糧食筒倉(cāng)自適應(yīng)多感知人工智能清倉(cāng)機(jī)器人的研究

◎ 溫宏杰，王 磊，史緯琦，閆發(fā)宣，高緒明，李金蔚，呂晗愷，張 星

（山東港口集團(tuán)青島港董家口分公司，山東 青島 266000）

1 研究目的、意義和國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

1.1 研究意義

我國(guó)是糧食生產(chǎn)及消費(fèi)大國(guó)，每年產(chǎn)出和進(jìn)口量巨大，因此，做好糧食儲(chǔ)存的工作具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著社會(huì)發(fā)展，糧倉(cāng)的規(guī)模越來(lái)越大，倉(cāng)內(nèi)堆積層也越來(lái)越厚，而我國(guó)目前糧食儲(chǔ)存業(yè)的清倉(cāng)工作，大部分還保留著人工作業(yè)方式，不僅速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且清倉(cāng)效率低。同時(shí)，當(dāng)糧倉(cāng)內(nèi)局部糧食發(fā)熱或異常時(shí)，需要做深挖處理，如果依靠人工，既不安全，勞動(dòng)強(qiáng)度又大，效率極低。此外，受到糧食收獲期限的限制，每年的入庫(kù)時(shí)間較為集中，如果不能在短時(shí)間內(nèi)完成糧倉(cāng)的清倉(cāng)工作，就容易錯(cuò)過(guò)糧食的最佳存儲(chǔ)時(shí)間，還會(huì)導(dǎo)致其發(fā)熱、潮濕、生蟲(chóng)，影響存儲(chǔ)安全及品質(zhì)。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種替代人工進(jìn)行清倉(cāng)的機(jī)器人[1]。

1.2 研究目的

本研究目的在于降低清倉(cāng)作業(yè)時(shí)人工的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低作業(yè)成本，確保人員安全作業(yè)生產(chǎn)，提高作業(yè)效率。通過(guò)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)操控機(jī)器人的走位，杜絕因?yàn)榍鍌}(cāng)帶來(lái)的安全隱患；通過(guò)在機(jī)器人上增加氧傳感器、有毒氣體檢測(cè)等傳感器，可避免人員因?yàn)槎練庠斐扇松韨Α?/p>

1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顟B(tài)

國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)在設(shè)計(jì)糧倉(cāng)時(shí)奉行自動(dòng)化理念，在入糧過(guò)程中將糧食倒入地漏，傳送帶將糧食傳送至谷倉(cāng)上方，通過(guò)谷倉(cāng)內(nèi)管道落入糧倉(cāng)中，入糧時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平整。目前，幾乎沒(méi)有平倉(cāng)機(jī)器人相關(guān)的文獻(xiàn)。對(duì)于糧倉(cāng)的研究主要集中在遠(yuǎn)程監(jiān)控、糧倉(cāng)溫度檢測(cè)、害蟲(chóng)防治、精確的糧食儲(chǔ)量測(cè)量方面。有相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)了國(guó)外糧倉(cāng)自動(dòng)化的研究方向，并提到了一種在偏遠(yuǎn)地區(qū)離線模式下的自動(dòng)化糧倉(cāng)方案。

國(guó)內(nèi)對(duì)于糧倉(cāng)機(jī)器人的研究，相較于其他領(lǐng)域而言還較少。大部分研究成果大同小異，主要分為固定式和移動(dòng)式兩種。固定式糧倉(cāng)機(jī)器人主要用于大型糧倉(cāng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本和效率更高一些；移動(dòng)式糧倉(cāng)機(jī)器人主要用于小型糧倉(cāng)。

綜合國(guó)內(nèi)外糧倉(cāng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀，二者既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)，如果能將二者結(jié)合使用，效果會(huì)更好[2]。

