仓储搬运机器人控制系统设计

衡 蜓

（山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800）

1 设计要求

要求所设计系统具有如下5项功能。

1.1 导航定位功能

机器人在作业时，需要有精确的路线引导与位置定位，这样可以准确的完成工作人员下达的指令。

1.2 搬运货物功能

此类机器人应具备搬运大型货物的能力。在实际的动作空间内，机器人需要进行稳定的直线行走，遇到弯道可以及时进行转弯，这样可以全面的完成各种运输任务。

1.3 无线通信功能

可以实现机器人与管理中心的信息交流。包括管理中心向机器人下达任务指令，机器人向管理中心发送有关其方位、电池、工作情况等数据，对自身情况进行即时反馈。

1.4 安全避障功能

利用传感器检测周围环境的情况，是否存在影响作业的障碍物，如若发现立即采取规避措施，确保机器人在操作作业中的安全。

1.5 自充电功能

机器人的研究主要为提高工作效率，不受工作时间的限制。所以机器人应具有自主充电的技术。

2 系统方案设计

该系统包括6个模块：①电池及其管理模块；②主控制模块；③运动控制模块；④导航定位模块；⑤避障模块；⑥无线通信模块。

3 系统硬件设计

3.1 电源模块

在实际工作中，不同模块工作起来的电压也不相同，主要用到的有24 V，5 V和3.3 V。为了将24 V电压转换为5 V电压，本设计采用汇众隔离型HZD10W_24S05模块。5V变换3.3 V电压模块装置采用具有延迟复位的芯片，所以不需要再添加额外的电路加以辅助。

由于锂电池的特性，过低的电池电压会加速电池的损耗，降低电池的性能，所以机器人所装备的锂电池在充电前的剩余电量不能过低。为了保证机器人能不间断工作，每当电量消耗过半时，仓储机器人应自主行至充电区域进行充电。

3.2 运动控制模块

对于机器人来说，运动控制的方式主要包括两种：第一种是对机器人的速度和方向控制，即机器人的驱动轮控制。第二种是控制升降机构，即控制电动缸，以便完成货架的升降。

由于本设计选择的MSP430F5438具备内置定时器。在工作时可以产生脉宽调制脉冲信号，驱动器的内部将脉冲信号加以放大，最后转变为控制信号从而控制电机的运行。但由于电气驱动器的输入信号需要高电平，且单片机的输入电压与编码器的输出电压不同，所以需要将输入输出电平相匹配。本控制系统选择的编码器可以实现双相正交输出。因为该控制系统使用的是5 V电源，而单片机的输出电平却要求3.3 V，所以为了避免出现芯片烧坏的情况，必须加上电平匹配芯片。电平转换由SN74LCX245进行。

选定的编码器对机器人的速度进行采集。本设计采用加装减速器的500线编码器，正常情况下电机旋转一圈可以实现500个脉冲的输出。减速比为1∶30。当接收到脉冲时，计数会自动加1。同时，将系统的采集时序规定在一个值，设定编码器采集间隔t为15 ms，通过单位时间的测量，可以获得编码器运动距离d，并根据方程式计算出机器人的速度信息。

他们说：“画院要通过对自己的成果，对社会的贡献，对艺术的成就去赢得领导和社会的支持，尤其是要赢得同行的认同，这样才能彰显出画院的价值和存在的意义。”

3.3 导航定位模块

机器人的跟踪传感器使用的是型号为SEN1665的灰度传感器。传感器输出幅度为5 V的高电平信号，而芯片允许输入电平为3.3 V，同样为了避免出现意外，也需要进行电平转换，使用SN7LCX245芯片来实现。机器人配备有一排8位灰度传感器。两个传感器之间的间隔为1.5 cm。可检测10.5 cm宽的准线，准线宽度为3 cm。灰度传感器输出方式为数字电平，可以通过单片机的I/O口存储信息。所以当检测到黑色线或深色线时，输出高电平。在检测到白色线或浅色线时，输出低电平。

