基于STM32室內搬運機器人設計

張 譯, 王 霄, 周宇輝

(貴州大學 電氣工程學院， 貴陽 550000)

0 引 言

近幾年來，國外的智能化物流機器人相對國內發展的較快，一些國外科研機構以及電商和物流巨頭已經自主開發和研制出了一系列較為成熟的機器人相關產品。雖然國內出現和應用的比較晚，但是隨著互聯網購物和快遞物流的快速發展，在大型物流倉儲管理系統中已有很多相關技術的運用。本文對自動導引機器人小車(AGV)國內外發展現狀及趨勢進行了深入地分析。對于室內機器人設計提出采用CCD彩色圖像采集數據，通過BP神經網絡減少樣本數據設計室內搬運機器人該方法提升了機器人的穩定性和響應速率[1]，設計采用OpenMV和Arduino提供了二種移動方案,實現了機器人識別功能和搬運功能，但在設計上較為繁瑣，OpenMV與Arduino串口通訊對目標決策延時較高，系統實時性不高[2]；采用MSP430F5438芯片設置高頻晶振，提高決策響應速率，添加導航定位、無線通信、安全避障等功能實現搬運機器人系統設計[3]。對于AGV(Automated Guided Vehicle)的應用模式并且比較了倉儲AGV相對于傳統倉儲作業的優點，即降低揀選復雜程度，助于優化資源、降低成本等[4]。利用AT89C52型單片機設計一種倉儲物流搬運機器人，該方法明顯提升了提高物流運輸的效率以及物流運輸的智能化[5]，在穩定性、可靠性要求不高的機器人設計上通過選擇8位芯片作為主控器,但該單片機在硬件性能上明顯比不上STM32芯片，本次設計使用STM32芯片性能明顯高于Arduino、MSP430F5438和AT89C52豐富的I/O引腳實現復雜功能設計。

總結其特點和相關應用場景，對本文設計的小型室內搬運機器人有著重要的參考和指導意義。

1 系統總體框架設計

對于大型倉儲的搬運機器人目前已經有相對成熟的技術，然而市面上的產品對于一些小型倉儲來說，引入AGV的成本過于昂貴，所以本設計針對小型倉儲提出了相應的搬運解決方案。此次設計的室內搬運機器人采用兩輪驅動、一輪輔助的輪式移動底盤加4自由度機械臂的方案，其中機器人運動部分是本設計的重點所在。在機器人工作過程中，實現實時定位，完成搬運任務。考慮到小型倉儲中不宜使用復雜的在線定位或多設備協同定位，所以將采用一種由黑線方格地圖加磁標單機離線定位的方式。由攝像頭識別黑線，計算直線行走時左右微調的偏差，使機器人移動時能夠沿著黑線方格的線條移動。系統控制總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統控制總體框圖

2 室內慣性定位方案設計

在移動過程中詳細記錄上一次機器人的狀態(機器人在地圖中的坐標、障礙標志)以及當前的移動方向，再根據走過的路程和經過“十字”的個數(干簧管磁標檢測計數)，時時計算當前位置坐標與目標位置坐標的偏差，根據該偏差和障礙標志(光電開關檢測)做出如何移動的決策，由運動控制的子程序接收該決策改變的變量來控制機器人移動或機械臂動作。

(1)地圖與標志設計。采用白底黑線方格作為地圖，如圖2所示。黑線寬度2.5 cm(實驗室采用電工黑色膠布即可)，每一格大小為30 cm×30 cm。地圖左下角坐標設定為(X=0,Y=0)，也為該機器人開機時的默認初始坐標。

圖2 地圖示意圖

在每個“十字”交點處安放一塊圓形磁標(包括邊界的“丁字”交點處)，磁標示意，如圖3所示。用于機器人精確定位至十字交點。

圖3 磁標示意圖

(2)機器人定位設計。根據機器人上一次的狀態以及移動過的軌跡刷新當前在地圖中的坐標。在機器人移動底盤下方的4個方向放置4組干簧管(磁簧開關Reed Switch)，安裝如圖4所示，當4組干簧管都處于導通狀態時則判定車體在“十字”的正上方。

圖4 干簧管安裝圖

以相鄰兩個“十字”間的距離記作“一步”，機器人每行進一步，就根據剛才行進的方向、編碼器計數的距離以及“十字”處的磁標檢測來刷新一次當前坐標S(XS,YS,ZS,SS)，具體坐標的加減原則如圖5所示。