2 研究主要技術(shù)路線

2.1 自適應(yīng)螺旋車輪以及車體

傳統(tǒng)的機(jī)器人行走都是依靠輪子或者履帶，但在不平整的糧食面上，采用履帶或者輪子無(wú)法行走，或者因?yàn)榧Z食灑落在履帶內(nèi)造成履帶損壞。本研究依托于螺旋齒輪的運(yùn)動(dòng)原理，在車體上增加8組大扇形結(jié)構(gòu)，分別安裝于機(jī)器人車體的上方和下方，機(jī)器人正常行進(jìn)的時(shí)候采用下方4個(gè)扇輪驅(qū)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人側(cè)翻或者完全翻轉(zhuǎn)后采用上方4個(gè)扇輪驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。扇輪由8個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)差速控制可以實(shí)現(xiàn)車體的旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)與后退功能。8個(gè)扇輪前端都配有一個(gè)可以伸縮的螺旋鉆頭，用于破損體積較大的糧食塊，同時(shí)，這8個(gè)螺旋鉆頭都具有前后移動(dòng)的功能，并且結(jié)合小型空氣錘的原理，再配合螺旋鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)，以確保平倉(cāng)機(jī)器人在糧倉(cāng)內(nèi)可以進(jìn)行平倉(cāng)或者清倉(cāng)等工作。

車體由鋁合金外殼上下裝配而成，內(nèi)部主要集成了磷酸鐵鋰電池、機(jī)器人控制器、電機(jī)、無(wú)線模塊、陀螺儀等裝置，車體外部裝配有氧濃度傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器、硫化氫傳感器、氮?dú)鈧鞲衅鞯葰怏w檢測(cè)傳感器及攝像頭，車體暫估尺寸為68 cm×42 cm×45 cm，后期詳細(xì)計(jì)算尺寸可能略有變化。

2.2 自動(dòng)避障系統(tǒng)

因?yàn)榧Z倉(cāng)內(nèi)布置了大量的光纖測(cè)溫傳感器，在機(jī)器人清理糧倉(cāng)或者平倉(cāng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)碰撞光纖的現(xiàn)象，在螺旋扇輪前進(jìn)的過(guò)程中有可能破壞測(cè)溫光纖或者清倉(cāng)機(jī)器人。為了避免該問(wèn)題，本研究在車體四周布置多個(gè)傳感器集群，當(dāng)檢測(cè)到在碰撞范圍內(nèi)有光纖時(shí)可以自動(dòng)避讓，從而確保機(jī)器人在糧倉(cāng)內(nèi)能夠正常、安全的作業(yè)。避障系統(tǒng)可以利用遙控器手動(dòng)關(guān)閉或者自動(dòng)關(guān)閉，自動(dòng)避障系統(tǒng)要求機(jī)器人具備一定的自動(dòng)智能導(dǎo)航功能，導(dǎo)航地圖可以根據(jù)糧倉(cāng)內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)存儲(chǔ)。自動(dòng)避障系統(tǒng)采用的是磁性傳感器，用于檢測(cè)金屬或者塑料，防止機(jī)器人無(wú)法進(jìn)行糧食預(yù)埋。

2.3 車體自平衡系統(tǒng)以及自行走系統(tǒng)

車體自動(dòng)平衡系統(tǒng)是在8個(gè)螺旋扇輪的軸承處安裝自由伸縮的減震裝置，配合陀螺儀，如此一來(lái)，當(dāng)機(jī)器人爬坡或者進(jìn)行深度清倉(cāng)時(shí)，可防止機(jī)器人側(cè)滑影響作業(yè)。自動(dòng)行走功能主要是系統(tǒng)內(nèi)置導(dǎo)航地圖，配合避障系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)行走或者預(yù)設(shè)軌跡的行走方式。內(nèi)置的磷酸鐵鋰電池支持8 h的自動(dòng)連續(xù)作業(yè)，當(dāng)電池電量低于安全閾值時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)返航，由人工進(jìn)行充電。

2.4 基于5G的無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在遠(yuǎn)程端操控，需要內(nèi)置一個(gè)5G芯片，通過(guò)筒倉(cāng)外的天線配合遠(yuǎn)程端進(jìn)行操控。5G數(shù)傳系統(tǒng)包含一個(gè)遠(yuǎn)程端和一個(gè)本地端，具有手機(jī)端操控功能和上位機(jī)軟件操控功能。其中，手機(jī)端可以顯示各種傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)、車體的前進(jìn)后退和旋轉(zhuǎn)功能，以及一鍵返回功能；遠(yuǎn)程端的上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)器人的控制和信息回傳功能，包括但不限于傳感器狀態(tài)、電池電量、導(dǎo)航地圖、機(jī)器人位置、視頻等功能[3]。

