高职院校实训区域智能运载AGV机器人

李嘉辉，张劲东，刘鹏宇，郑可建，王二利

（天津职业技术师范大学，天津，300222）

0 引言

我国近年来经济发展取得新成效，但随着经济快速增长以及结构转型，劳动力市场供应与需求不匹配，严重缺少熟练技术人才的问题仍亟待解决。为此各地高职院校纷纷建设公共实训中心，从人才的培养上解决该问题。但实训中心每天需要承担大量的学生实训工作，实训工具使用率呈持续增长，每天如何在实训前及时的、准确的为学生提供实训工具，实训结束后快速将工具入库、统计成了管理人员头疼的问题。本文研究的高职院校实训区域智能运载AGV机器人，通过融合相关技术，较好的解决了上述问题，具有十分良好的应用前景。

1 作品功能与特色

(1)路径规划—采用分布式体系结构，其各个功能模块作为相对独立的单元参与整个体系。主控单元与测控介入处理、姿态控制系统、轨道控制系统、数传、有效载荷控制等功能子系统相互独立为智 能体，由总线相连；主控单元为整个系统提供整体规划，以及协调、管理各子系统的行为。测控介入处理保证地面系统对整个系统任意层面的控制介入能力，可接受上行的使命级任务；自主完成主控单元发送的任务规划。

(2)无线充电—当AGV运载车的电量使用达到最低预设值时，将自动报警提示并在完成当前任务后自动前往最近的无线充电网点进行有序充电。同时无线充电时通过非接触式的磁场进行电能传输，很大程度上减少了安全隐患的出现，避免了不必要的硬件损耗。

(3)安全运行—车身四周环绕有雷达探测，可以准确规避路径上突然出现的故障，确保行驶安全。机械手部位装有限位开关，确保机械臂达到最大工作范围后能够及时报警停止，避免损坏；此外超出机械臂最大工作范围外还设有对射式光纤传感器以确保在机械臂工作工程中因人员无意间进入机械臂工作范围而造成伤害事故。

(4)应用广泛—机械臂法兰盘部位可以根据所搬运工件种类大小不同装载不同的抓取工具与满足用户更多的需求。

(5)工作环境要求小—AGV运载车以较小的车身体积为优点，可以在较为狭窄的工作区域进行精准作业，能够适应各种室内器件搬运工作。

2 系统硬件结构设计

硬件系统设计结构框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

AGV机器人由微处理器控制系统、视觉系统、驱动系统、传感器系统、语音系统、人机交互系统等部分组成。

微处理器控制系统：采用STM32H750VBT6高性能单片机，H7是ARM系列里ST公司最新研究出的高性能处理器，而且VBT6也是H7系列中性价比较高的产品，它含有了一系列的所有功能，比如Cortex-M7内核，400Mhz的主频率，还有1MB的SRAM，以及16K指令和缓存数据，单片机还集成了128KB等待得FALSH，而且价格还很合适，非常适合高性能嵌入式进行开发。这次使用H7系列的单片机结合红外光电检测技术和超声波检测技术,对AGV机器人的运动状态以及周边近距离障碍物、盲区等进行实时检测,确保AGV机器人的安全运行，在本次系统中使用了3个SPIFLASH，其中2个是主控的qspi FLASH，可用来储存代码，从而记录数据，另外一个就是用来与串口屏进行数据交互。

图2 ZVS电路

视觉系统：采用OpenMv H7 PLUS摄像头。使用内置Template Matching模板匹配检测工具的摆放位置，自动生成三维位置坐标，并将工具使用前后的完整程度记录下来，Sensor是摄像头中的一个感光模块，其实主要用于设置光元件的参数，这个模块在硬件上可以设置为两种识别方式，一个是彩色，其次就是设置的黑白色。

图3 两种基本结构模型

灰度每个像素大约是8bit，而彩色的每个像素是16bit。识别工具时就会随机拍取一张照片，就会更改一些设置，跳过一些帧等操作，最后等待元件变稳定。采集完工具的图像之后还会进一步进行模块匹配，匹配之前首先就是对采集时候的imagine参数引入，通过与STM32H750VBT6单片机USART通信的方式发送给微处理器。匹配的目标首先要用模板，而且模板图片的大小不能超过OpenMv的flash，如果超过模板的flash的话就要外加SD卡对数据进行保存。引入模板的图片需要用的是pgm的格式，而且大小也有限制，不能超过的OpenMv的格式大小，本次摄像头主要用来识别静态的工具，采用的是NCC算法，这只能匹配与模板图片和角度基本上一致的图案，也可以进行多角度的进行匹配，此情况就需要保存多个工具的模板。

无线充电系统：采用磁耦合谐振式无线充电技术，利用电磁波来进行能量的发送与接收。理论上从能量传输的角分析，改系统至少需要2个线圈才能进行无线电能传输，2个谐振线圈的结构被称作MCR-WPT的第1种基本拓扑结构。另外在两个谐振线圈的基础上又增加了2个感应线圈，使得电源线与发射线之间相互隔离，这个四线圈的结构为MCR-WPT的第2种结构。

