基于嵌入式路徑規劃的智能運輸機器人*

林鈺濱，陳浩杰，肖建勇，吳志安，李德榮

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

在科技高速發展、智能化水平越來越高的現狀下，零件加工生產車間從傳統的物料運輸模式逐漸向智能化運輸模式轉變成為了一種趨勢。零件加工生產車間的物料配送是整個產品生產中至關重要。加工產品能否被高效和精準地運輸到對應的工位上是整個加工過程順利進行的前提，而要實現整個加工過程順利進行就需要對零件加工車間物料運輸進行智能化[1]。

目前，零件加工生產車間運輸主要采用手動推車運輸和半自動化運輸器械。張玉等[2]通過使用不同類型的手推車，來實現不同零件的運輸。寧金新[3]在加工車間利用人工駕駛叉車進行工件運輸。郝力文等[4]采用PLC編程控制有軌運輸小車，來實現物料的輸送。上述研究提供了產品生產加工運輸的不同方式，這些運輸方式都可以完成物料運輸，但是存在物料輸送效率低、人工成本高、安全性問題和智能化程度低，而其他運輸設備也存在一定的限制和缺陷。設計開發基于人工智能運輸機器人可以有效地解決上述存在的問題，并且還可以提高零件加工生產車間的生產效率和生產力。

本文基于嵌入式，路線規劃等技術開發設計了一款應用于零件加工生產車間運輸智能運輸機器人。智能運輸機器人是一種自動化運輸設備，具有智能化程度高，能適應復雜的環境，可以提高物料的運輸效率，從而提高加工產品的生產效率[5]。對此，零件加工生產車間采用智能運輸機器人運輸物料不僅可以減輕人為的勞動力以及減少人工成本的費用，而且能夠有效的提高加工產品的運輸效率和速度，從而提高零件加工生產產品車間的生產效率和生產力。這也符合“中國制造2025”的制造智能化的發展要求。

1 運輸機器人的總體方案

1.1 結構設計

（1）視覺識別結構

前端攝像頭通過亞克力板和3D打印件壓緊的方式，再與音響連接一起，整部分安裝在機器人第二層的最前端。攝像頭的任務是對物料的二維碼和交通信號燈的變換進行識別并進一步做出判斷，而攝像頭的穩定性是需要考慮的重要因素，在保證可實現功能的前提下通過降低自由度來穩定攝像頭是一個可行的辦法，因此攝像頭只需固定在具有一定傾角的3D打印件上，在不影響機器人穩定性的前提下可進行小幅度的上下角度調整，更便于識別交通信號燈。

（2）避障定位結構

為保證機器人避障定位的準確性，必須排除障礙物顏色與環境燈光對機器人避障的影響，此系統采用了超聲波進行避障。為避免障礙物高度的影響，將超聲波模塊安裝在適合的高度，即第二層板上。為保證超聲波的全方位識別，在機器人的前端兩側和機器人的左邊安裝3個超聲波模塊可實現全方位避障。在排除對超聲波定位有影響的因素后，可再配合其它系統進行布局的合理安排。

（3）物料儲存結構

物料存放裝置內部尺寸的設計為70 mm×70 mm×70 mm的尺寸。選用舵機搭載在物料倉旁邊的固定架上以及搭配了紅外感應來控制倉門的開啟，以剪刀式的開關門形式來對物料存放倉門的開啟及關閉進行控制，不會干涉到機器人的其它工作，以達到精準裝卸的效果，并且更有效地利用空間使結構更加緊湊。在貨倉里裝有壓力傳感器，當放進物料時壓力傳感器進行工作，把物料的重量測出并顯示在顯示器上。

