高職院校實訓區域智能運載AGV機器人

李嘉輝，張勁東，劉鵬宇，鄭可建，王二利

（天津職業技術師范大學，天津，300222）

0 引言

我國近年來經濟發展取得新成效，但隨著經濟快速增長以及結構轉型，勞動力市場供應與需求不匹配，嚴重缺少熟練技術人才的問題仍亟待解決。為此各地高職院校紛紛建設公共實訓中心，從人才的培養上解決該問題。但實訓中心每天需要承擔大量的學生實訓工作，實訓工具使用率呈持續增長，每天如何在實訓前及時的、準確的為學生提供實訓工具，實訓結束后快速將工具入庫、統計成了管理人員頭疼的問題。本文研究的高職院校實訓區域智能運載AGV機器人，通過融合相關技術，較好的解決了上述問題，具有十分良好的應用前景。

1 作品功能與特色

(1)路徑規劃—采用分布式體系結構，其各個功能模塊作為相對獨立的單元參與整個體系。主控單元與測控介入處理、姿態控制系統、軌道控制系統、數傳、有效載荷控制等功能子系統相互獨立為智 能體，由總線相連；主控單元為整個系統提供整體規劃，以及協調、管理各子系統的行為。測控介入處理保證地面系統對整個系統任意層面的控制介入能力，可接受上行的使命級任務；自主完成主控單元發送的任務規劃。

(2)無線充電—當AGV運載車的電量使用達到最低預設值時，將自動報警提示并在完成當前任務后自動前往最近的無線充電網點進行有序充電。同時無線充電時通過非接觸式的磁場進行電能傳輸，很大程度上減少了安全隱患的出現，避免了不必要的硬件損耗。

(3)安全運行—車身四周環繞有雷達探測，可以準確規避路徑上突然出現的故障，確保行駛安全。機械手部位裝有限位開關，確保機械臂達到最大工作范圍后能夠及時報警停止，避免損壞；此外超出機械臂最大工作范圍外還設有對射式光纖傳感器以確保在機械臂工作工程中因人員無意間進入機械臂工作范圍而造成傷害事故。

(4)應用廣泛—機械臂法蘭盤部位可以根據所搬運工件種類大小不同裝載不同的抓取工具與滿足用戶更多的需求。

(5)工作環境要求小—AGV運載車以較小的車身體積為優點，可以在較為狹窄的工作區域進行精準作業，能夠適應各種室內器件搬運工作。

2 系統硬件結構設計

硬件系統設計結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

AGV機器人由微處理器控制系統、視覺系統、驅動系統、傳感器系統、語音系統、人機交互系統等部分組成。

微處理器控制系統：采用STM32H750VBT6高性能單片機，H7是ARM系列里ST公司最新研究出的高性能處理器，而且VBT6也是H7系列中性價比較高的產品，它含有了一系列的所有功能，比如Cortex-M7內核，400Mhz的主頻率，還有1MB的SRAM，以及16K指令和緩存數據，單片機還集成了128KB等待得FALSH，而且價格還很合適，非常適合高性能嵌入式進行開發。這次使用H7系列的單片機結合紅外光電檢測技術和超聲波檢測技術,對AGV機器人的運動狀態以及周邊近距離障礙物、盲區等進行實時檢測,確保AGV機器人的安全運行，在本次系統中使用了3個SPIFLASH，其中2個是主控的qspi FLASH，可用來儲存代碼，從而記錄數據，另外一個就是用來與串口屏進行數據交互。

圖2 ZVS電路

視覺系統：采用OpenMv H7 PLUS攝像頭。使用內置Template Matching模板匹配檢測工具的擺放位置，自動生成三維位置坐標，并將工具使用前后的完整程度記錄下來，Sensor是攝像頭中的一個感光模塊，其實主要用于設置光元件的參數，這個模塊在硬件上可以設置為兩種識別方式，一個是彩色，其次就是設置的黑白色。

圖3 兩種基本結構模型

灰度每個像素大約是8bit，而彩色的每個像素是16bit。識別工具時就會隨機拍取一張照片，就會更改一些設置，跳過一些幀等操作，最后等待元件變穩定。采集完工具的圖像之后還會進一步進行模塊匹配，匹配之前首先就是對采集時候的imagine參數引入，通過與STM32H750VBT6單片機USART通信的方式發送給微處理器。匹配的目標首先要用模板，而且模板圖片的大小不能超過OpenMv的flash，如果超過模板的flash的話就要外加SD卡對數據進行保存。引入模板的圖片需要用的是pgm的格式，而且大小也有限制，不能超過的OpenMv的格式大小，本次攝像頭主要用來識別靜態的工具，采用的是NCC算法，這只能匹配與模板圖片和角度基本上一致的圖案，也可以進行多角度的進行匹配，此情況就需要保存多個工具的模板。

無線充電系統：采用磁耦合諧振式無線充電技術，利用電磁波來進行能量的發送與接收。理論上從能量傳輸的角分析，改系統至少需要2個線圈才能進行無線電能傳輸，2個諧振線圈的結構被稱作MCR-WPT的第1種基本拓撲結構。另外在兩個諧振線圈的基礎上又增加了2個感應線圈，使得電源線與發射線之間相互隔離，這個四線圈的結構為MCR-WPT的第2種結構。