本次智能运载AGV机器人无线充电系统主要运用的是两线圈结构，两线圈的量传输路径如图4所示，当电路回路接通时，电源给发射线圈供电，当发射线圈发生谐振的时，发射线圈中电容的电场能与电感线圈的磁场就会不断地进行能量的交换，而电感线圈中的磁场有一部分传输到接收端的电感线圈，再经过交变的磁场转变为电能，能量最终传递到接收端。同理在能量的接收端，接收线圈也会发生谐振，接收线圈中的电容的电场能也有电感线圈中的磁场能也在不断地进行能量交换，最终将能量传递给负载。

图4 两线圈能量传递

如图4所示，由基尔霍夫定律可知：

当发射端和接收端发生谐振的时，满足以下条件：

将（3）式结合基尔霍夫定律可得负载的功率为：

发送端将电力发出，同时接收端在经过转换后将接收到的电能传输给电池。整个系统可以分为两个部分：电力发送部分和电能接收部分。电力发送部分是将市电经过整流和逆变后转化为直流电之后在利用全桥逆变电路将直流电转换为高频交流电，借助磁耦合谐振原理将所产生的高频交流电通过磁场发送到接收端，作为接收部分的输入电压，之后再通过整流、滤波后，转换为小车所需的直流供给电池。

路径规划系统：以ti的tms320vc5416为中央处理器,配合以视频解码芯片和大容量存储器,完成图像的采集、处理和存储。主程序运行在dsp中,完成图像预处、模式识别等图像处理算法，自动识别地面路径，生成轨迹点并记录路面已存在的障碍物，待确定后,应用遗传算法进行路径规划。重新给定移动机械手的初始位姿及机械手末端的目标位姿,在移动机械手各广义坐标的工作范围内寻找一条无碰撞路径。也可以通过手动的方式确定机械手起始点坐标和目标点坐标，以及小车运行的轨迹点与距离，再自动计算生成可执行路径。

图5 系统机械结构图

声光报警指示电路：报警指示电路在自动控制系统中起着至关重要的作用，因此，任何一个完整的控制系统都会配合一套相应的报警指示电路。所以，结合自动控制系统的完整性和安全性，为控制系统设计了一套声光报警指示电路，声光报警指示电路由蜂鸣器和红、绿两种颜色的发光二极管构成。其主要的作用是在系统正常运行或者出现故障急停等状态时发出声和光的警示作用。给予工作人员提供听觉上和视觉上的提示，便于用户更好的掌握当前系统的运行状态。当系统处于正常运行状态时，主控单片机输出信号控制绿色发光二极管常亮进行提示，当系统出现故障或者急停时，主控单片机输出信号控制红色发光二极管常亮以及蜂鸣器发出报警声音进行提示。声光报警指示电路外围电路体积小，操作简单等特点。声光报警指示电路原理图如图6所示。

图6 声光报警指示电路

3 系统软件设计

软件系统设计流程图如图7所示。

图7 小车运输系统软件流程图

小车运输系统执行功能主要由小车运输路径获取、轨迹运动行为规划、起始位置姿态确认、路障规避、搬运物投放等组成。

当小车开始运行时，首先需要进行运输路径获取，可以选择由用户手动输入移动轨迹坐标点和初始化姿态坐标；也可以通过地图导入或者实际路况采集记录等方式进行小车运输路径输入。之后系统将通过输入的路径进行运算规划，自动生成运动轨迹并进行模拟运行测试，当生成的运动轨迹执行遇到困难或是外部因素所造成的执行阻碍时系统将重新进行轨迹规划，选择最适合的移动路径轨迹，直到能够最佳执行为止。运动路径轨迹生成后系统将生成新的指令传递给小车控制端，矫准小车与机械手位置，控制驱动电机动作消除偏差，确认目标位置，进行识别搬用。过程中实时监控外界环境，规避外来障碍或是报警提示，必要时紧急停止，以确保安全行驶。

整个搬运过程可视化，用户可以在终端设备上进行实时监控、预测，以达到高效、可控、安全性高等特点。

4 分析与结论

在这科技飞速发展的时代，一体化控制技术不断更新，基于四轴机器人的物流分拣系统可以随着一体化技术的更新，而进一步优化系统功能。本系统的设计打破了传统的人工手动分拣运送方式，系统能够持续的、长时间的进行自动分拣搬运工作，既有效的解决了传统的物流分拣工作中的难题。又体现了生产自动化技术的应用。不仅将小车与机械手完美结合在一起，实现自动搬运控制；同时又融入了轨道规划，自动识别等技术，使系统能够更加安全、精准的进行搬运工作。对应不同的物品或工具选用适合的搬用手爪可以实现多种多样的物品运输，以满足与不同的工作场合。如实训工具的自动拾取与搬用以及精准投放。整个系统以灵巧便捷著称，可以满足与各种狭窄的工作路径与范围，具有广泛的应领域以及推广空间。