2.5 基于人工智能AI的自動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)

雖然在車體上設(shè)計(jì)了8組螺旋扇輪，但是為了預(yù)防清倉(cāng)過(guò)程中機(jī)器人傾倒的問(wèn)題，本研究設(shè)定車體上的攝像頭進(jìn)行自學(xué)習(xí)，該攝像頭可采用PYTHON人工智能軟件，對(duì)所有的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行預(yù)學(xué)習(xí)功能。如此一來(lái)，在傾斜的作業(yè)面清倉(cāng)時(shí)，通過(guò)機(jī)器人反復(fù)的智能學(xué)習(xí)，具備一定的高度智能性，能夠根據(jù)作業(yè)環(huán)境提前規(guī)劃作業(yè)路徑，在提高作業(yè)效率的同時(shí)，降低機(jī)器人的電耗，提升機(jī)器人的整體作業(yè)能力。

2.6 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)該具備遠(yuǎn)程控制功能和相關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。同時(shí)，要兼容導(dǎo)航地圖、車體運(yùn)轉(zhuǎn)控制、視頻AI學(xué)習(xí)等功能，以控制機(jī)器人在預(yù)定的作業(yè)環(huán)境內(nèi)自由快速運(yùn)行，從而保證機(jī)器人安全穩(wěn)定的運(yùn)行，有效提高作業(yè)效率。

2.7 氣體傳感器集成系統(tǒng)

氣體傳感器集成系統(tǒng)要求同時(shí)具備多種傳感器的測(cè)量，通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)和5G傳輸系統(tǒng)，將信息傳遞給上位機(jī)軟件。同時(shí)，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)糧倉(cāng)的維護(hù)和保養(yǎng)，從而避免其他安全隱患。

糧食筒倉(cāng)智能清倉(cāng)機(jī)器人的核心是通過(guò)雙行走機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無(wú)人高效系統(tǒng)清倉(cāng)。對(duì)此，本研究基于圖像基本原理，建立了清倉(cāng)機(jī)器人路徑規(guī)劃導(dǎo)航模型，基于差速驅(qū)動(dòng)、自適應(yīng)螺旋車輪以及車體、增量式PID控制理論，建立了雙機(jī)同步導(dǎo)航模型，在車體的四周布置多個(gè)傳感器集群，從而確保機(jī)器人在糧倉(cāng)內(nèi)能夠正常、安全作業(yè)[4]。

3 系統(tǒng)實(shí)施方案

本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)大型筒倉(cāng)內(nèi)壁糧食殘留的清掃。系統(tǒng)主要有3個(gè)組成部分：

（1）糧倉(cāng)清掃系統(tǒng)。在糧食出倉(cāng)時(shí)，清掃系統(tǒng)沿著倉(cāng)壁及圓錐面行走，進(jìn)行糧食殘留的清掃。

（2）糧倉(cāng)支持系統(tǒng)。建立糧倉(cāng)內(nèi)部清掃機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境，為其工作提供數(shù)據(jù)傳輸、位置確定等支持。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部清掃過(guò)程的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)施方案圖

3.1 系統(tǒng)工作過(guò)程

在糧食出倉(cāng)時(shí)，清掃機(jī)器人根據(jù)糧食的出倉(cāng)速度，通過(guò)攝像機(jī)判斷糧倉(cāng)內(nèi)的積料情況，啟動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)始倉(cāng)壁和錐面的清理工作。

通過(guò)監(jiān)控?cái)z像頭，查找倉(cāng)壁的掛料位置，控制軌道圓環(huán)下降到合適位置，清掃機(jī)器人在軌道上進(jìn)行倉(cāng)壁殘留的清掃。監(jiān)控有2種方式：一種是手持式便攜控制，方便近程測(cè)試、查看清掃機(jī)器人狀態(tài)；一種是計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，用于清掃過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

