簡易自動倉儲搬運智能小車設計

張友方，王 銳，張 波

(1.解放軍炮兵學院，安徽 合肥 230031)

本文設計的智能小車是一種集實時采集傳感器信號，智能分析外部環境、路徑信息，自動方向控制及速度調節等技術的自動設備。本系統設計的智能小車具有圖形識別能力，能自動識別三角形、圓形、正方形和十字形，并將該立方體搬起，運送到指定地點。而且，要求小車以最快的速度和最高的精度完成以上功能，此外，由于立方體任意放置，搬運順序不限，還要求小車具有最優路徑選擇的能力。

1 智能小車的功能和硬件結構

系統組成原理如圖1所示。主要由單片機模塊、上位機、視頻采集模塊、驅動電機、伺服電機及機械手、尋線模塊、碼盤檢測模塊以及目標跟蹤等模塊構成。采用了基于TWI總線規范的主從機控制方式，以AVR系列單片機 ATMega 128作為控制系統的主模塊，ATMega88作為底層控制模塊，實現系統控制和信號檢測。

系統通過視頻采集模塊把整個場景圖像送到上位機處理，通過對圖像的二值化和Hough變換處理，分辨出幾種立方體的擺放順序，然后通過無線通訊方式發送給小車。小車的主單片機ATMega 128根據接收到的立方體擺放信息，規劃出最優的搬運路徑，然后將規劃后的指令發送給從機，由從機驅動電機行進，控制小車的運動和定位。小車檢測到相應立方體后，由從機控制伺服電機驅動機械手將立方體夾起，送到指定地點，然后將立方體放下，繼續執行下一次搬運動作，直到將所有的立方體都按要求運送到指定的位置。在小車搬運過程中，目標跟蹤模塊使用DSP對上位機采集到的視頻信息進行處理，實時跟蹤小車的行進路線，并由此畫出小車的行進示意圖。

2 關鍵技術和模塊電路

2.1 電機驅動模塊

方案一：采用電機細分驅動，電機細分驅動芯片TA8435可以用兩路PWM信號控制兩個步進電機，能夠節省單片機資源，但致命的缺點是當單片機速度變化較大時，電機很容易失控。

方案二：L298驅動芯片，用L298驅動雖然占用較多的單片機I/O口，但控制比較容易。在速度變化較大時，基本上不會出現電機失控的情況。本設計采用方案二，直流電機驅動電路主要由一個雙橋式驅動芯片L298和7404組成，電路圖如圖2所示。為使其準確調整兩電機的速度，以控制小車行進方向，必須精確控制PWM的占空比。若輸入左電機的PWM占空比大于右電機，則小車右轉；反之，則左轉。

2.2 引導線檢測方案

方案一：可見光發光二極管與光敏二極管組成的發射-接收電路，該方案缺點在于易受外界環境光源的干擾，容易造成誤判，準確度不高。

方案二：反射式紅外發射-接收器，對黑白檢測比較敏感，靈敏度較高，且電路簡單，完全滿足系統要求。

比較兩種方案，選用方案二。

采用紅外檢測單元電路，如圖3所示。反射式紅外發射-接收器檢測到信號后與比較器LM324的參考電壓相比較，當檢測不到黑線時，發射管發出的光經面板反射后被接收管接收，接收管導通，LM324輸出低電平，當檢測到黑線時，發射管發出的紅外光將不被接收管接收，LM324輸出高電平。

2.3 碼盤檢測電路

碼盤測速電路如圖3所示,碼盤見圖4所示，對射式紅外發射-接受器檢測脈沖個數，通過計算脈沖的周期來計算小車的行進速度。

2.4 圖形識別模塊

圖形識別模塊在本設計中起著至關重要的作用，其識別正確與否直接影響到小車搬運的正確與否。本系統場景設置比較單一，圖形邊緣信息較為規則，故采用Hough變換實現圖形識別。

Hough變換是對圖像進行某種形式的坐標變換。它將原始圖像中給定形狀的曲線或直線變換成參數空間的一個點，即原始圖像中給定形狀的曲線和直線的所有的都集中到參數空間的某個點形成峰值點。這樣，就把原始圖像中給定形狀曲線或直線的檢測問題變成尋找參數空間中的峰值點問題。利用Hough變換檢測各種圖形的具體思路如下：

(1)檢測三角形：三角形由 3條邊組成，其對應的參數空間3個中心點的橫坐標分別表示三角形3條邊的法向量與x軸的夾角θ，從而可以計算出3條邊與x軸的夾角，從而可以檢測出三角形。識別前后結果如圖 5(a)、圖 5(b)所示。

(2)檢測圓形：把平面上的圓轉換到參數空間，則圖像空間中過任意一點的圓對應于參數空間中的一個三維錐面，圖像空間中同一圓上的點對應于參數空間中的所有三維錐面必然交于一點，從而可以檢測出圓形。識別前后結果如圖6(a)、圖 6(b)所示。