（4）語音結構

在第二層板上搭載一座音響，設置好提醒的語音及工作時間，在工作人員裝卸物料環節后，機器人發出語音提醒，工作人員再根據機器人指令經行相關操作。

（5）行走結構

在近似長方形底盤上攜帶4個電機和4個橡膠輪胎。4個電機及驅動輪子整體左右對稱分布在底盤，通過分別控制4個直流減速電機的轉速，能實現各種角度的轉向以及前后直線運動，可完成復雜的路線。行進過程中小車機動性強，距離控制的精準度高，行走過程平穩，便于控制，在模擬場地內能夠自主規劃路線前提下，實現小范圍位移來進行精準避障，其他系統裝載在第二層，和行走系統獨立分布，達到行走系統與其他系統互不影響的效果。如圖1所示。

圖1 運輸機器人實物

1.2 工作原理

智能運輸機器人采用四輪驅動，由以STM32F407 ZGT6為核心的主控制板分別輸出PWM信號控制直流減速電機轉動[6]。機器人通過超聲波模塊進行精準避障和攝像頭識別交通燈狀態，行進的區域是結合真實現場環境，設置出發區、收貨點、障礙物、交通道路、交通燈等待區及紅色停止線的模擬場地。

2 運輸機器人硬件電路設計

2.1 MPU6050六軸控制器

系統主要是通過采集傾角來控制機器人前進的方向。MPU6050芯片集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計和數字運動處理器DMP[7]。MPU6050芯片將測得機器人的傾角，通過AD轉換，把測得的模擬信號轉化為數字信號，然后通過IIC通訊把數字信號傳輸給主控制器[8-9]。

2.2 超聲波模塊

機器人避障功能實現采用HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊通過時差法測量聲速[10]，得到機器人與障礙物的距離，測量的精度可以達到3 mm，可實現精準避障。

基本工作原理：主控制器向控制端引腳發送一個高電平脈沖信號，控制端自動發送聲波。聲波遇到障礙后，會反射回到接收端，接收端一檢測到有信號返回，就輸出一個高電平脈沖[11]。高電平脈沖的時間是聲波信號發射到障礙物，再由障礙物反射回來的時間，通過計算公式（高電平脈沖時間×波速）/2，得到離障礙物的距離。

2.3 稱重傳感器模塊

稱重傳感器是把物料的重量信號轉變成電平信號的轉換設備。物料的重量測量采用HX711稱重傳感器模塊，該模塊的HX711芯片是一款具有高精度測量的24位A/D轉換器芯片。該芯片具有電路集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。

基本工作原理：當物料放在稱重傳感器上，經過HX711芯片收集物料重量的信號并進行處理及AD轉換。HX711芯片與主控制器的通訊只需要兩個引腳，時鐘引腳PD_SCK和數據引腳DOUT。時鐘引腳PD_SCK是用來選擇輸入增益和通道，數據引腳DOUT是用來輸出數據[12]。

2.4 電機驅動模塊電路

機器人采用4個直流減速電機驅動機器人的前進后退及轉彎，輪子呈對稱分布，使結構簡單合理，受力均勻，該結構讓機器人在運輸過程中十分穩定，便于機器人的前后移動和轉彎。直流減速電機驅動控制選用L298N電機驅動模塊，該模塊采用雙H橋驅動芯片L298N，具有驅動能力強，能夠同時驅動兩個直流減速電機，其驅動電流大、抗干擾能力強、發熱量低、穩定性好[13-15]。如圖2所示。

圖2 L298N電機驅動模塊

2.5 穩壓電路

穩壓電路的作用是使電源電路的輸出電壓穩定，使各模塊能更好的正常工作。機器人采用可充電8 A12 V鋰電池供電，如圖3所示，12 V電源經過AS1015芯片轉化為5 V電壓。如圖4所示，5 V電壓經過AMS117芯片轉化為3.3 V電壓。5 V和3.3 V電壓作為電源為機器人系統各個模塊供電，確保各模塊能得到充分的供電并且還有穩定性好，性能性高，安全性好等優點。