當(dāng)軌道圓環(huán)下降到錐面轉(zhuǎn)接處時(shí)，清掃機(jī)器人啟動(dòng)錐面清掃程序，自動(dòng)沿軌道運(yùn)行，利用下方的絞龍（或刷子）進(jìn)行錐面殘留的清掃。此外，清掃機(jī)器人在工作中，可根據(jù)傳感器信息及控制算法，自動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整、障礙判斷等輔助性操作，方便人工控制清掃。

3.2 糧倉(cāng)清掃系統(tǒng)

糧倉(cāng)清掃系統(tǒng)主要包括運(yùn)行導(dǎo)軌和清掃機(jī)器人2大部分，來(lái)完成倉(cāng)壁和錐面糧食殘留的清掃工作。其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成示意圖

3.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

清掃系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為軌道系統(tǒng)和清掃機(jī)器人本體2個(gè)系統(tǒng)。軌道采用吊裝形式，可上下運(yùn)動(dòng)；清掃機(jī)器人采用輪式結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的移動(dòng)、清掃、破碎等功能。

（1）軌道系統(tǒng)：軌道系統(tǒng)為清掃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供橫向路徑，采用上下結(jié)構(gòu)，上面是固定裝置，下面是軌道裝置。軌道系統(tǒng)使用吊裝機(jī)構(gòu)從筒倉(cāng)頂端固定，可在電機(jī)的控制下進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)；軌道固定裝置上裝有固定裝置、滑輪等，用以固定軌道。

（2）機(jī)器人本體：清掃機(jī)器人本體采用全封閉結(jié)構(gòu)，整體防塵、防爆。其本體主要有軌道輪、傳感器、電池等裝置。

（3）工作結(jié)構(gòu)：清掃機(jī)器人下端設(shè)置有清掃裝置和破碎裝置。清掃裝置是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)清掃器旋轉(zhuǎn)，在機(jī)器人沿倉(cāng)壁運(yùn)行時(shí)進(jìn)行倉(cāng)壁清掃工作；在錐面時(shí)會(huì)自動(dòng)彎曲，對(duì)錐面進(jìn)行仿形，通過(guò)旋轉(zhuǎn)等操作對(duì)錐面殘留進(jìn)行清掃。

3.2.2 控制模塊

控制模塊具有對(duì)軌道和清掃機(jī)器人的數(shù)據(jù)處理、動(dòng)作控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)染唧w功能，其主控模塊硬件包含以下2個(gè)部分：

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用ARM處理器作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)，其主要包含4個(gè)滑輪吊軌控制、1個(gè)清掃電機(jī)控制、1個(gè)破碎電機(jī)控制。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用CAN總線與主控模塊通信；電機(jī)采用24 V直流減速電機(jī)。

（2）主控模塊：采用ARM Cortex-A53系列CPU，針對(duì)傳感器、視頻、傳輸?shù)饶K進(jìn)行控制。同時(shí)，主控模塊設(shè)置有CAN、RS485、USB、WiFi等接口，與傳感器、控制模塊等相連。

3.2.3 算法上主要功能

在算法上的主要功能有：①運(yùn)動(dòng)控制：通過(guò)對(duì)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)軌道的上升、下降、鎖定，清掃機(jī)器人的前進(jìn)、后退、清掃、破碎等動(dòng)作。②傳感器信息融合：根據(jù)位置、姿態(tài)、視頻等傳感器的信息，計(jì)算合適的控制參數(shù)，保證清掃機(jī)器人安全工作。

3.2.4 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括：①姿態(tài)傳感器，給出機(jī)器人的水平狀態(tài)。②視頻攝像頭，用于觀察機(jī)器人周圍景象。③位置傳感器，用于軌道和清掃機(jī)器人定位。④氣體傳感器，用于感知筒倉(cāng)內(nèi)氣體含量。

