基于工程訓練競賽的智能物流車系統(tǒng)設計

李沛遠 張犇 陳德欣 趙春鋒

摘? 要 以第六屆全國大學生工程訓練綜合能力智能物流車組別的競賽命題為背景，設計開發(fā)符合競賽要求的智能物流車。通過機械手和物流車底盤機械設計、執(zhí)行機構控制電路設計、AGV導航算法規(guī)劃程序設計等，設計的智能物流車具有自主移動、定位、二維碼讀取抓取任務順序、顏色識別、物料抓取與搬運、路徑規(guī)劃等功能。經過競賽實踐，取得不錯的成績，提供了一種有效的智能物流車設計方案。

關鍵詞 工程訓練;綜合能力競賽;智能物流車;二維碼;機械手

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）14-0025-03

1 引言

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，競賽過程包括理論設計、實際制作、整車調試、現場比賽等環(huán)節(jié)，要求學生組成團隊、協同工作，初步體會一個工程性的研究開發(fā)項目從設計到實現的全過程。本文以第六屆全國大學生工程訓練綜合能力智能物流車組別的競賽命題為背景，通過機械手和物流車底盤機械、執(zhí)行機構控制電路、AGV導航算法規(guī)劃程序等設計，開發(fā)符合競賽要求的智能物流車。

比賽場地三維示意如圖1所示，結合企業(yè)的現場環(huán)境，設置原料區(qū)、加工區(qū)和成品區(qū)。初賽時，以擋板將場地一分為二，給定原料區(qū)、加工區(qū)和成品區(qū)的具體位置，物流車只能在擋板所圍區(qū)域內活動。決賽時，場地中的擋板去掉，兩個參賽物流車在場地整個區(qū)域內活動，原料區(qū)、加工區(qū)、成品區(qū)的位置可以在整個場地范圍內設置。物料有三種顏色，分別是紅、綠、藍，三種不同顏色隨機放置在物料區(qū)。任務編碼被設置為1、2、3三個數字的組合，如123、321等，采用二維碼圖片展示。其中，1表示紅色，2表示綠色，3表示藍色，數字組合表明物料搬運過程中不同顏色物料的搬運順序。加工區(qū)和成品區(qū)均由三種顏色的同心圓和十字線構成，物料需要準確搬運到加工區(qū)或成品區(qū)對應的顏色區(qū)域內。

2 系統(tǒng)組成方案

智能物流車的整個系統(tǒng)分為機械結構、控制電路系統(tǒng)、AGV導航算法程序等三部分。系統(tǒng)結構組成示意圖如圖2所示。單片機控制器是整個智能物流車的控制核心，負責各傳感器數據獲取以及人機接口設置與顯示，同時控制機械臂的抓取與放置操作，最重要的是根據場地黑色方格線進行路徑導航與行走控制。

物流車行走機構方案? 物流車在場地行走過程中需要進行機械臂抓取和放置操作。比賽中，抓取和放置位于物流車的兩個側面，也就是機械臂的操作半徑要大于180°。此時，物流車底盤不需要旋轉90°，也就是說，在整個物料抓取和放置過程中，物流車始終保持一個方向即可。若機械臂操作旋轉半徑小于180°，則小車需要旋轉90°，實現抓取、行走和放置操作。而且場地循跡為黑色方格線，因此，物流車不適合做成兩輪差速結構和普通的舵機轉向控制的兩驅車模結構。根據場地特點和運行要求，采用四全向輪結構或四麥克納姆輪結構的物流車底盤（如圖3、圖4所示），車輪部分或全部采用螺旋彈簧安裝在車架下面，當車輪發(fā)生跳動時，其他車輪不受影響，可有效防止輪胎防滑。對于新購得的輪胎橡膠，表皮應用砂紙摩擦以增加表面粗糙度，進行防滑處理。

機械手設計方案? 機械手采用關節(jié)坐標型機械臂，示意圖如圖5所示，可有3～4個關節(jié)動作和一個手抓動作，均使用舵機進行控制。機械手整機分為臂座、大臂、小臂和手抓，以保證到達工作空間的任意位置，手抓以實現末端操作的任意空間姿態(tài)。臂部的運動使得臂座的結構和受力較復雜，臂座采用大滾動軸承固定于物流車底盤，示意圖如圖6所示。本設計中，為滿足機械臂大于180°轉動范圍，臂座回轉運動采用270°20 kg舵機控制。關節(jié)坐標結構簡單，采用鋁合金和亞克力板制作，密度小、重量輕，能夠滿足整個機械手的回轉的靈活性和定位的準確性。肘關節(jié)和手抓主要考慮通用性與互換性，由于決賽時抓取物料形狀有改變，手抓結構要在短時間內重新設計以達到快速適應新物料的需要。

3 物料顏色與任務二維碼識別

智能物流搬運車首先采集搬運任務編碼，初賽時為尺寸80 mm×80 mm的二維碼，決賽時通過Wi-Fi網絡通信獲?。ㄈ蝿站幋a均通過現場抽簽確定）。同時，需要采集賽場上原料區(qū)物料顏色，確定需要搬運的物料位置和搬運順序。加工區(qū)和成品區(qū)均由不同顏色的同心圓和十字線構成，每組同心圓和十字線為同一種顏色，加工區(qū)和成品區(qū)的同心圓顏色需要智能物流車自行甄別。

