糧食筒倉自適應多感知人工智能清倉機器人的研究

◎ 溫宏杰，王 磊，史緯琦，閆發宣，高緒明，李金蔚，呂晗愷，張 星

（山東港口集團青島港董家口分公司，山東 青島 266000）

1 研究目的、意義和國內外發展概況

1.1 研究意義

我國是糧食生產及消費大國，每年產出和進口量巨大，因此，做好糧食儲存的工作具有十分重要的戰略意義。隨著社會發展，糧倉的規模越來越大，倉內堆積層也越來越厚，而我國目前糧食儲存業的清倉工作，大部分還保留著人工作業方式，不僅速度慢、勞動強度大，且清倉效率低。同時，當糧倉內局部糧食發熱或異常時，需要做深挖處理，如果依靠人工，既不安全，勞動強度又大，效率極低。此外，受到糧食收獲期限的限制，每年的入庫時間較為集中，如果不能在短時間內完成糧倉的清倉工作，就容易錯過糧食的最佳存儲時間，還會導致其發熱、潮濕、生蟲，影響存儲安全及品質。因此，迫切需要設計一種替代人工進行清倉的機器人[1]。

1.2 研究目的

本研究目的在于降低清倉作業時人工的勞動強度、降低作業成本，確保人員安全作業生產，提高作業效率。通過遠程遙控技術能夠實時操控機器人的走位，杜絕因為清倉帶來的安全隱患；通過在機器人上增加氧傳感器、有毒氣體檢測等傳感器，可避免人員因為毒氣造成人身傷害。

1.3 國內外發展狀態

國外許多發達國家，例如美國在設計糧倉時奉行自動化理念，在入糧過程中將糧食倒入地漏，傳送帶將糧食傳送至谷倉上方，通過谷倉內管道落入糧倉中，入糧時實現自動平整。目前，幾乎沒有平倉機器人相關的文獻。對于糧倉的研究主要集中在遠程監控、糧倉溫度檢測、害蟲防治、精確的糧食儲量測量方面。有相關文獻總結了國外糧倉自動化的研究方向，并提到了一種在偏遠地區離線模式下的自動化糧倉方案。

國內對于糧倉機器人的研究，相較于其他領域而言還較少。大部分研究成果大同小異，主要分為固定式和移動式兩種。固定式糧倉機器人主要用于大型糧倉，相對來說成本和效率更高一些；移動式糧倉機器人主要用于小型糧倉。

綜合國內外糧倉機器人發展現狀，二者既有優點又有缺點，如果能將二者結合使用，效果會更好[2]。

2 研究主要技術路線

2.1 自適應螺旋車輪以及車體

傳統的機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法行走，或者因為糧食灑落在履帶內造成履帶損壞。本研究依托于螺旋齒輪的運動原理，在車體上增加8組大扇形結構，分別安裝于機器人車體的上方和下方，機器人正常行進的時候采用下方4個扇輪驅動，當機器人側翻或者完全翻轉后采用上方4個扇輪驅動前進。扇輪由8個伺服電機進行驅動，通過差速控制可以實現車體的旋轉、前進與后退功能。8個扇輪前端都配有一個可以伸縮的螺旋鉆頭，用于破損體積較大的糧食塊，同時，這8個螺旋鉆頭都具有前后移動的功能，并且結合小型空氣錘的原理，再配合螺旋鉆頭的高速旋轉，以確保平倉機器人在糧倉內可以進行平倉或者清倉等工作。

車體由鋁合金外殼上下裝配而成，內部主要集成了磷酸鐵鋰電池、機器人控制器、電機、無線模塊、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、氮氣傳感器等氣體檢測傳感器及攝像頭，車體暫估尺寸為68 cm×42 cm×45 cm，后期詳細計算尺寸可能略有變化。

2.2 自動避障系統

因為糧倉內布置了大量的光纖測溫傳感器，在機器人清理糧倉或者平倉過程中會出現碰撞光纖的現象，在螺旋扇輪前進的過程中有可能破壞測溫光纖或者清倉機器人。為了避免該問題，本研究在車體四周布置多個傳感器集群，當檢測到在碰撞范圍內有光纖時可以自動避讓，從而確保機器人在糧倉內能夠正常、安全的作業。避障系統可以利用遙控器手動關閉或者自動關閉，自動避障系統要求機器人具備一定的自動智能導航功能，導航地圖可以根據糧倉內的實際情況進行預存儲。自動避障系統采用的是磁性傳感器，用于檢測金屬或者塑料，防止機器人無法進行糧食預埋。