本控制系统采用隔离式收发器，此模块可以直接嵌入控制电路板中，能有效提高系统的稳定性。同时此模块具有电源隔离和电气隔离的功能。在模拟操作环境下，在地面设置二维码进行机器人定位。每个二维码都带有方位信息。机器人的底部装有一个特殊的模块，当机器人底下的模块扫描二维码，并获取当前二维码的方位信息，从而获取机器人的定位信息，并通过无线通信模块将方位信息传送到管理中心。惯性导航模块也采用了隔离收发器进行信息交互，与二维码扫描模块的电路设计类似。

3.4 无线通信模块

机器人接收指令的工作过程是通过上位机、路由器、转换器和控制系统合作完成。在此过程中，二者遵守一定的协议，此协议选用相同格式长度帧。以确保二者通信无阻碍。由于无线通信使用的是RS485模块，所以它的输出要进行电平转换。以避免实际操作中出现意外。通过转换可以将TTL电平转换为差分电平。同时，为了实现管理中心与单片机之间的无线通信，必须将接口电路连接到ZLAN转换器上。

3.5 安全避险模块

机器人在实际操作作业过程中能否主动识别出环境变化，如果发现障碍物，机器人必须立即停止移动。将OMRONE3Z-D62型漫反射红外光电传感器用于机器人安全避障装置。

4 系统软件设计

通过一系列的功能需求分析，仓储机器人必须具备周围数据的采集，与管理中心的无线通信和货物运输等功能。同时，机器人需要能够接收上位机的启动和停止指令，并意识到在接收上位机指令后，货架可以顺利放置，货架上的货物可以运输到工作区，然后返回出发区。在此过程中，机器人还需将机器人状态和任务信息向上位机反馈。

在此基础上，将整个嵌入式软件系统分成6个模块：主功能模块提供主要的信息循环，主循环将每个模块的子程序进行组合，等待指令的下达和最终的调用。

初始化模块是为了保证单片机中的各个模块能够按照预期的目的进行工作，即对单片机的初始化。同时对其他的模块也有一定的初始化。

数据采集模块主要采集各传感器中的数据，其中就包括编码器脉冲数据反馈和处理，从而可以获得机器人当前的速度信息。从惯性导航输出中获取偏航角信息，得到机器人当前的偏航角信息。通过扫描二维码地标信息，得到机器人的当前方位信息；对于机器人，收集灰色传感器的水平值，以获得机器人必须校正的偏移信息。通过采集蓄电池电压信息，得到机器人的当前电量信息。

运动控制模块主要控制机器人进行合理的货物搬运路径，以及机器人货物重量的控制。控制驱动电机来实现对机器人货物搬运速度与方向的控制，通过控制电动杆的控制实现对货物的速度与位置的控制。

无线通信模块可以让机器人与管理中心通过无线进行信息的传输。管理中心向机器人发送指令，机器人可以接收指令并将数据反馈给主机，做到机器人和主机之间交换信息。

5 系统调试

5.1 硬件调试

为保证本设计的设计结果能正常运行，对硬件进行了调试。调试部分主要包括主控制模块、运动控制模块、导航定位模块、安全避障模块和无线通信模块的调试。

5.2 软件调试

控制系统软件调试，采用IAREmbedded Workbench IDE软件进行构建。编写程序后，通过JTAG模拟器，进行实时在线仿真、单步调试、断点调试和监控变量

5.3 联合调试

在总体安装完成后，对控制系统的硬件和软件将进行整体调试，主要包括：打开电源、观察机器人的每个部件是否正常显示、测试机器人是否能正确确定设定的路径、是否能提取货物并准确送达以及在行走时遇到障碍时是否能及时停止。对机器人在不同扰动下的运行状态不断测试，再调整数据与控制方式，优化了系统的性能。