一種物流機器人的設計與實現*

*基金項目：

1）廣東省普通高校特色創新類項目（自然科學）（2018GKTSCX056）

2）廣東普通高校重點項目（自然科學）（2019GZDXM014）

3）珠海城市職業技術學院2021年科研項目（KY2021Y01Z）

4）2020年教育部高等學校項目（2020ITA03008）

5）2022年廣東省科技創新戰略專項資金（pdjh2022b0992）

6）2021年校級質量工程師資項目（ZLJS2020120622，ZLJS2020120623，ZLJS2020120624）

0   引言

目前大部分的機器人都是基于ROS系統實現，一般ROS 在Ubuntu 系統中的穩定性最好，因此需要Intel或者高性能ARM 架構的CPU 的支撐，但存在的問題是硬件成本高，功耗高，產品的體積大。同時ROS 系統中有很多功能對于某些特定的應用場景而言是冗余的，這些冗余的功能會使系統龐大，占用很多內存和CPU的資源，而且機器人反應不夠靈敏，實時性較差。如果將ROS 移植到基于ARM 架構的低成本低功耗的CPU上，或者對ROS 系統進行裁剪以去掉冗余的部分，存在工作難度大周期長的問題，而且ROS 后期運行時不夠穩定。因此要設計一款在特定應用場景中運行的低成本低功耗的機器人，不應采用ROS 系統開發，而應根據具體需求采用適用于特定應用場景下的定制化的軟硬件設計方案，在降低成本功耗體積的同時可以提高系統的穩定性和實時性。

1   硬件設計

本文中所設計的物流機器人如圖1 所示，硬件部分由ARM 主板和單片機電路板組成，具體的硬件框架如圖2所示。

圖1 設計的物流機器人

圖2 硬件框架圖

其中ARM 主板采用了S5PV210 的CPU，帶有512MB的RAM和512 M的flash，LCD 觸摸屏，SD 卡插槽，3 個USB接口和4 個串口，運行嵌入式Linux 操作系統^[1]，如圖3 所示。利用該主板可實現機器人的激光雷達掃描，LCD 觸摸屏顯示，機器人與手機APP 之間的藍牙通信，運行mjpeg-streamer 的實時web 遠程視頻監控等功能。

圖3 ARM開發板

ARM 主板的CPU 是S5PV210，運行嵌入式Linux系統，嵌入式Linux 系統是非實時系統，無法準確讀取25 kHz 的光電編碼器的脈沖，因此用單片機進行電機控制和光電編碼器的脈沖讀取，單片機與ARM 主板之間用自定義的通信協議傳輸光電編碼器讀取的數據^[2]，如圖4 所示。

圖4 單片機主板

機器人外接模塊可以為機器人提供更加豐富的功能，如圖5 所示，其中USB 攝像頭用來提供機器人現場的視頻，USB-Wi-Fi 模塊用來將攝像頭的視頻傳輸到遠程客戶端的web 頁面，串口藍牙模塊用來和手機APP連接，飛控模塊包含GPS，陀螺儀，電子羅盤，加速度計等傳感器，并內置了傳感器融合等算法，為室內機器人判斷運動方向提供參考^[3]。

圖5 外接模塊

機器人可連接激光傳感器，該傳感器可以掃描周圍的環境，得到周圍6 m 范圍內的每個障礙物的角度和距離，如圖6 所示。

圖6 激光傳感器

2   軟件設計

2.1 單片機的軟件設計

機器人的直流電機連接著減速電機，因此光電編碼器一秒鐘可以讀入25 kHz 的脈沖，但嵌入式Linux 操作系統是非實時的操作系統，讀取脈沖不夠準確^[4]，因此用單片機來讀取25 kHz 的脈沖，并將脈沖值通過串口自定義的簡單協議傳給ARM 開發板。

單片機采用STC15F2K60S2，其中外部中斷0 和外部中斷1 分別用來讀取左右兩個電機的光電編碼器的脈沖，定時器0 設置為8 位重裝用以設置波特率為115 200。定時器1 每4 ms 中斷一次，在中斷服務程序里，生成可以驅動直流電機轉速的占空比，每200 ms 計算一次輪子的速度，假設兩個電機的光電編碼器的脈沖數為P，輪子轉一圈是25 000 個脈沖，輪子的半徑是r，則輪子的速度為2×3.14×9/25 000，并進行1 s 的定時^[5]。

串口中斷服務程序根據從ARM 板獲取到的串口信息控制兩個電機的啟動停止、轉動方向、設定速度，如圖7 所示，可通過手機APP 或者機器人的液晶觸摸屏上的按鈕控件來發送這些指令，因點擊按鈕是間斷性的動作，同時發送兩次設定速度的按鈕的時間間隔會比較久，所以在獲取設定速度時如果buffer^[2]的值有可能等于13，即’/r ’，也不會認為這是新的一條指令。

圖7 單片機串口中斷服務程序

主程序每秒鐘發送兩個電機的速度到ARM板，因嵌入式Linux 系統底層讀取串口數據是不定時的，很多情況下會讀取到一個不完整的包^[6]，考慮到機器人的速度不可能達到65 535 mm/s，因此可以將通信協議簡單設計如下：

