基于多传感融合的高效智能搬运机器人.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期基于多传感融合的高效智能搬运机器人杨 毅,刘 俨,覃思源,林中岚(广西师范大学 电子与信息工程/集成电路学院 广西 桂林 541000)【摘摘要要】设计一种基于多传感融合,采用 STM32F407 系列平台的高效智能搬运机器人,解决常规机器人在搬运物料时效率低的问题。创新设计的多物料抓取装置,自主研发的电器驱动,采用颜色传感器、二维码模块、激光传感器等实现了搬运机器人对物料的高效搬运。同时,对颜色传感器采用均值滤波算法和数据分析,对机器人采用循迹 PID 算法和路径规划,确保机器人能够正确搬运目标物料。经过多次系统测试验证,该智能搬运机器人能够平稳高效运行,且准确完成任务。【关关键键词词】搬搬运运机机器器人人;颜颜色色传传感感器器;硬硬件件设设计计;循循迹迹算算法法【中中图图分分类类号号】TP242 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0220-040 引言我国物流行业迅速的发展,使得物流搬运机器人需求不断增加1。本文研究设计一种智能搬运机器人,解决单个和多个物料的抓取问题。设计的高效机械抓取装置,使搬运机器人在面对抓取多个物料时,可达到一次性抓取的效果。本设计模拟工业物流搬运机器人在场地上的行驶路线如图 1 所示,机器人在 HOME 区启动出发,所有物料搬运完毕后返回 HOME 区。其中,位置 14 标号为单个物料放置区,场地顶部为多物料放置区。该机器人使用STM32F407 系列芯片为主控2,搭配自主研发的电机驱动器运行。采用八路灰度传感器模块对路面信息进行采集。采用颜色传感器,二维码模块获取物料放置的位置信息,创新性采用五轴中心抓取圆盘对多个物料进行抓取,大幅度提高物料的抓取效率。图 1 搬运机器人行驶路线图1 系统方案机器人需在图 1 场地上完成两个任务,任务一在HOME 区出发后,首先前往单个颜色物料放置地点,使用单个物料抓取装置,搬运具有不同颜色的物料,并放置在与物料颜色相同的目标地点。完成任务一颜色物料放置后返回 HOME 区,并开始任务二。扫描二维码获取具有序号的物料搬运信息后,机器人到达任务二多物料放置地点附近,通过机器人的上层机械结构抓取物块,把具有序号的物料搬运放置至指定地点后返回 HOME 区,结束运行。1.1 机器人总体设计采用 solidworks 设计的高效搬运机器人如图 2 所示。该搬运机器人选用四个直流减速电机3,相比于两轮式机器人,极大地提高了机器人运动过程中的稳定性,搭配可高速移动的底盘,有效解决机器人动力不足的问题。通过PWM 控制电机的差速,并采用 PID 循迹算法,达到前行、后退、转弯等运动效果。对于单个物料的抓取,采用机器人前方的单个物料抓取装置,抓取速度快,效果稳定。为解决多个物料抓取的问题,设计多物料抓取装置,实现多个物料同时抓取。车身上装配高精度多自由度的机械臂,机械臂可完成指定动作,便于多物料装置对于物料的抓取。图 2 搬运机器人整体装配图1.2 系统模块的选取系统采用 GY-33 TCS34725 颜色传感器,该模块工作电压 35 V,具有功耗小、体积小、安装方便等特点,其工作原理是照明 LED 发光,照射被测物体,返回光经过滤镜检测 RGB 的值,主控根据 RGB 的比例值,通过算法进行数据处理推算出物料的具体颜色,该模块可采用集成电路总线(inter-integrated circuit,IIC)通信,节省了主控的串口资源。采用二维码识别模块,能在复杂的环022信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期境下保持高速,稳定的读码能力,可对二维码信息进行直接解码,通过串口与主控进行通信,将信息直接发送至主控板。对于机器人的循迹方案,采用八路灰度传感器,通过串口读取灰度传感器的信息,对电机的差速进行调节,采用位置式的 PID 算法,达到稳定的循迹效果。选取单路灰度放置在机器人两侧,通过检测机器人车身经过的黑色辅助线来判断机器人的位置。在放置物料时,要求对物料放置的位置准确,故使用激光传感器对机器人的位置实现精准的定位效果。搬运机器人搭配2.8 寸(4.27 cm5.69 cm)LCD 显示屏,可以观察到各个传感器返回的实时数据,由此判断传感器检测的数据是否有效。系统硬件框图如图 3 所示。图 3 搬运机器人系统硬件框图2 系统硬件设计2.1 高效抓取结构常规的搬运机器人一次只能抓取一个物料,效率低,花费时间长。本设计的高效的多物料抓取结构由一个圆盘,一个支撑圆柱,五个小舵机和五个活页爪组成。