基于嵌入式ＡＲＭ結構的倉儲物流機器人控制算法設計

李成　王錦石　曹顯瑩等

關鍵詞：嵌入式ARM系統；倉儲物流機器人；控制算法；空間定位

中圖法分類號：TP242 文獻標識碼：A

1引言

搬運、包裝等物流倉儲生產線的自動化與智能化應用日益增加，智能機器人也已經應用到餐飲、制造、機械、物流等多個行業，可順應現今的物流產業立體化空間理念。實現機器人路徑規劃、合理避障等功能，并通過嵌入式ARM系統實時計算最優解，改善模塊運行性能，充分遵循可擴展性、移植性等原則，是現階段智能機器人的重要發展方向。

2嵌入式ARM結構的微處理器結構設計

ARM結構是一個擁有較高性能的微處理器架構，具有16位與32位指令采集能力，且具有較高的拓展性，可同時進行多任務處理，具有較小的體積與功耗，適用于當前階段下的物流倉儲機器人控制中樞，以滿足智能機器人在自動化、功能化等方面的需求。嵌入式ARM結構較為先進，可在內部處理器中設置嵌入式系統結構，具有較高的集成度，但并不增加其功耗，同時可通過定向開發模式，將各項程序寫入處理器，確保系統運行的穩定性。控制系統可通過電路板將各個功能模塊與FS和GUI等接口連接，并通過32位的微處理器降低功耗，提高系統的響應能力，實現系統多任務同步處理，多功能異步輔助，且無需TTL轉換即可實現對各個引腳的控制。

嵌入式ARM通信定位模塊可通過普通鋰電池進行供電，并與SPI接口相連，按照所設定的參數處理工作任務，具有較強的實時性，可直接對外部事件做出響應。其系統內資源占用率較低，可節省倉儲物流存儲成本，且具有較強的自適應能力，從而進一步提高系統的穩定性與可靠性。

3系統硬件設計

3.1系統工作原理

倉儲物流機器人控制系統的硬件平臺設計極為重要，作為用戶控制的執行者，服務機器人的各種功能都需要通過硬件實現，同時硬件平臺也可為各類軟件的運行提供基礎條件，應用標準化接口，以確保資源的互換性與擴展性。機器人控制系統包括主控制系統與軌跡示教系統，主要實現機器人運動軌跡再現等功能，主控制器可通過示教模式引導機器人到達相應地點，記錄好該點坐標后可存儲到服務器內，為后續其他使用提供參考，同時可根據服務器內記錄的點位信息進行路徑規劃，再通過發送脈沖等方式對伺服電機進行同步控制，如實現機器人的導航、啟動、停止、運行控制、路徑規劃、監控、通信等功能，為此需要配備主控元件、驅動程序、通信模塊、語音識別模塊、液晶觸摸屏、電源管理等多個單元模塊與處理器相互連接，采集機器人各方面的反饋信息，如速度反饋、轉向反饋、方向信號等，以確保機器人實現各項功能。

3.2硬件結構

嵌入式ARM控制系統的硬件可采用三星S3C2410處理器作為CPU，在嵌入式系統C/OS Ⅱ的幫助下，實現對機器人的控制。該處理器應用了ARM920內核，內部時鐘可達到200 MHz，可滿足機器人控制中的各項復雜算法，從而提升系統運行精準度。同時，該處理器還內置了110多個I/O口與24個外部中斷源，其中包括USB接口、DMA接口、UART控制接口等，既可簡化外部的連接電路，又可通過200MHz的內部時鐘確保機器人具備高性能指令采集與C語言運算能力，賦予機器人在工作中的實時性。

ARM處理器還具備RS串口，可與傳感器、伺服器等模塊相互連接，這種RS串口也可確保系統的實時性，并通過DSP傳感器模塊，同時進行4路服務器連接的控制任務。讓傳感器模塊連接24路超聲傳感器及紅外傳感器，其中伺服電機可選用松下NINASA5的伺服電機，額定轉速為3000 r/min，額定輸出功率為750 W，最大轉數為4500r/min，最大輸出轉矩為7.2 N。在具體應用中既可以降低機器人的功耗及成本，又可以全面收集機器人的各項運行信息，注重操作的實時性，避免出現較高的操作延遲。此外，還包括LCD觸摸屏及語音交互接口等，屏幕可選用普通液晶觸摸屏，語音識別可采用16位結構的高集成微型控制器，內部設有16*16語音算法，CPU時鐘可達到49 MHz，能夠實現實時語音處理工作，為機器人控制系統提供較高的便利性。