(3)檢測矩形：矩形的特征是由兩組相互垂直的平行線組成。對于相互平行的直線段，其法向量與x軸夾角θ都相等，因此反映在參數空間中對應的點都位于角度為θ的方向上，這樣通過在參數空間檢測特定角度的點就可以檢測出矩形。識別前后結果如圖7(a)、圖7(b)所示。

(4)檢測十字叉：對十字叉的所有邊緣進行Hough變換后，可以將參數空間的累加值的比例變成為灰度值，這樣就可以繪出參數空間的累加響應值分布圖，由此可以實現對十字叉形狀的識別。識別前后結果如圖8(a)、圖 8(b)所示。

2.5 立方體搬移方案

方案一：采用電磁閥，在立方體的上表面固定一鐵片，給電磁閥通電時即可產生磁力將立方體吸引搬起，斷電即可放下。此方案設計比較簡潔，但電磁閥功率較大，長時間工作發熱現象較嚴重，故不選用此方案。

方案二：采用伺服電機和機械手，通過控制水平和垂直兩個方向的自由度，來完成取放立方體的動作。

對比兩種方案，方案二更節能，且機械結構性能穩定，本設計選用方案二。

2.6 利用動態規劃方法實現小車路徑優化

常用的路徑規劃方法有很多種，例如人工勢場法、遺傳算法等。其中人工勢場容易出現振蕩和陷于局部極小，因此難以得到最優的規劃路徑。遺傳算法具有較好的尋優能力，但實際使用時容易出現早熟收斂現象。

根據題目要求，小車從起始點出發，將4個立方體依次運送到指定地點即可。雖然立方體的擺放順序是任意的，但放置地點固定。因此，一旦識別出立方體的擺放順序，那么立方體到各放置點的距離、小車到各個立方體和放置點的距離均是確定的。根據題意，上述問題可以描述如下：設有n個地點，小車從起始點出發到其他每個地點一次且僅是一次，問如何選擇行走的路線，使小車走過的總路徑最短？顯然這就是運籌學中貨郎擔問題的變形。為此，建立如下數學模型：小車從起始地點1開始，設小車走到地點 i，記 Ni={2,3,…,i-1,i+1,…,n}表示由地點1到地點i的中間地點集合，S表示到達地點i之前中途所經過的地點的集合。因此可選取(i,S)作為描述小車行進過程的狀態變量，決策為由一個地點走到另一個地點，并定義最優值函數fk(i,S)為從地點 1開始經由k個中間地點的S集到地點i的最短路線的距離。由于n較小，因此可以采用動態規劃方法求解，其遞推關系為:

其中 k=1,2,…,n-1；i=2,3,…,n；dji為地點 i到地點 j的距離；邊界條件為 f0(i,φ)=d1i。

由動態規劃的最優性原理可知，一個最優策略的子策略總是最優的，所以從k=1到k=n-1逐個階段求最優策略，最終得到的解即為小車的最優路徑。

3 軟件設計

由于本系統的功能復雜，因此不但硬件電路復雜，同時也需要很強的軟件系統支持。系統采用基于TWI總線規范的主從機控制模式，主機負責檢測信號和處理算法，從機負責驅動底層的硬件電路，主要解決了對CPU資源的競爭問題，大大提高了單片機的工作效率。軟件流程圖如圖9、圖10所示。

圖10 從機軟件流程圖

本文一改往常單個控制模塊的做法，采用基于TWI總線規范的主從機控制模式，將復雜的控制分成底層和上層，底層用來驅動具體的功能電路，上層主要用于檢測信號和處理算法，解決了單個控制模塊I/O口資源不足以及CPU資源的競爭問題，大大提高了單片機的工作效率。另外，采用了基于機器視覺技術的圖形識別方案，大大提高了圖形識別的精度和魯棒性。采用基于動態規劃的路徑規劃技術，提高了小車的路徑規劃效率。采用數字PID控制算法，提高了小車的控制精度。系統反復測試，性能良好，為智能機器人系統設計提供了有力的技術支持。對系統將做進一步研究，智能倉儲搬運系統有著廣泛的市場應用前景。

[1]夏良正，李久賢.數字圖像處理[M].南京:東南大學出版社(第 2 版)，2006.

[2]《運籌學》教材編寫組.運籌學[M].北京:清華大學出版社(第 3 版)，2005.

[3]曲道奎，杜振軍，徐殿國，等.移動機器人路徑規劃方法研究[J].機器人，2008，30(2):97-101.

[4]楊治明，周齊國.基于Hough變換理論的圖形識別[J].中國圖象圖形學，2002，17(11):16-17.

[5]佟長福.AVR單片機GCC程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.