由常规的单个物料抓取,变成一次抓取多个物料,大大节省抓取的时间。通过主控对机械臂的控制,使该装置置于多物料放置区的正上方。活页爪由舵机控制,主控输出 PWM驱动舵机即可控制活页爪的开合,活页爪闭合与支撑圆柱形成相互作用抓取物料。高效抓取结构如图 4 所示。图 4 高效抓取结构图2.2 主控制器选择为达到高效搬运的目的,系统选择 STM32F407 系列芯片作为主控器,该芯片内集成浮点处理单元(floatingpoint unit,FPU)和 数 字 信 号 处 理 器(digital signalprocessor,DSP)指令。芯片的引脚功能丰富,响应速度快,具有串口、串行外设接口、IIC 等多种数据传输功能,可配置的模数转换(analog-to-digital converter,ADC)采样精度高达 12 位,且完全满足系统所需的多路 PWM 输出。该芯片满足系统对数据采集和识别,实时控制机器人运行的需求。2.3 直流减速电机驱动选择机器人对于电机的驱动有着严格的要求。本设计采用 BTN8982TA 芯片自主设计电机驱动器。BTN8982TA芯片是一款用于电机驱动应用的集成大电流半桥驱动器,有着高效率、发热量低的优点。该器件可连接到微控制器,具有逻辑电平输入、电流检测诊断、过温、欠压、过流和短路保护的功能。该芯片能够结合主动续流高 PWM 频率,很好地实现主控对于电机速度的控制。且此芯片体积小,在设计印制电路板(printed circuit board,PCB)时空间占用率极低。3 系统软件设计机器人程序运行流程图如图 5 所示。系统上电开始后进行系统初始化,主控通过串口读取灰度传感器采集的路面信息,使用位置式 PID 算法进行直线循迹至各个目标点,机械装置抓取目标物料并进行搬运放置。任务一完成后,返回 HOME 区进行扫码,获取任务二的目标数据后出发至物料区,使用机械臂和抓取结构抓取物料,完成放置后,返回 HOME 区,结束程序。图 5 机器人运行流程图3.1 颜色识别算法机器人在执行任务一时,需要对不同颜色的物料进行区分,具体颜色为:红、蓝、绿、黑、白五种。通过颜色传感器可以读取实际物料具体的 RGB 值,如表 1 所示。为保持系统的稳定性,需要机器人对物料的 RGB 值进行多次采集,采用均值滤波算法得到稳定的 RGB 值后对数据进行分析。当 RGB 值均大于 200 时,可以认定该物料颜色122信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期为白色。当 RGB 值均小于 60 时,可以认定该物料为黑色。否则,排除物料为黑白两种颜色的可能。若颜色为红、蓝、绿三种颜色中的一种,则比较 RGB 数据中的最大值,R 值最大为红色,G 值最大为绿色,B 值最大为蓝色。表 1 颜色传感器实际读取物料的 RGB 值颜色RGB红2003732蓝3435103绿3512430黑373334白2552552553.2 自循迹算法在控制算法中 PID 算法是最经典的一种算法,循迹是完成搬运的前提,稳定的循迹方案是精准投放物料的关键所在。本设计是采用灰度传感器采集得到路面信息,采用基于模糊路径的控制策略4实现循迹效果。灰度传感器检测循迹黑色辅助线和传感器的相对位置,从而判断车身的偏离程度。PID 误差控制器主要由比例、微分、积分三个单元组成。其中,Kp为控制器的比例系数,Ti为控制器的积分系数,Td为控制器的微分系数。引入误差 e,当 e 较大时,Kp取值大而 Ti 取零值,提升响应速度;当误差 e 减小时,Kp取值减小而 Ti 取值小,防止超调。当误差 e 较小时,Td可取零值实行比例积分 PI控制。3.3 路径规划算法搬运机器人的路径规划目的是准确地到达目标地点,过程中机器人车身会途径多条黑色辅助线。采用状态机的思想对途经的黑色辅助线进行计数5。使用辅助的单路灰度传感器对路面情况进行检测,单路灰度检测白色地面返回值为 0,检测到黑色辅助线返回值为 1,机器人车身每经过黑色辅助线,两侧的灰度传感器的返回值会发生变化,当主控检测到返回值发生的变化为 0 变成 1 再变成 0时,对于黑色线计数值加一,表明机器人车身经过一条黑色线,机器人判断经过黑色辅助线的数量,结合循迹算法,机器人可以判断是否到达目标地点。机器人在 HOME 区出发后,选择直线循迹6,在实践测试中发现,若机器人走外圆弧路径,则机器人左右电机的速度差难以控制,故机器人在沿直线路径运动时比沿曲线路径运动要平稳。3.4 精准放置物料算法采用激光传感器对机器人的位置进行精准的定位。激光传感器的高灵敏度大大提高了机器人在运动过程中的定位效果。主控器通过 IO 口的上拉输入读取传感器的返回值。