2.3 車體自平衡系統以及自行走系統

車體自動平衡系統是在8個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，當機器人爬坡或者進行深度清倉時，可防止機器人側滑影響作業。自動行走功能主要是系統內置導航地圖，配合避障系統可以進行自動行走或者預設軌跡的行走方式。內置的磷酸鐵鋰電池支持8 h的自動連續作業，當電池電量低于安全閾值時，機器人自動返航，由人工進行充電。

2.4 基于5G的無線數傳系統

為實現機器人在遠程端操控，需要內置一個5G芯片，通過筒倉外的天線配合遠程端進行操控。5G數傳系統包含一個遠程端和一個本地端，具有手機端操控功能和上位機軟件操控功能。其中，手機端可以顯示各種傳感器的測量數據、車體的前進后退和旋轉功能，以及一鍵返回功能；遠程端的上位機軟件可以實現多臺機器人的控制和信息回傳功能，包括但不限于傳感器狀態、電池電量、導航地圖、機器人位置、視頻等功能[3]。

2.5 基于人工智能AI的自動學習系統

雖然在車體上設計了8組螺旋扇輪，但是為了預防清倉過程中機器人傾倒的問題，本研究設定車體上的攝像頭進行自學習，該攝像頭可采用PYTHON人工智能軟件，對所有的作業環境進行預學習功能。如此一來，在傾斜的作業面清倉時，通過機器人反復的智能學習，具備一定的高度智能性，能夠根據作業環境提前規劃作業路徑，在提高作業效率的同時，降低機器人的電耗，提升機器人的整體作業能力。

2.6 機器人控制系統

機器人控制系統應該具備遠程控制功能和相關數據收發功能。同時，要兼容導航地圖、車體運轉控制、視頻AI學習等功能，以控制機器人在預定的作業環境內自由快速運行，從而保證機器人安全穩定的運行，有效提高作業效率。

2.7 氣體傳感器集成系統

氣體傳感器集成系統要求同時具備多種傳感器的測量，通過機器人控制系統和5G傳輸系統，將信息傳遞給上位機軟件。同時，根據測得的數據進行相關糧倉的維護和保養，從而避免其他安全隱患。

糧食筒倉智能清倉機器人的核心是通過雙行走機器人實現無人高效系統清倉。對此，本研究基于圖像基本原理，建立了清倉機器人路徑規劃導航模型，基于差速驅動、自適應螺旋車輪以及車體、增量式PID控制理論，建立了雙機同步導航模型，在車體的四周布置多個傳感器集群，從而確保機器人在糧倉內能夠正常、安全作業[4]。

3 系統實施方案

本項目的主要目標是實現對大型筒倉內壁糧食殘留的清掃。系統主要有3個組成部分：

（1）糧倉清掃系統。在糧食出倉時，清掃系統沿著倉壁及圓錐面行走，進行糧食殘留的清掃。

（2）糧倉支持系統。建立糧倉內部清掃機器人的運行環境，為其工作提供數據傳輸、位置確定等支持。

（3）遠程監控系統。實現對糧倉內部清掃過程的數據傳輸、遠程監控，其系統結構如圖1所示。

圖1 系統實施方案圖

3.1 系統工作過程

在糧食出倉時，清掃機器人根據糧食的出倉速度，通過攝像機判斷糧倉內的積料情況，啟動系統開始倉壁和錐面的清理工作。

通過監控攝像頭，查找倉壁的掛料位置，控制軌道圓環下降到合適位置，清掃機器人在軌道上進行倉壁殘留的清掃。監控有2種方式：一種是手持式便攜控制，方便近程測試、查看清掃機器人狀態；一種是計算機遠程監控，用于清掃過程的遠程監控。

當軌道圓環下降到錐面轉接處時，清掃機器人啟動錐面清掃程序，自動沿軌道運行，利用下方的絞龍（或刷子）進行錐面殘留的清掃。此外，清掃機器人在工作中，可根據傳感器信息及控制算法，自動進行姿態調整、障礙判斷等輔助性操作，方便人工控制清掃。

3.2 糧倉清掃系統

糧倉清掃系統主要包括運行導軌和清掃機器人2大部分，來完成倉壁和錐面糧食殘留的清掃工作。其主要結構如圖2所示。

圖2 清掃機器人結構組成示意圖

3.2.1 機械結構

清掃系統在結構上分為軌道系統和清掃機器人本體2個系統。軌道采用吊裝形式，可上下運動；清掃機器人采用輪式結構，能實現清掃機器人的移動、清掃、破碎等功能。

（1）軌道系統：軌道系統為清掃機器人運動提供橫向路徑，采用上下結構，上面是固定裝置，下面是軌道裝置。軌道系統使用吊裝機構從筒倉頂端固定，可在電機的控制下進行上下運動；軌道固定裝置上裝有固定裝置、滑輪等，用以固定軌道。

