單軌同向可超越行走的機(jī)器人巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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(廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院 電子系，廣州 510990)

引 言

服務(wù)機(jī)器人所涵蓋的行業(yè)也是比較廣泛的，在日常的生活中，這類機(jī)器人可應(yīng)用在餐廳傳菜、公司傳遞文件及倉(cāng)庫(kù)搬運(yùn)等眾多場(chǎng)合。但是，這些機(jī)器人在單軌同向行駛時(shí)只能按照指定速度依次行走，鮮有接到緊急事件的機(jī)器人優(yōu)先行走的策略。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出了一種有效的服務(wù)型機(jī)器人之間能在單軌同向互相穿梭行走的策略，并設(shè)計(jì)了一種可互相超越行走的服務(wù)機(jī)器人自巡航系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了確保相關(guān)數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性及方便性，整個(gè)系統(tǒng)分為兩大部分：MCU模塊和上位機(jī)調(diào)試軟件[3]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 設(shè)計(jì)的場(chǎng)景模擬

其中，MCU采用MK60FX512VLQ15單片機(jī)作為中央處理器，并搭載攝像頭、超聲波測(cè)距模塊和nRF24L01+無(wú)線模塊；通過(guò)OV7725攝像頭識(shí)別指定的特定軌道，求出機(jī)器人行走路線與軌道的偏差量，并糾正偏差，同時(shí)也對(duì)軌道上的障礙物進(jìn)行檢測(cè)與避讓；利用超聲波測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)同個(gè)軌道行走的兩個(gè)機(jī)器人之間距離控制，避免機(jī)器人之間產(chǎn)生碰撞；通過(guò)nRF24L01+實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的互相通信，當(dāng)后方機(jī)器人需要超越前方機(jī)器人時(shí)，通過(guò)發(fā)送特定指令讓前方機(jī)器人停靠避讓，從而使后方機(jī)器人躲避超越；藍(lán)牙模塊用來(lái)發(fā)送攝像頭采集的圖像和機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)給上位機(jī)。上位機(jī)調(diào)試軟件主要處理機(jī)器人采集的圖像數(shù)據(jù)和在線調(diào)試機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)，如：機(jī)器人的速度PID參數(shù)、轉(zhuǎn)向PID參數(shù)和攝像頭分辨率參數(shù)等。本設(shè)計(jì)的場(chǎng)景模擬圖如圖2所示，其中A、B、C代表不同的機(jī)器人。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括MK60FX512VLQ15微處理器、nRF24L01+無(wú)線模塊[7]、藍(lán)牙模塊、超聲波測(cè)距模塊和攝像頭模塊4個(gè)部分。系統(tǒng)硬件總體方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體方案圖

2.1 MK60FX512VLQ15微處理器

MK60FX512VLQ15基于ARM Corter-M4內(nèi)核，具有高性能(標(biāo)準(zhǔn)頻率為150 MHz)、內(nèi)部集成2個(gè)512 KB Flash、低功耗、I/O資源豐富等優(yōu)良特性，非常適合服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.2 nRF24L01+無(wú)線模塊

nRF24L01+是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片收發(fā)芯片，有125個(gè)頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信，最大傳輸速度為2 Mbps，可通過(guò)調(diào)頻來(lái)避免干擾，且內(nèi)置CRC校驗(yàn)和出錯(cuò)重傳機(jī)制[4]。采用本模塊可以減少數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中丟包、漏傳等現(xiàn)象。

2.3 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距采用收發(fā)一體的模塊。該模塊擁有180度測(cè)量角，測(cè)量距離為2～550 cm。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的場(chǎng)景中存在彎道軌道和十字軌道，采用本模塊可以在這些軌道中進(jìn)行機(jī)器人之間的距離控制。

2.4 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用OV7725，其通過(guò)若干邏輯器處理原始圖像，最終輸出0和1數(shù)值的黑白二值圖像，圖像輸出幀率高達(dá)150 fps,圖像分辨率可調(diào)，本系統(tǒng)采用的分辨率為80×60，圖像傳輸穩(wěn)定。

2.5 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊采用HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊板。采用TTL信號(hào)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制表示，規(guī)定+5 V等價(jià)于邏輯“1”，0 V等價(jià)于邏輯“0”。本系統(tǒng)采用波特率為115 200，每秒傳輸24幀，分辨率為80×60的圖像，此速率滿足本系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程。

3 主要算法及軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括機(jī)器人超聲波距離控制算法程序、糾正軌道偏差量算法程序、機(jī)器人在直道和十字軌道相互超越算法程序。