4系統軟件設計

4.1軟件模塊化設計

硬件平臺搭設后，為實現機器人的各項功能，就需要進行系統軟件的設計。控制系統軟件可通過開放式形式進行設計，并遵循軟件結構化、驅動標準化等原則，應根據機器人所需的各項功能，針對性調整各個模塊結構，確保各個模塊之間相互通信，滿足系統的實時性需求。如可通過Linux操作系統搭載Qt界面，通過其支持多線程、多任務操作等特性，讓各個軟件功能模塊之間建立通信，實現多任務協同處理，該操作系統結構較為簡單，容易移植，且系統具有公開化源代碼，便于實現各個功能任務間的邏輯關系。

倉儲物流機器人的控制系統軟件應分為主控制模塊與示教模塊，其中主控制系統應包括初始化模塊、通信模塊、軌跡顯示模塊、位置速度生成模塊、脈沖頻率生成模塊、故障報警模塊等，而示教軟件則應包括通信模塊、點動模塊、四軸聯動模塊、故障監控模塊等，再通過通信端口相互連接，用戶在發出指令任務后，可通過嵌入式操作系統向軟件層發送任務數據，軟件層接收后就可實現各項功能。

4.2空間直線插補

倉儲物流機器人控制系統建立后，機器人就會按照軌跡插補算法，再現示教軌跡。為確保機器人定位精度，降低對后續各項工作的影響，提升工作效率與準確性，就應確保這種插補算法的精準性。插補是在機器人運動路徑的起點與終點中插入定位點，并將整體運動軌跡切斷為小路段點，再采用一定的插值算法，對每一段軌跡的路徑進行擬合排列，以提升機器人的運動精準度，降低復雜空間下機器人運動出錯的概率。而在嵌入式ARM控制中，可采用空間直線插補的方式，在已知的機器人運動軌跡中，獲取到插補點位的位置信息，如在包裝及搬運等過程中，為機器人規劃出行程軌跡，確保機器人在運動中提前規避路徑上的障礙，避免碰撞到流水線及其他物品，以確保機器人能夠正常工作。

這種空間直線插補算法可提前獲取機器人的工作環境，如獲取工作路徑上所需要規避的點位及障礙物信息，提前進行標點，再根據固定的機器人步長或固定時間間隔，在規劃的路徑中插入坐標點，再根據機器人本體的運動方式進行規劃，轉換所插入的各個坐標點，得到空間關節角度值，并將得到的關節角通過伺服控制器進行規劃，傳輸到機器人的控制系統中，最后讓機器人按照規劃的路徑進行移動。而示教系統則可以根據新的障礙物信息，獲取服務器傳遞的點位信息并進行模擬學習，以不斷提升機器人的移動精準度，降低出錯概率，從而讓機器人在移動中學會規避不同路徑下的障礙，以確保機器人正常運作[3]。

5倉儲物流機器人控制算法設計

5.1空間定位與行程軌跡控制

倉儲物流機器人的控制程序是進一步提升機器人在工作中的流暢性，降低誤操作概率的控制算法，應確保機器人可以躲避障礙物，以及機器人能夠按照指定路徑前進，并精準地完成搬運貨物、舉起貨物、分揀、裝載等動作。為此，在嵌入式ARM系統中，首先應選用交流伺服電機及RS485通信總線，提升系統的靈活性及拓展性，考慮到倉儲物流機器人的橫向運動及縱向升降運動等都需要三維工作臺的幫助，為此應將系統與工作臺相連接，并進行嵌入式結構匹配。

嵌入式ARM結構可內置通信模塊及陀螺儀模塊，用來獲取機器人的前進速度、方向、加速度等空間信息，以實現機器人的空間定位。再通過通信模塊等，將空間定位信息發送到后臺控制中心，保持通信聯系，同時ARM處理器還應對當前機器人的位置進行實時處理，若發現機器人運動軌跡偏離了既定軌跡，或判斷路徑存在障礙物，則微處理器就會發動警報，采用緊急制動或路徑更新等方式，計算出最佳行進路徑并進行路徑調整，改變傳統中靜態路徑規劃的方式，減小運動誤差，確保機器人每一段路徑偏差達到最小化。