3.2.5 通信模塊

通信模塊可實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人與糧倉(cāng)支持系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。其中，控制數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，視頻數(shù)據(jù)通過(guò)UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。此外，通過(guò)倉(cāng)頂部的無(wú)線模塊直接對(duì)接原有系統(tǒng)的光纖，可實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)的全局監(jiān)控和管理。

3.2.6 電源模塊

系統(tǒng)電池采用鋰電池，系統(tǒng)電壓直流24 V。電機(jī)工作電壓直流24 V；主板供電24 V，主板上設(shè)置有電源轉(zhuǎn)換模塊，將24 V電源轉(zhuǎn)換為12 V、5 V、3.3 V等，供不同模塊使用。電池容量能保證清掃機(jī)器人至少工作一個(gè)出糧周期（4 h），同時(shí)，當(dāng)電池容量低于設(shè)定時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警提示。

3.3 糧倉(cāng)支持系統(tǒng)

糧倉(cāng)支持系統(tǒng)安裝于糧倉(cāng)頂部，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)鏈路和清掃機(jī)器人的定位計(jì)算，包含以下2個(gè)模塊[5]。

3.3.1 定位模塊

在糧倉(cāng)頂部設(shè)置定位基站，在移動(dòng)機(jī)器人上安裝定位模塊，根據(jù)定位算法，實(shí)時(shí)判斷清掃機(jī)器人位置，定位精度在cm級(jí)，可滿足糧倉(cāng)內(nèi)機(jī)器人行走要求。

3.3.2 通信模塊

采用無(wú)線通信方式，可實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。此外，無(wú)線模塊通過(guò)無(wú)線連接定位模塊、清掃機(jī)器人和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)定位模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)更新。

3.3.3 供電模塊

系統(tǒng)主供電采用220 V（或380 V），主要為導(dǎo)軌吊裝系統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)供電。另外，直流電源模塊為24 V，主要用于為系統(tǒng)無(wú)線充電、通信模塊、定位模塊、傳感器等供電。

3.3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可在監(jiān)控室內(nèi)對(duì)清掃機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。其包含以下幾個(gè)模塊。

（1）顯示模塊

顯示模塊用于顯示清掃機(jī)器人工作過(guò)程中的信息狀態(tài)，其采用數(shù)字孿生技術(shù)，將清掃機(jī)器人的工作在顯示器上同步展示，主要顯示的信息包括工作視頻、狀態(tài)信息（姿態(tài)、電池、位置等）、報(bào)警信息等。

（2）中繼通信

中繼通信采用防雷無(wú)線通信模塊，為數(shù)據(jù)通信提供橋接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

（3）遙控模塊

遙控模塊采用工業(yè)遙控器，方便對(duì)圓環(huán)滑軌、清掃機(jī)器人的操作進(jìn)行控制，其操作界面如圖3所示。

圖3 遙控模塊圖

3.4 吊裝系統(tǒng)

吊裝系統(tǒng)采用六點(diǎn)吊裝，配備防爆變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)側(cè)帶有速度反饋和位置反饋，能夠及時(shí)檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和整體清倉(cāng)機(jī)器的下方高度；內(nèi)孔嵌套高耐磨塑料材質(zhì)，可防止鋼絲繩斷裂。其結(jié)構(gòu)安裝形式如圖4所示。

圖4 吊裝系統(tǒng)圖

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)全過(guò)程糧系統(tǒng)清倉(cāng)無(wú)人化、自動(dòng)化作業(yè)，完全解決安全問(wèn)題和作業(yè)效率問(wèn)題；能夠有效解決筒倉(cāng)環(huán)境惡劣、人工成本高、工作強(qiáng)度大等問(wèn)題，年度可節(jié)約人力成本300萬(wàn)元，節(jié)約設(shè)備設(shè)施維護(hù)費(fèi)20萬(wàn)元。

（2）本設(shè)計(jì)可有效解決機(jī)器人動(dòng)力爬坡能力不足、易下陷等問(wèn)題，且具有較好的續(xù)航能力，能夠適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間惡劣作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用人工智能、無(wú)線攝像頭、路徑規(guī)劃等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)效率最大化，提升生產(chǎn)效率60%以上。