3.1 超聲波距離控制算法程序

為了避免機(jī)器人在同向行走過(guò)程中與其它機(jī)器人產(chǎn)生碰撞，本系統(tǒng)采用鴛鴦超聲波距離控制算法來(lái)保持機(jī)器人之間的安全距離[5]。假設(shè)機(jī)器人與前方機(jī)器人的距離為Robot_Distance，安全目標(biāo)距離為Aim_Distance，速度差為Speed_Error，機(jī)器人的速度為Robot_Speed，鴛鴦超聲波距離控制算法的核心思想為：

① 當(dāng)Robot_Distance

Distance_Error=Robot_Distance-Aim_Distance

(1)

② 跟隨在后方的機(jī)器人進(jìn)入距離控制狀態(tài)，采用二次曲線的方式，通過(guò)式(2)將兩機(jī)器人之間的距離偏差Distance_Error轉(zhuǎn)化成速度差Speed_Error；

Speed_Error=Distance_Error×Distance_Error/250000；

(2)

③ 利用式(3)，后方機(jī)器人根據(jù)速度差調(diào)整運(yùn)行速度Robot_Speed，進(jìn)而避免產(chǎn)生碰撞。

Robot_Speed=Robot_Speed-Speed_Error;

(3)

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，速度差和距離差關(guān)系采用式(2)中的二次曲線關(guān)系的原因是，當(dāng)誤差較大時(shí)，系統(tǒng)能迅速做出響應(yīng)；在誤差較小時(shí)，系統(tǒng)可以緩慢平滑地通過(guò)速度的調(diào)節(jié)來(lái)修正距離的誤差值，從而避免機(jī)器的抖動(dòng)。距離與速度關(guān)系如圖4所示。

圖4 距離與速度關(guān)系圖

3.2 機(jī)器人糾正軌道偏差量算法程序

圖5 直道圖像

攝像頭采集的圖像通過(guò)硬件二值化形成0和1數(shù)值的黑白二值圖像，并存入到大小為4 800的數(shù)組中[6]。取圖像的第R行(設(shè)計(jì)中R=25)作為機(jī)器人偏移軌道的偏差量糾正行，即路徑識(shí)別的主前瞻行。取的行值應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的軌道及運(yùn)行環(huán)境來(lái)確定，從圖5所示的直道圖像中不難看出，行值越大，系統(tǒng)的前瞻性越大系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越充分，但過(guò)大的行值在彎道處可能會(huì)使前瞻超出運(yùn)行軌道，以及過(guò)大抖動(dòng)會(huì)使數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等。通過(guò)該行掃描軌道的左右黑色邊線，并將左右邊線列坐標(biāo)值分別記錄到變量LEFT和RIGHT中。其中偏差量計(jì)算方法為：通過(guò)采集到圖像計(jì)算軌道中心(Runway_Mid)與攝像頭圖像像素寬度的一半(CAMERA_W/2)作差，即機(jī)器人偏移軌道的偏差量為式(4)。攝像頭采集的圖像會(huì)產(chǎn)生丟邊的情況，以下是根據(jù)不同丟邊情況進(jìn)行的軌道中心計(jì)算：

① 當(dāng)左邊(LEFT)和右邊(RIGHT)都不丟邊，則軌道中心計(jì)算為式(5)，直道軌道中心圖像如圖6所示；

② 當(dāng)機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右邊(RIGHT)丟邊，則跑道中心計(jì)算為式(6)，右轉(zhuǎn)彎軌道中心圖像如圖7所示；

③ 當(dāng)機(jī)器人左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左邊(LEFT)丟邊，則軌道中心計(jì)算為式(7)，左轉(zhuǎn)彎軌道中心圖像如圖8所示；

④ 當(dāng)機(jī)器人行徑十字路口時(shí)，左邊(LEFT)和右邊(RIGHT)都丟邊，則通過(guò)圖像的主前瞻行R的上下其它行輔助補(bǔ)線求出邊線，上下輔助行根據(jù)實(shí)際軌道丟邊寬度決定，要確保輔助行在主前瞻行丟邊的時(shí)候能檢測(cè)到邊線，補(bǔ)線方法為通過(guò)兩點(diǎn)求直線方程式(8)，十字軌道中心圖像如圖9所示。

本設(shè)計(jì)中主前瞻行R=25，上下輔助行分別取第10行和第45行。那么求出第25行的左邊線列坐標(biāo)值(LEFT)和右邊線列坐標(biāo)值(RIGHT)，就可以通過(guò)輔助行第10行和第45行分別求出其邊線。這里把上下輔助行的邊線列坐標(biāo)分別記錄為變量LEFT_10、RIGHT_10和LEFT_45、RIGHT_45，然后按式(8)可分別計(jì)算第25行左邊線列坐標(biāo)值：LEFT=(25-45)×(LEFT_45-LEFT_10)/(45-10)+LEFT_45，第25行右邊線列坐標(biāo)值：RIGHT=(25-45)×(RIGHT_45-RIGHT_10)/(45-10)+RIGHT_45。接下來(lái)軌道中心計(jì)算就可按左右不丟邊式(5)計(jì)算。圖10為十字軌道未補(bǔ)線圖像與補(bǔ)線圖像的對(duì)比圖。