若识别到黑色辅助线,传感器返回高电平,若识别到白色地面,则返回低电平。当机器人靠近物料放置区时,激光传感器实时检测路面情况,当检测到黑线,机器人立即停下,实现精准定位。4 系统测试4.1 机器人搬运测试方案对本系统进行测试时,确保机器人在光照充足条件下进行,目的是验证机器人在日常场景运行的稳定性。在对系统整体测试之前,先对多个传感器进行不少于 100 次的测试,确保各个传感器能够稳定获得机器人所需信息后,使用秒表记录机器人在各个工作能力所需要的时间,机器人在多次运行后,取所需时间的平均值作为测试结果。4.2 机器人搬运测试结果颜色传感器经过白平衡校准,均值滤波算法以及相应的算法分析,识别颜色 RBG 值稳定,在各种环境光下推算颜色的准确度可达 100%。二维码模块集成度高,使用简便,返回的数值为十六进制数,在多次测试中发现,二维码识别范围可达到 40 cm40 cm,识别速度约为 0.5 s。为体现高效搬运机器人的搬运能力,对各搬运能力时间做出测试,测试结果如图 6 所示。图 6 搬运机器人搬运测试结果4.3 测试结果分析(1)颜色识别的准确性得益于滤波算法得到稳定RGB 值,并通过识别算法分析具体的物料颜色。二维码模块识别准确性高,速度完全满足系统需求。(2)机器人在多次测试中,依靠位置式 PID 对车身的矫正和路径规划算法机器人运行稳定,且在机器人保证搬运物料完全正确的情况下,搬运所需时间短,效率高,集中体现在高效抓取装置省去了机器人多次往返抓取物料的必要性。5 结语综上所述,本文研究设计了一种基于多传感融合的高效智能搬运机器人,采用 STM32F407 作为主控制器,自主研发的电机驱动器工作,能够识别不同颜色的物料及二维码信息,并把物料准确无误搬运至目标点。在面对多个物料的抓取时,创新性的高效抓取结构解决了传统机器人搬运效率低的问题。采用 PID 算法对机器人的车身进行矫(下转第 226 页)222信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 5 记录回放软件界面 (3)点击“播放”按钮,软件按照时间顺序,依次显示查询时间段内的数据内容,数据内容与查询界面中数据保持一致,说明记录回放正常运行。(4)拖动进度条到某个时刻开始回放,软件快速查找到此刻的记录数据内容,开始回放。测试结果表明,记录回放功能均正常运行。4 结语综上所述,本设计采用跨平台的 Qt 图形用户界面开发框架,利用 MySQL 数据库实现底层数据的管理和维护,设计了数据记录回放功能,并进行了具体开发、实现及验证。该方法能够实现数据的实时记录和历史记录回放,提高了运维人员分析数据能力,提高了系统的可维护性,具有良好的应用价值和推广价值。【参考文献】1 雷停.基于 QT 的跨平台网络通信的设计与实现 J.网络安全技术与应用,2014(5):92-96.2 李荣国,王见.MySQL 数据库在自动测试系统中的应用J.计算机应用,2011,31(S2):169-171.3 鞠时光,蔡涛,张小红.动态数据记录存储结构的设计J.计算机工程与科学,2002,24(4):57-59.4 叶中脉,秦开宇,陈华伟,等.基于 Qt 的航电仿真系统记录回放模块设计 J.电子测试,2011(10):22-26,61.5 杜乃瀚.基于 QT 的应用集成开发平台设计与实现J.新一代信息技术,2022(5):132-134.作者简介:何川(1991),男,湖北荆门,硕士,工程师,研究方向:嵌入式软件研究。(上接第 222 页)正,确保机器人平稳,快速移动。该搬运机器人的结构,硬件设计,软件算法经过实践证明了机器人对于物料搬运的高效性,准确性和可靠性。对于实际工业物料搬运机器人有一定的参考意义。【参考文献】1 乔宁宁.工业机器人技术的发展与应用分析J.新型工业化,2021,11(11):85-87.2 韦创炜,陈世龙,周晓倩,等.基于 STM32F407 单片机的纸张计数装置设计J.电子制作,2022,30(2):3-5,22.3 刘俊秘,李梦阳,高晨浩,等.基于 Arduino 与机器视觉的智能物流搬运小车J.电子制作,2022,30(19):31-34.4 姜颖韬.自循迹智能车模糊 PID 路径控制系统设计J.制造业自动化,2015,37(10):113-116.5 李振宇.基于 Arduino 技术的光电搬运机器人设计与编程(一):循线技术与线路控制 J.首都师范大学学报(自然科学版),2021,42(4):8-11.6 孙静,叶紫萱,高杰,等.一种光电循迹的搬运机器人电路设计J.福建电脑,2021,37(11):70-75.作者简介:杨毅(2001),男,广西桂平,本科,研究方向:机器人运动控制。622