圖3 12 V轉5 V電路

圖4 5 V轉3.3 V電路

3 運輸機器人系統軟件設計

系統軟件程序的設計是在編程軟件KeilμVision上編寫的，是智能運輸機器人控制系統設計的核心，系統程序設計分為8個子任務：第1個任務是自主規劃路線，這任務貫穿整個運輸流程且是整個運輸流程中最關鍵的一步；第2個任務是用稱重傳感器模塊測量出物料的重量；第3個任務是把稱重傳感器模塊測得的重量顯示在顯示屏上；第4個任務是識別二維碼，運貨時，正確識別物料二維碼，自動打開相應的物料倉門，取貨時與運貨時一樣；第5個任務是避障，做到精準避障，避免物品損壞，而且提高在運輸過程中的安全性；第6個任務是識別交通燈，這是由樹莓派與攝像頭互相配合完成的；第7個任務是語言播報，根據樹莓派所給的控制信號，通過喇叭來播報；第8個任務是控制電機轉速，通過控制電機同速或差速，來實現機器人前后移動和轉彎。

4 機器人的系統集成及測試

4.1 控制系統總流程

系統上電，運行程序，經行初始化。初始化完成后經行命令等待，由攝像頭識別二維碼，將識別的信息送到樹莓派，樹莓派控制語音播報。主控制板控制倉門以剪刀式的打開，接著放進物料，稱重傳感器把測量得到的數據，通過引腳與主控制器進行通信，樹莓派在控制音響把測得的物料重量進行語音播報，并且在顯示屏顯示出來。之后主控制板控制倉門做出關門動作和控制電機轉動行駛到指定的目的地。在行駛過程中，超聲波模塊將判斷障礙物的距離并把相關的信息發送給主控制板，控制電機轉動使機器人精準躲避障礙物。攝像頭將識別交通燈的信息發送給樹莓派，并在相應的區域等待交通燈。到達指定的收貨區域后，進行語音播報，提示出示取貨碼，識別取貨碼，若取貨碼正確則控制相應的倉門打開，取出物料。最后通過主控制板控制電機自主規劃路線回到起始區域。如圖5所示。

圖5 運輸機器人運輸流程

4.2 機器人的測試

系統功能測試如下：（1）檢查系統軟件和硬件是否連接準確；（2）檢查稱重的重量是否能語音讀出來和顯示在顯示器上；（3）檢查是否實現前進，后退及轉彎；（4）檢查是否能自主規劃路線；（5）檢查是否能精準避開障礙物；（6）檢查識別交通燈是否正確；（7）檢查是否能識別二維碼；（8）檢查是否發出正確語音播報；（9）檢查是否正確打開相應的倉門。

把機器人的每部分零件拼裝成整體好后，放進模擬場地里測試。在測試過程中，機器人可以把稱重傳感器測量得到的重量，通過音響播報出來，而且還能在顯示器上顯示出準確的重量數字，準確地發出相應的語音提示和自動開啟相應的倉門，能自主規劃路線，精準避開障礙物，能夠正確識別二維碼以及交通燈。當到達固定的取貨區域時，隨后發出對應的語音提示，提醒工作人員出示取貨碼，識別取貨碼后，取出物料后并自主規劃路線返回起始區域。

5 結束語

本文以零件加工生產車間運輸環境為研究對象，針對現有零件加工生產車間采用手動推車運輸和半自動化運輸器械等人工成本較高、運輸效率低下、費時耗力等不足和缺點，設計了基于嵌入式的零件加工生產車間智能運輸機器人，使用自動化和智能化的操作，有效解決了手動推車運輸和半自動化運輸器械等勞動強度高、生產成本高、消耗時間長、運輸效率低等問題，并從結構、控制、性能、經濟性、實用性等方面論證了智能運輸機器人的可行性。本文設計開發的智能運輸機器人具備較高的運輸效率，實現了人工智能技術與零件加工生產車間的有效集成，可以有效提高零件加工生產車間的生產效率。