Track_error= CAMERA_W/2-Runway_Mid

(4)

Runway_Mid=(LEFT+RIGHT)/2

(5)

Runway_Mid=CAMERA_W+LEFT/2

(6)

Runway_Mid=RIGHT/2

(7)

y-y1=k×(x-x2)，其中k=(y2-y1)/(x2-x1)

(8)

圖6 直道軌道中心圖像

圖7 右轉(zhuǎn)彎軌道中心圖像

圖8 左轉(zhuǎn)彎軌道中心圖像

圖9 十字軌道中心圖像

圖10 十字軌道未補(bǔ)線圖像與補(bǔ)線圖像的對(duì)比圖

3.3 機(jī)器人直道相互超越算法程序

圖11 機(jī)器人直道相互超越的場(chǎng)景模擬圖

圖11所示為機(jī)器人直道相互超越的場(chǎng)景模擬圖。圖12所示是前方機(jī)器人直道超越策略的程序流程圖，當(dāng)機(jī)器人接收到后方需要超越指令時(shí)，通過(guò)沿右邊線求偏差量停靠，沿邊線偏差量計(jì)算：Rside_error=R-RIGHT，其中R=52是通過(guò)機(jī)器人靜態(tài)不動(dòng)時(shí)靠右邊線停車測(cè)量出來(lái)的右邊線列坐標(biāo)值，RIGHT是圖像主前瞻即第25行的右邊線列坐標(biāo)檢測(cè)值；機(jī)器人停靠成功后，發(fā)送直道停靠成功指令，等待后方機(jī)器人超越成功后發(fā)送超越成功指令；當(dāng)接收到超越成功指令，則重新啟動(dòng)機(jī)器人行走模式。

圖13所示是后方機(jī)器人直道超越策略的程序流程圖，當(dāng)機(jī)器人接收到緊急事件需要超越前方機(jī)器人時(shí)，通過(guò)超聲波檢測(cè)前方機(jī)器人是否在允許超越距離范圍內(nèi)，當(dāng)處于允許超越的范圍時(shí)，發(fā)送需要超越指令給前方機(jī)器人，等待前方機(jī)器人停靠成功后，進(jìn)入超越狀態(tài)，通過(guò)沿左邊線求偏差量行走，沿邊線偏差量計(jì)算：Lside_error=L-LEFT，其中L=28是通過(guò)機(jī)器人靜態(tài)不動(dòng)時(shí)靠左邊線停車測(cè)量出來(lái)的左邊線列坐標(biāo)值，LEFT是圖像第25行的左邊線列坐標(biāo)檢測(cè)值；直到超越成功后，發(fā)送超越指令給前方機(jī)器人，完成機(jī)器人間超越。

3.4 機(jī)器人十字軌道相互超越算法程序

圖14所示為機(jī)器人十字軌道相互超越的場(chǎng)景模擬圖。圖15所示是前方機(jī)器人十字軌道超越策略的程序流程圖，十字超越策略跟直道的超越策略相同，但是由于十字軌道存在邊線丟失，所以需要對(duì)十字軌道右邊線進(jìn)行補(bǔ)齊，邊線補(bǔ)線方法與第3.2節(jié)中補(bǔ)邊相同，即通過(guò)兩點(diǎn)求直線方程。前方機(jī)器人十字補(bǔ)線圖像如圖16所示。

圖17所示是后方機(jī)器人十字軌道超越策略的程序流程圖，十字超越策略跟直道的超越策略相同，但是由于十字軌道存在邊線丟失，所以需要對(duì)十字軌道左邊線進(jìn)行補(bǔ)齊，邊線補(bǔ)線方法同樣與第3.2節(jié)中補(bǔ)邊相同，即通過(guò)兩點(diǎn)求直線方程。后方機(jī)器人十字補(bǔ)線圖像如圖18所示。

圖12 前方機(jī)器人直道超越策略程序流程圖

圖13 后方機(jī)器人直道超越策略程序流程圖

圖14 機(jī)器人十字軌道相互超越的場(chǎng)景模擬圖

圖15 前方機(jī)器人十字軌道超越策略程序流程圖

圖16 前方機(jī)器人十字軌道補(bǔ)線圖像

圖17 后方機(jī)器人十字軌道超越策略程序流程圖

結(jié) 語(yǔ)

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夏國(guó)清(講師)，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤⑶度胧较到y(tǒng)、圖像處理與模式識(shí)別；陳佳凡，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤⑶度胧较到y(tǒng)。