圖5 坐標刷新的方向示意圖

如：從默認的原點(0,0,1,1)(機器人在方格坐標(X=0,Y=0)處，移動底盤朝向右邊，機械臂在相對于移動地盤的左45°方向)向前(從地圖上方俯瞰為向右)行駛至右側“十字”，并且4組干簧管都檢測到磁標時，進入坐標刷新的程序，由上一次坐標的Z=1可知機器人是向右前進了“一步”，所以當前坐標的X要加1，即當前坐標S為(1,0,1,1)。坐標刷新的方向示意圖，如圖6所示。

圖6 貨物與障礙物位置分布示意圖

(3)機器人定位決策控制。搬運機器人在接收到(或設定好)搬運任務時，需要根據目的地坐標A(XA,YA,ZA,SA)和當前定位的坐標S(XS,YS,ZS,SS)，以及附近障礙物的情況做出如何移動的決策。貨物分布在黑色方格的中間，障礙存在于黑線上方，即機器人移動的路線上，貨物與障礙物在地圖的位置分布如圖6所示。

將當前所處的坐標S(XS,YS,ZS,SS)和目的地坐標A(XA,YA,ZA,SA)中的X與Y直接做差，可得到在X軸方向還需移動(XS-XA)個方格，在Y軸方向還需移動(YS-YA)個方格，再與當前坐標S中的Z進行比較，做出機器人該如何移動的決策。當(XS-XA)和(YS-YA)的值皆為0，此時比較機器人朝向Z進行比較，做出機器人該如何移動的決策。和機械臂方向S，調整機器人轉角與機械臂方向，對貨物執行夾取動作或放置動作。

如果機器人在移動中，前方遇到障礙物，那么先執行向左或向右(檢測左右哪邊無障礙，優先從左邊)繞過一個“十字”的動作(該動作包含4“步”)，如圖7所示，再繼續上面的計算與決策程序。

圖7 從障礙物左側繞過示意圖

(4)機械臂設計。本室內搬運機器人采用4舵機驅動的4自由度機械臂，如圖8所示。1號舵機控制底座的旋轉，2號舵機控制大臂的上下移動，3號舵機控制小臂的轉動，4號舵機控制抓手的張開與閉合。

圖8 機械臂示意圖

3 硬件電路方案設計

電路硬件部分主要由主控芯片、穩壓芯片、電機驅動模組及傳感器元件組成。

分析此次設計的室內搬運機器人在實際應用情景中各個模塊所需要的負載性能要求，進行各類芯片與模塊的選型和相應電路設計，硬件電路組成如圖9所示。

圖9 硬件電路組成圖

3.1 主控芯片

STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體(ST)公司出品，內核是Cortex-M3，工作頻率為72MHZ，可以使用PLL實現分頻和倍頻功能，內置有高速存儲器，能夠實現128 K字節的Flash閃存和20 K字節的SRAM，具有豐富的增強型I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。

3.2 電源管理

該室內搬運機器人硬件電源管理，如圖10所示。使用3種不同電壓的供電，即3.3 V、5.0 V和12.0 V。其中，12.0 V是由鋰電池組直接提供，而3.3 V與5.0 V則需要使用相應的穩壓電路來得到。

圖10 電源管理示意圖

5.0 V供電用于驅動4個舵機、光電測速編碼器與激光測距模塊的供電。每個GM995舵機需要至少2 A的電流才能正常工作，堵轉時電流會超過3 A，所以這里選用LM2569-5.0穩壓芯片，該穩壓芯片是開關型降壓穩壓器，能夠輸出3 A的驅動電流，該芯片內部集成頻率補償與固定頻率發生器，開關頻率為150 KHz，輸出電壓誤差在±4%以內，且含有兩級降頻限流保護和過溫保護2種保護電路，如圖11所示。

圖11 舵機5.0V穩壓電路原理圖

給光電測速編碼器和激光測距模塊供電的5 V電源不需要很大的電流，但是需要很穩定且無雜波的電壓供電。所以選用TPS7350穩壓芯片，這是一款微功耗低壓差線性電源芯片，具有完善的保護電路，包括過流、過壓、電壓反接保護，如圖12所示。

圖12 其他5.0V穩壓電路原理圖

3.3 V供電給MCU和鷹眼攝像頭以及干簧管，同樣需要很穩定的供電電壓，故選擇TPS7333穩壓芯片，這是一款微功耗低壓差(LDO)穩壓器，與同系列的TPS7350具有相同的保護電路，如圖13所示。

圖13 3.3 V穩壓電路原理圖

3.3 電機驅動“H”橋

使用MOS管大功率驅動，PWM波信號與電機供電進行隔離，直流電機驅動電路為一個可逆雙極“H”型橋式驅動器。其功率元件由4只N溝道MOSFET管和4只P溝道MOSFET管組成。工作電流可以輕易承受20A，可以大大提高電動機的工作轉矩和轉速。原理圖如圖14所示。

