檢測。系統(tǒng)選擇壓電收發(fā)一體的超聲波檢測,設(shè)計中由STM32單片機(jī)控制,發(fā)出工作指令,振蕩器發(fā)出脈沖信號,驅(qū)動超聲波傳感器激勵產(chǎn)生超聲波[7],當(dāng)遇到障礙物時,超聲波會被反射回來,經(jīng)過傳感器的壓電轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過信號處理送到單片機(jī),控制運(yùn)輸車減速或者停車。

4 實驗分析

基于理論探索研究,電路設(shè)計,進(jìn)行了實物裝配并進(jìn)行功能測試,實驗數(shù)據(jù)收集。將測試設(shè)備放置在環(huán)境中,地面輔助線貼好,設(shè)置好目標(biāo)點,選擇起始點,測試自動運(yùn)輸車的前行效果,現(xiàn)場測試圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場測試圖

實驗效果理想,可以看出自動運(yùn)輸車能夠自動循跡行駛,并且通過激光測距傳感器保持直線行駛,同時能夠識別角度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎,車子的循跡行駛直線保持測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 直線保持測試結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述,本文提出了一種多傳感器的車間自動運(yùn)輸作業(yè)的方法,將激光測距傳感器、光電傳感器以及超聲波測距傳感器安裝于作業(yè)車輛上,實現(xiàn)自主循跡行駛,自主避障,報警等功能。自動運(yùn)輸車獲取任務(wù)信息,自主完成運(yùn)輸作業(yè),經(jīng)過實地測試,能夠準(zhǔn)確高效完成運(yùn)輸作業(yè)。由于工業(yè)應(yīng)用場景復(fù)雜,自動運(yùn)輸作業(yè)的小車在不同場景下的應(yīng)用,還需要進(jìn)行探索,繼續(xù)進(jìn)一步的研究,為更多的小中企業(yè)自動化作業(yè)提供參考。