本次智能運載AGV機器人無線充電系統主要運用的是兩線圈結構，兩線圈的量傳輸路徑如圖4所示，當電路回路接通時，電源給發射線圈供電，當發射線圈發生諧振的時，發射線圈中電容的電場能與電感線圈的磁場就會不斷地進行能量的交換，而電感線圈中的磁場有一部分傳輸到接收端的電感線圈，再經過交變的磁場轉變為電能，能量最終傳遞到接收端。同理在能量的接收端，接收線圈也會發生諧振，接收線圈中的電容的電場能也有電感線圈中的磁場能也在不斷地進行能量交換，最終將能量傳遞給負載。

圖4 兩線圈能量傳遞

如圖4所示，由基爾霍夫定律可知：

當發射端和接收端發生諧振的時，滿足以下條件：

將（3）式結合基爾霍夫定律可得負載的功率為：

發送端將電力發出，同時接收端在經過轉換后將接收到的電能傳輸給電池。整個系統可以分為兩個部分：電力發送部分和電能接收部分。電力發送部分是將市電經過整流和逆變后轉化為直流電之后在利用全橋逆變電路將直流電轉換為高頻交流電，借助磁耦合諧振原理將所產生的高頻交流電通過磁場發送到接收端，作為接收部分的輸入電壓，之后再通過整流、濾波后，轉換為小車所需的直流供給電池。

路徑規劃系統：以ti的tms320vc5416為中央處理器,配合以視頻解碼芯片和大容量存儲器,完成圖像的采集、處理和存儲。主程序運行在dsp中,完成圖像預處、模式識別等圖像處理算法，自動識別地面路徑，生成軌跡點并記錄路面已存在的障礙物，待確定后,應用遺傳算法進行路徑規劃。重新給定移動機械手的初始位姿及機械手末端的目標位姿,在移動機械手各廣義坐標的工作范圍內尋找一條無碰撞路徑。也可以通過手動的方式確定機械手起始點坐標和目標點坐標，以及小車運行的軌跡點與距離，再自動計算生成可執行路徑。

圖5 系統機械結構圖

聲光報警指示電路：報警指示電路在自動控制系統中起著至關重要的作用，因此，任何一個完整的控制系統都會配合一套相應的報警指示電路。所以，結合自動控制系統的完整性和安全性，為控制系統設計了一套聲光報警指示電路，聲光報警指示電路由蜂鳴器和紅、綠兩種顏色的發光二極管構成。其主要的作用是在系統正常運行或者出現故障急停等狀態時發出聲和光的警示作用。給予工作人員提供聽覺上和視覺上的提示，便于用戶更好的掌握當前系統的運行狀態。當系統處于正常運行狀態時，主控單片機輸出信號控制綠色發光二極管常亮進行提示，當系統出現故障或者急停時，主控單片機輸出信號控制紅色發光二極管常亮以及蜂鳴器發出報警聲音進行提示。聲光報警指示電路外圍電路體積小，操作簡單等特點。聲光報警指示電路原理圖如圖6所示。

圖6 聲光報警指示電路

3 系統軟件設計

軟件系統設計流程圖如圖7所示。

圖7 小車運輸系統軟件流程圖

小車運輸系統執行功能主要由小車運輸路徑獲取、軌跡運動行為規劃、起始位置姿態確認、路障規避、搬運物投放等組成。

當小車開始運行時，首先需要進行運輸路徑獲取，可以選擇由用戶手動輸入移動軌跡坐標點和初始化姿態坐標；也可以通過地圖導入或者實際路況采集記錄等方式進行小車運輸路徑輸入。之后系統將通過輸入的路徑進行運算規劃，自動生成運動軌跡并進行模擬運行測試，當生成的運動軌跡執行遇到困難或是外部因素所造成的執行阻礙時系統將重新進行軌跡規劃，選擇最適合的移動路徑軌跡，直到能夠最佳執行為止。運動路徑軌跡生成后系統將生成新的指令傳遞給小車控制端，矯準小車與機械手位置，控制驅動電機動作消除偏差，確認目標位置，進行識別搬用。過程中實時監控外界環境，規避外來障礙或是報警提示，必要時緊急停止，以確保安全行駛。

整個搬運過程可視化，用戶可以在終端設備上進行實時監控、預測，以達到高效、可控、安全性高等特點。

4 分析與結論

在這科技飛速發展的時代，一體化控制技術不斷更新，基于四軸機器人的物流分揀系統可以隨著一體化技術的更新，而進一步優化系統功能。本系統的設計打破了傳統的人工手動分揀運送方式，系統能夠持續的、長時間的進行自動分揀搬運工作，既有效的解決了傳統的物流分揀工作中的難題。又體現了生產自動化技術的應用。不僅將小車與機械手完美結合在一起，實現自動搬運控制；同時又融入了軌道規劃，自動識別等技術，使系統能夠更加安全、精準的進行搬運工作。對應不同的物品或工具選用適合的搬用手爪可以實現多種多樣的物品運輸，以滿足與不同的工作場合。如實訓工具的自動拾取與搬用以及精準投放。整個系統以靈巧便捷著稱，可以滿足與各種狹窄的工作路徑與范圍，具有廣泛的應領域以及推廣空間。