基于增量法的圖書管理助手機器人運動路徑研究

王海波 蔣羽鑫

（1.吉林化工學院機電工程學院,吉林 吉林 132022；2.吉林化工學院圖書館,吉林 吉林 132022）

隨著社會經濟和科學技術的發展，圖書館作為文化建設的重要組成部分，越來越受到人們的重視，目前國內政府和高校建成了很多大型的圖書館，這些圖書館對管理的要求非常高[1-3]。在這一背景下，體現現代科技發展的圖書管理助手機器人的研發顯得非常必要。圖書管理助手機器人的工作環境非常復雜，圖書館人員多、書多，建筑物結構多，規劃好工作路徑，對于機器人的正常工作非常重要[4-5]。

如圖1所示，設計研發了一種圖書管理助手機器人，本文利用其所攜帶的角度和距離傳感器獲取的信息，采用增量位置算法來進行實時路徑規劃。利用這種算法，機器人能夠實時自我定位，不易受到外部環境的影響。

圖1 圖書管理助手機器人

1 位置增量為直線運動時的算法

圖2所示為圖書管理助手機器人兩個相鄰時間段的行走機構參數。

圖2 圖書管理助手機器人的行走機構參數

由于是直線運動，所以機器人在T時刻和T+1時刻兩輪移動的距離相等，n設為機器人兩輪移動的距離，利用數學知識可以推導得到這一小段移動過程中的路徑規劃公式。

2 位置增量為圓弧運動時的算法

如圖3所示，當圖書管理助手機器人行走機構的驅動輪轉速不一樣時，其運動路徑為曲線。

圖3 圖書管理助手機器人曲線運動參數

設圖書管理助手機器人在兩個時間間隔內的路徑規劃坐標分別為，行走過程中轉過的角度為，兩個位置之間的直線距離為，利用數學知識可以推導得出這兩個時刻之間的路徑規劃算法為：

利用上式，圖書管理助手機器人在每個工作的周期里，利用上一周期里面行走機構行進的不同距離，得出轉角和其他相關參數，進行路徑規劃，然后進一步規劃下一步，以此類推完成整體路徑規劃。

3 電機驅動程序代碼

圖書管理助手機器人程序采用C語言技術進行編程[6-9]具體代碼如下：

4 路徑規劃實現

4.1 路徑規劃導航系統構成

機器人在運動過程中，需要由霍爾傳感器與磁釘配合使用導航，磁釘布置在機器人行進的路線上。為了避免檢測不準確導致導航失誤，需要在圖書管理助手機器人上安裝多個霍爾傳感器，形成磁尺。機器人在工作時，通過磁尺來檢測路線上的磁釘，從而達到導航的目的。

4.2 導航信號處理硬件系統

運動路徑的規劃需要導航系統來支持，如圖4所示，圖書管理助手機器人采用的是霍爾傳感器，該傳感器由輸出電路、外圍電路、運算放大器和磁敏元件構成。

圖4 導航系統霍爾傳感器

圖書管理助手機器人導航系統信號處理部分主要由傳感器、信號處理電路、單片機和電機控制模塊構成。霍爾傳感器工作時，檢測到磁釘存在與否直接與輸出高低電平有關，這種高低電平通過信號線傳送到單片機系統中進行分析計算，得出機器人當前位置與預定位置的偏差，并根據偏差信號計算出控制信號，控制信號會傳送到電機控制模塊，驅動電機進行工作，調整位置，從而實現預定的路徑規劃。

如圖5所示，導航系統中，磁尺的安裝分兩部分，分別為前磁尺和后磁尺，為了進行精確的路徑規劃，還需要陀螺儀和電子羅盤來輔助，以確定圖書管理助手機器人的方向角，實現糾偏，達到最佳的位姿，實現路徑規劃。

圖5 磁尺的安裝要求

4.3 運動路徑規劃的實現

圖書管理助手機器人在工作中沿著一定的路線行進，不斷檢測路線上布置的磁釘，實時調整參數，實現預定的路徑規劃。

機器人在行走過程中，利用檢測控制系統不斷對自身進行準確定位，以自身建立局部坐標系，磁尺在坐標系中的位置固定，霍爾傳感器會實時獲取磁釘位置（既定路線），該路線會與機器人前后部分的磁尺形成一定的角度，通過相應的幾何計算得出機器人需要調整的中心位移偏移量和轉角偏移量，之后機器人的控制系統將依據這種偏移量所得出的控制信號傳送給兩個電機，從而實現準確的路徑規劃。

5 實驗研究

搭建圖書管理助手機器人實驗系統，在圖書館樓道內設置了15 m實驗路線，路線上布置了磁釘，在路線上取了15個點進行偏差信號檢測，結果發現，最大的位移偏差為6.5 cm，最大的轉角偏差為5.2°，并且機器人可以按照規劃好的路線到達預定地點。實驗結果表明，圖書管理助手機器人路徑規劃導航系統能夠達到預期要求。

6 結論

文章對于研發的圖書管理助手機器人直線運動和圓弧運動時的路徑規劃算法進行了分析了，編寫了電機工作代碼，實現了路徑規劃的系統搭建，實驗證明，該路徑規劃方法可以滿足圖書管理助手機器人的工作要求。