圖14 電機驅動“H”橋

3.4 傳感器

視覺部分采用鷹眼OV7725(硬件二值化)視覺模塊，此模塊優點在于可在模塊內進行圖像的二值化處理(通過與設定灰度閾值比較，將圖像像素值轉換為“0”和“1”)，再將圖像信息傳輸給MCU處理。這樣可以分擔單片機信息處理的壓力，提高其工作效率。

光電開關選擇E18-D80NK漫反射光電開關，具有靈敏度高、抗干擾強、高穩定性等特點。

4 系統程序設計

4.1 任務管理分配程序

監測機器人完成任務的情況。讀取管理員輸入的搬運任務，并在解析之后監測任務完成進度，逐一分發給走位決策程序。在一次搬運任務結束時，如果不是最后一個任務，則需要賦值一些標志變量(取物點和放置點坐標以及狀態變量)使得搬運任務繼續進行。在定時中斷1服務程序里執行，定時周期為1 ms。

4.2 速度PID控制程序

搬運機器人速度在勻速和靜止之間切換。為保證搬運過程中平穩安全運行，在移動過程中通過編碼器速度反饋保持勻速(0.5 m/s、1.0 m/s或1.5 m/s)，靜止時要克服干擾保持速度為0 m/s。

離散式增量PID公式(1)：

Δu[n]=KP{e[n]-e[n-1]}+KIe[n]+KD{e[n]-2e[n-1]+e[n-2]}.

(1)

重新組合得式(2)：

Δu[n]=(KP+KI+KD)×e[n]-(KP+2KD)×e[n-1]+KD×e[n-2].

(2)

對應到該設計的PWM電機控制中，式(3)：

PWMout=(KP+KI+KD)×ΔV[n]-(KP+2KD)×

ΔV[n-1]+KD×ΔV[n-2].

(3)

其中，PWMout是單片機輸出PWM波占空比的大小，KP、KI、KD為需要整定的PID系數，ΔV是目標速度與當前測速值的差值。

程序執行周期為1 ms，若設定的速度為1 m/s，則對應編碼器值為79，即目標速度V0為79。

4.3 走位決策程序

通過目的地坐標與當前實時坐標的計算和對比，得到將要執行的走位動作，并且檢測前方是否有障礙物。該程序在定時中斷2中執行，定時周期為5 ms。如果前方有障礙物，則查看左右兩側是否有障礙物，若左側沒有障礙，則執行“逆時針旋轉90°，向前行駛一步，順時針旋轉90°，向前行駛兩步，順時針旋轉90°，向前行駛一步”從障礙物左側繞過，若左側也有障礙而右側無障礙，則執行與前者相對稱的動作從障礙物右側繞過，如果左、前和右3個方向都存在障礙的話，則執行“倒退一步，逆時針旋轉90°,向前行駛一步，順時針旋轉90°，向前行駛三步，順時針旋轉90°，向前行駛一步”倒退后從左側繞過障礙物，走位決策流程圖如圖15所示。

圖15 走位決策流程圖

4.4 圖像處理程序

鷹眼OV7725(硬件二值化)視覺處理模塊。在硬件初始化函數里設定其二值化閾值、圖像分辨率等各類參數。

MCU接收到一幀圖像后，如圖16(a)，執行邊沿尋線的算法，確定圖像中間黑線的左右兩個邊沿的像素點，并逐行計算出兩邊沿的中點，如圖16(b)，賦值給一個數組，稱“中線數組”，用數組逐行計算與圖像中線的偏差，也賦值給一個數組，稱“偏差數組”，再根據實地影響因素(移動速度、攝像頭高度等)加權平均計算需要的偏差“DX”。

(a) (b)

5 結束語

在生產制造逐漸自動化、智能化的今天，各類機器人漸漸代替了很多人工。其中搬運機器人在各領域應用頗多。然而，對于小型的電商或者個人網店而言，使用類似京東倉庫的搬運機器人系統成本過高，很難實現。對此，本文設計一款適用于小型室內倉儲的搬運機器人。此款機器人可以根據用戶的需求設定搬運任務，實現自主搬運與歸位。

室內搬運機器人系統的硬件部分和軟件部分設計遵循標準化、模塊化的原則，使得后續開發變容易，穩定可靠性提高，便于日常維護及后續系統優化升級。