5.2空間位姿控制調整

倉儲物流機器人在運行中還可通過NFC通信模塊并結合ARM嵌入式微處理器，對數據訂單進行采集，并將其進行拆分處理，可按照機器人攜帶的貨物編碼等，將信息傳遞給伺服控制器，系統服務器發送出報文信息，指揮機器人去往最近的物流貨架。而NFC模塊可用于接收調度信息，并通過微處理器控制機器人前往目標，以及貨物存放與制定貨位。在此過程中，機器人需要完成各項理貨動作，該階段可通過自動化機械臂取代傳統的人工操作，如應用日本安川電機YASKAWA硬件與發那科FANUC及德國的庫卡等算法相結合的機械臂，完成機器人的上貨、分揀、碼垛等智能動作，現階段下機器人的機械臂還配備真空吸盤，用于抓取包裹并進行掃描，后臺會將識別到的信息與貨柜進行匹配計算，機器人則直接將包裹放進對應的貨柜中，全程沒有停頓，該系統每小時可分揀700～1000件包裹，大幅度提升了倉儲物流工作的智能性，解放了大量勞動力。同時，該系統還可通過重力檢測來判斷貨柜是否裝滿，減少裝袋與運動規劃時間，提高分揀效率。

6倉儲物流機器人控制算法驗證

6.1測試環境

倉儲物流機器人的算法驗證用來檢驗ARM處理器控制下機器人的可靠性，以及路徑規劃的避障能力、空間位姿狀態的控制效果等。測試可選用ARM11開發平臺，所測試的機器人內置LBlink通信模塊，可匹配交流伺服電機，后臺則可通過相關監控平臺，隨時觀察倉儲機器人的工作狀態，從而評估測試結果。測試中倉儲物流機器人可通過C60平臺進行構建，并采用軸向6個控制器，自動診斷運動狀態、空間坐標系等，如初始編碼位置在54 157軸向的機器人可將傳動比與脈沖數設置為106與13 1072，初始編碼位置在125 484軸向的機器人可將傳動比與脈沖數設為54.35及131072，機器人初始位置狀態的設定也決定了后續檢測中檢測結果的可靠性，以確保機器人擁有較為精準的定位能力，模擬出真實作業環境，并通過驅動算法進行實時在線糾偏，測試系統的容錯能力，進而提高對各類運動參數的預估精度，獲取更高的控制精度。

6.2軌跡規劃與障礙躲避檢測

倉儲物流機器人的行動軌跡可被限制在100*85m的矩形場地中，區域范圍內包括46組立體貨架。將機器人的初始點位設為A點，測試機器人從A點出發，前往B，C，D貨柜，同時路徑上還會有其他正在工作的機器人，用于軌跡規劃與障礙躲避檢測，該方式可直接體現出機器人在路徑規劃、碰撞規避等方面的能力。內置了嵌入式ARM控制系統的倉儲物流機器人應具備根據實施路況信息規劃路徑的能力，選擇動態化最優路徑，并能夠順利躲避路徑上的障礙物，到達目的地。

在實踐測試中，根據機器人的初始位置，系統已經判斷出最優路徑，通過對比發現，嵌入式ARM微處理器機器人可以成功躲避障礙物，還可根據當前實時位置信息，及時規劃最優路徑，該路徑與系統判斷的最優路徑相重合，而采用傳統遺傳算法的機器人雖能夠躲避障礙物，但卻難以利用通信模塊做好最優路徑規劃，在工作效率上遠不如嵌入式ARM機器人，因此搭載了嵌入式ARM微處理器的機器人可進一步提升倉儲物流工作效率及智能性。

6.3空間位姿控制偏差檢測

倉儲物流機器人應按照既定程序，控制行進路線的同時，做好貨物的抓取、存放等動作。而為了確保該工作的精準性，應對機器人的空間位姿偏差進行檢測，該項測試中可檢測出機器人在進行抓取、擺放貨物等過程中的偏差，以避免貨架上貨物的位置出現偏離。在實驗中可設立46組立體貨架，并統計倉儲物流機器人擺放貨物的偏離情況，測試結果顯示搭載嵌入式ARM處理器的機器人在擺放貨物時并未出現較大的偏差，且應用日本安川電機YASKAWA硬件與發那科FANUC算法的機械臂在工作中具有較高的工作質量，可滿足現階段智能機器人的工作需求，實驗效果較好。

7結束語

嵌入式ARM結構的倉儲物流機器人可通過控制算法，實時獲取自身位置信息，并進行準確的空間定位，在工作中可及時規劃出最優路徑，同時具有高精度的避障能力。而在工作效率上，嵌入式ARM結構的機器人相較于傳統的遺傳算法機器人，具有更高的工作效率與更精準的空間位姿，且擁有實時糾偏功能，降低貨物擺放偏差，經測試該機器人的應用可滿足生產要求，促進行業發展。