整個過程中，需要對原料區(qū)物料、加工區(qū)和成品區(qū)的同心圓進行顏色識別。電磁類傳感不可取，灰度攝像頭可作物體形狀判斷，但不能識別物體顏色。因此，選用彩色攝像頭進行顏色識別，方便二次開發(fā)的平臺有可安裝彩色鏡頭的嵌入式模塊OpenMV（圖7）、彩色USB攝像頭結合樹莓派核心板。而開源視覺傳感器pixy2基于色度的顏色濾波算法（hue-based color filtering algorithm）來檢測物體，但是不開放二次開發(fā)環(huán)境，對于本競賽場合不適合。TCS3200、TCS34725顏色感應芯片采用多個顏色感應光電二極管組成，感應距離在1 cm以內，且易受環(huán)境光線干擾，因此對此競賽中物料與放置靶紙同心圓顏色識別效果不佳。

OpenMV采用STM32H7處理器，主頻400 MHz，是一個開源、低成本、功能強大的機器視覺模塊。采用Python語言對OpenMV進行二次開發(fā)，達到機器視覺功能，以此來實現檢測、產品篩選、跟蹤固定標記物等。對二維碼識別除了可以使用二維碼識別模塊（圖8）外，也可使用OpenMV進行二維碼識別。

OpenMV中，顏色識別時采用尋找色塊函數image.find_

blobs（），該返回一個包含多個blob對象的列表blobs，每個blobs對象包含一個色塊的信息，再通過查找顏色代碼與顏色做比較，獲得物料顏色和同心圓顏色。使用img.find_

qrcodes（）函數對采集圖像進行二維碼識別，查找ROI（region

of interest）內的所有二維碼并返回一個image.qrcode對象的列表。為使二維碼一次識別成功，若二維碼圖像存在畸變，可以更換為無畸變鏡頭消除畸變，或使用sensor.set_

windowing函數在鏡頭中心放大，使用image.lens_corr函數消除鏡頭的桶形畸變等。使用code.payload（）返回二維碼字符串，并將二維碼數據發(fā)送至主控單片機。

4 物流車AGV導航算法

智能物流車的整個活動區(qū)域場地地面為淺黃色亞光人造板或合成革鋪就而成，上面有間隔為300 mm的黑色方格線，經線為線寬20 mm的單線，緯線線寬為15 mm+10 mm（間隔）+15 mm的雙線（如圖1所示），用于機器人行走的地面坐標位置判斷。智能物流機器人從出發(fā)區(qū)移動到二維碼顯示板前讀取二維碼，然后判別原料區(qū)物料的顏色順序;再移動到原料區(qū)，按任務碼順序依次將物料準確搬運到加工區(qū)對應的顏色區(qū)域內（一次只能搬運一個物料到加工區(qū)，不允許將物料存放在機器人上）。將物料搬運至加工區(qū)后，第二次識別二維碼任務碼，再按照任務碼順序再次將物料從加工區(qū)依次搬運到成品區(qū)對應顏色的位置上。完成任務后，物流機器人返回出發(fā)區(qū)。

智能物流機器人執(zhí)行任務過程中需要到達指定的地點執(zhí)行掃碼、顏色識別、抓取、放置等不同任務。這些地點也就是智能物流車相對于出發(fā)區(qū)的全局坐標Pi（xi，yi），存儲于主控單片機程序中。在物流機器人底盤上安裝橫向和縱向的灰度傳感器（如圖9所示），獲得物流機器人行走的方向和位置判斷。同時，在小車底盤安裝橫向和縱向測距傳感器，實時測量物流車相對于活動區(qū)域外圍擋板距離，對黑色循跡結果進行修正?；叶葌鞲泻蜏y距修正在實際比賽中獲得較好的效果。

5 結語

本文以第六屆全國大學生工程訓練綜合能力智能物流車組別的競賽命題為背景，通過機械手和物流車底盤機械設計、執(zhí)行機構控制電路設計、AGV導航算法規(guī)劃程序設計等，設計的智能物流車具有自主移動定位、識別二維碼任務順序、物料顏色識別、機械手抓取與搬運、路徑規(guī)劃等功能。本文所述的整體方案，經過競賽實踐驗證，取得較好的成績，為一套合理完整的硬件選擇方案。■

參考文獻

[1]關于發(fā)布第六屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽命題的通知[DB/OL].[2018-07-13].http：//www.gcxl.edu.cn/info/1049/1541.htm.

[2]崔辰鵬，金鈺飛，錢曉明，等.AGV視覺導向Hough變換算法的FPGA硬件實現[J].工業(yè)控制計算機，2010（6）：41-42.

[3]朱春偉，劉倫乾，甘海云，等.基于AGV的工藝裝備集成開發(fā)與研究[J].內燃機與配件，2018（6），13-14.

[4]劉偉，彭琛.基于超聲波測距的智能小車研究[J].自動化應用，2016（11）：19-21.