當嵌入式Linux 讀到兩個連續的0xFF，則認為是一個新的包的開始，將后面接收到的數據存放起來，直到讀滿6 個字節再開始計算兩個輪子的速度。

主程序中每秒將計算設定速度的上下限，上限是設定速度的105%，下限是設定速度的95%，當電機的速度在上下限之間不需調節占空比，否則每200 ms 調節一次占空比。

圖8 發送實時電機速度的協議

2.2 嵌入式Linux的軟件設計

系統從QT 的TMainForm 進入后分別對mjpegstreamer，GPIO，串口，液晶屏，攝像頭進行初始化，并啟動QT 的定時器，每1 s 刷新一次控件。

在robot_start 的進程中設置一個死循環，不斷從串口0 連接的串口藍牙模塊來獲取手機APP 發送過來的命令并加以執行，同時不斷從串口3 連接的單片機來獲取機器人的速度，通過與設定的速度對比后向單片機發送占空比，并根據累積的脈沖數計算機器人行走的總里程和某時刻的朝向。

由于GPS 傳感器、陀螺儀、加速度計、磁力計和電子羅盤等傳感器在室內無法使用^[7]，該方法使用里程計信息對機器人的位置和角度進行計算，因此機器人的朝向可以通過剛體的運動計算得出。

圖9 嵌入式Linux的應用程序框架圖

移動機器人的輪子由電機帶動，輪子的直徑為D，則輪子的周長為，電機轉動的圈數m 可以由光電編碼器獲取，當機器人在前進或者后退狀態，移動機器人移動的距離S 可以由得到。

機器人在每1 s 求1 次角度，并計算角度的累計和，以此判斷出機器人的朝向，因為激光數據處理的進程也會對角度數據進行讀寫操作，因此在以上流程執行前需要加上互斥鎖mutex_lock，執行完畢后關閉互斥鎖^[8]。

串口3 連接飛控模塊，根據模塊提供的通信協議，每1 s 獲取1 次飛控模塊的經緯度的數據，經度和緯度數據都是4 個字節，需要拼接后得到十進制的經緯度，當機器人如果到室外運動時可以通過經緯度對機器人進行粗略的定位。

圖10 嵌入式Linux下液晶觸摸屏的QT界面圖

機器人每1 s 也會判斷設定速度是否發生改變，如果改變了就會根據新的設定速度計算占空比并下發到單片機，如果機器人按照設定速度來調整占空比，會出現機器人的速度忽大忽小的情況，因此將速度上限定為設定速度的105%，速度下限定為設定速度的95%，誤差率為±5%，當機器人的速度在速度的上下限范圍內則不用調整占空比，機器人可以運行得更平穩^[9]。

機器人的液晶觸摸屏采用QT 的圖形界面進行設計，其中界面布局可以在QT designer 中完成，并在QTdesigner 中直接添加槽函數^[10]，可通過qt_second() 函數每秒鐘對界面的控件進行刷新，當按鈕單擊后按鈕文本會發生變化，可通過PushButton->setText 函數完成按鈕文本的設計，同樣設定速度的輸入框可以通過LineEdit1->setText(QString::number(setup_speed)); 完成設計，單擊+、- 兩個按鈕可以修改機器人的設定速度，當機器人的設定速度大于1 m/s 或者小于0 時，彈出警告框QMessageBox::information(this,”Error”,“speed should be in range 0-999 mm/s”); ，設定速度、兩個電機的速度、經緯度數據可通過以下TextLabel2->setText(QString::number(setup_speed)+”mm/s”); 等函數完成顯示。

圖11 基于mjpeg-streamer的web遠程視頻監控

機器人通過以上mjpeg-streamer 組件的代碼完成了web 遠程視頻監控的功能，可在遠程打開firefox 瀏覽器看到機器人上攝像頭拍到的視頻^[11]，相關實現代碼如下：

激光探頭可以測量到周圍障礙物的距離和角度，當激光探頭發現在320° ~ 40° 的范圍內，在距離激光探頭1 m 的范圍內有移動障礙物，則變量stop_forward=1，否則該變量為0，該角度和距離可以根據實際機器人的情況做相應調整。同理當激光探頭發現在40° 到140° 的范圍內，在距離激光探頭1 m 的范圍內有障礙物，則變量stop_right = 1，否則該變量為0。如果變量stop_forward = 1，則此時機器人需要旋轉到某個角度，從周圍障礙物的縫隙中出去。

表1 終點角度和旋轉方向的關系

根據表1 的內容，移動機器人可判斷下一秒是前進、右轉、左轉或者后退，如果沿著終點角度的方向有障礙物，則根據表2 的判斷，移動機器人計算出一個與終點角度最近且縫隙間隔大于機器人寬度的角度，沿著該角度的中線方向移動出去^[12]。

表2 前方1米范圍內有障礙物時的判斷

可利用狀態機處理該部分代碼，一共有3 種狀態，第1 種是在左轉或者右轉中以尋找終點方位的狀態，第2 種是前進或者后退中不斷向終點靠近，第3 種狀態是尋找新的空隙的狀態。