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

（3）工作結構：清掃機器人下端設置有清掃裝置和破碎裝置。清掃裝置是通過電機帶動清掃器旋轉，在機器人沿倉壁運行時進行倉壁清掃工作；在錐面時會自動彎曲，對錐面進行仿形，通過旋轉等操作對錐面殘留進行清掃。

3.2.2 控制模塊

控制模塊具有對軌道和清掃機器人的數據處理、動作控制及數據傳輸等具體功能，其主控模塊硬件包含以下2個部分：

（1）電機驅動模塊：采用ARM處理器作為核心控制器，實現對系統的檢測，其主要包含4個滑輪吊軌控制、1個清掃電機控制、1個破碎電機控制。其中，電機驅動模塊采用CAN總線與主控模塊通信；電機采用24 V直流減速電機。

（2）主控模塊：采用ARM Cortex-A53系列CPU，針對傳感器、視頻、傳輸等模塊進行控制。同時，主控模塊設置有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運動控制：通過對電機控制，實現軌道的上升、下降、鎖定，清掃機器人的前進、后退、清掃、破碎等動作。②傳感器信息融合：根據位置、姿態、視頻等傳感器的信息，計算合適的控制參數，保證清掃機器人安全工作。

3.2.4 傳感器模塊

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

3.2.5 通信模塊

通信模塊可實現清掃機器人與糧倉支持系統、遠程監控系統的數據交換。其中，控制數據、傳感器數據通過TCP/IP協議進行傳輸，視頻數據通過UDP協議進行傳輸。此外，通過倉頂部的無線模塊直接對接原有系統的光纖，可實現糧倉的全局監控和管理。

3.2.6 電源模塊

系統電池采用鋰電池，系統電壓直流24 V。電機工作電壓直流24 V；主板供電24 V，主板上設置有電源轉換模塊，將24 V電源轉換為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器人至少工作一個出糧周期（4 h），同時，當電池容量低于設定時，會自動進行報警提示。

3.3 糧倉支持系統

糧倉支持系統安裝于糧倉頂部，提供遠程監控的數據鏈路和清掃機器人的定位計算，包含以下2個模塊[5]。

3.3.1 定位模塊

在糧倉頂部設置定位基站，在移動機器人上安裝定位模塊，根據定位算法，實時判斷清掃機器人位置，定位精度在cm級，可滿足糧倉內機器人行走要求。

3.3.2 通信模塊

采用無線通信方式，可實現清掃機器人與遠程監控系統的數據通信。此外，無線模塊通過無線連接定位模塊、清掃機器人和遠程監控系統，可對定位模塊進行遠程數據更新。

3.3.3 供電模塊

系統主供電采用220 V（或380 V），主要為導軌吊裝系統電機控制系統供電。另外，直流電源模塊為24 V，主要用于為系統無線充電、通信模塊、定位模塊、傳感器等供電。

3.3.4 遠程監控系統

遠程監控系統可在監控室內對清掃機器人進行遠程操作。其包含以下幾個模塊。

（1）顯示模塊

顯示模塊用于顯示清掃機器人工作過程中的信息狀態，其采用數字孿生技術，將清掃機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、狀態信息（姿態、電池、位置等）、報警信息等。

（2）中繼通信

中繼通信采用防雷無線通信模塊，為數據通信提供橋接，可實現數據的遠距離傳輸。

（3）遙控模塊

遙控模塊采用工業遙控器，方便對圓環滑軌、清掃機器人的操作進行控制，其操作界面如圖3所示。

圖3 遙控模塊圖

3.4 吊裝系統

吊裝系統采用六點吊裝，配備防爆變頻電機驅動，電機側帶有速度反饋和位置反饋，能夠及時檢測電機的運行狀態和整體清倉機器的下方高度；內孔嵌套高耐磨塑料材質，可防止鋼絲繩斷裂。其結構安裝形式如圖4所示。

圖4 吊裝系統圖

4 經濟效益分析

（1）本設計能夠實現全過程糧系統清倉無人化、自動化作業，完全解決安全問題和作業效率問題；能夠有效解決筒倉環境惡劣、人工成本高、工作強度大等問題，年度可節約人力成本300萬元，節約設備設施維護費20萬元。

（2）本設計可有效解決機器人動力爬坡能力不足、易下陷等問題，且具有較好的續航能力，能夠適應長時間惡劣作業環境。同時，本設計采用人工智能、無線攝像頭、路徑規劃等技術，可實現效率最大化，提升生產效率60%以上。