圖12 機器人動作決策的狀態機圖

2.3 安卓端的軟件設計

圖13 Android APP

機器人通過串口藍牙模塊和安卓手機連接，主要修改的文件是安卓系統里的BluetoothChat.java 文件，以下是控件的初始化：

mInputEditText = (EditText) findViewById(R.id.editText1);

mInputEditText.setGravity(Gravity.TOP);

mInputEditText.setSelection(mInputEditText.

getText().length(),mInputEditText.getText().length());

mInputEditText.clearFocus();

mInputEditText.setFocusable(false);

mStartButton=(Button)super.findViewById(R.id.button_start);

forward=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_forward);

backward=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_backward);

left=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_left);

right=(ImageButton)super.findViewById(R.id.imageButton_right);

mStartButton.setOnClickListener(newShowStart());

forward . set On Click Listener(new Show Forward());

right.setOnClickListener(new ShowRight());

backward.set On Click Listener(new ShowBackward());

left.setOnClickListener(new ShowLeft());

mTitle = (TextView) findViewById(R.id.title_left_text);

mTitle.setText(R.string.app_name);

mTitle = (TextView) findViewById(R.id.title_right_text);

HEXCheckBox = (CheckBox) findViewById(R.id.radioMale);

breakButton = ( Button) findViewById(R.id.button_break);

mBluetoothAdapter = BluetoothAdapter.getDefaultAdapter();

checkBox_sixteen = (CheckBox) findViewById(R.id.checkBox_sixteen);

如果在APP上按下啟動按鈕，按鈕的文本會變成“停止”，同時向機器人的串口藍牙模塊發送”Start”字符串，機器人通過串口收到后調用start() 函數啟動機器人，以下是安卓端的具體實現。

APP 的其他控件介紹如下：buletooth data buffer 區域顯示的是機器人和安卓手機通過藍牙通信的數據，full screen 按鈕可將該區域全屏顯示，hex display 單選框可以切換該區域數據的十六進制和十進制的顯示，clear screen按鈕可以清空該區域的數據顯示，connect按鈕可以啟動或者關閉安卓手機和機器人之間的連接，stop按鈕可以啟動或者停止機器人，speed(mm/s)用來顯示機器人的實時速度，hex output 單選框用來切換速度的十六進制或十進制的顯示，longitude 顯示機器人所在位置的經度，latitude顯示機器人所在位置的緯度，angle需要輸入機器人相對于導航終點的朝向角度，distance需要輸入機器人相對于導航終點的距離，這是一種角坐標的表示，有了這兩個數據就可以確定導航終點相對于機器人的具體位置，laser scan stop 按鈕可以切換激光傳感器的啟動和停止，send speed 按鈕可以發送機器人的設定速度，send position 按鈕會將angle 輸入框和distance 輸入框的內容發送到機器人，以便機器人了解導航終點的位置，navigation 按鈕用來切換手動移動和自動導航模式，整體界面左下方的上下左右四個箭頭按鈕可以控制機器人前進，后退，左轉和右轉，界面右下方顯示機器人的實時速度，電機1 和電機2 的速度，以及距離機器人最近的障礙物的距離。

3   結束語

本文闡述了一種非ROS系統的定制化物流機器人的軟硬件設計方案，該設計方案可以節省機器人的成本和功耗，并增強了系統的穩定性和實時性，通過實驗驗證，機器人運行穩定高效，說明該設計方案具有一定的實用性和可靠性。

參考文獻：

[1] 毛文平,李帥永,謝現樂,等.基于自適應機制改進蟻群算法的移動機器人全局路徑規劃[J].控制與決策,2022,(2):19-25.

[2] 潘圓媛.物聯網環境下的移動機器人定位的應用[J].科技資訊,2022,20(16):20.

[3] 蘇青.多機器人路徑規劃與協同避碰研究[D].南京:南京郵電大學,2014.

[4] 鮑敦橋.仿真類人機器人設計及高層決策方法的研究[D].合肥:合肥工業大學,2009.

[5] 馬斌奇.多機器人協作與控制策略研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[6] 朱可平,王菲菲,吳加.移動機器人核心技術發展趨勢[J].物流技術與應用,2022,27(9):5.

[7] 毛福新,閆光輝,陳俏銳,等.智能物流場景搬運機器人系統優化[J].天津職業技術師范大學學報,2022,32(3):7.

[8] 韓雪峰.導盲機器人[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[9] 馬斌奇.多機器人協作與控制策略研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[10] 李橙,衛星,周游,等.基于激光視覺引導的智能物流分揀機器人控制研究[J].激光雜志,2022,43(8):43.

[11] 張文輝,齊乃明,尹洪亮.自適應神經變結構的機器人軌跡跟蹤控制[J].控制與決策,2011,26(4):4-6.

[12] 付曉艷,白雪,魏博凝.基于機器學習的物流自動分揀機器人定位精度檢測算法[J].自動化與儀器儀表,2022(8):5-9.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期）