一種物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*基金項(xiàng)目：

1）廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2018GKTSCX056）

2）廣東普通高校重點(diǎn)項(xiàng)目（自然科學(xué)）（2019GZDXM014）

3）珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年科研項(xiàng)目（KY2021Y01Z）

4）2020年教育部高等學(xué)校項(xiàng)目（2020ITA03008）

5）2022年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金（pdjh2022b0992）

6）2021年校級質(zhì)量工程師資項(xiàng)目（ZLJS2020120622，ZLJS2020120623，ZLJS2020120624）

0   引言

目前大部分的機(jī)器人都是基于ROS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般ROS 在Ubuntu 系統(tǒng)中的穩(wěn)定性最好，因此需要Intel或者高性能ARM 架構(gòu)的CPU 的支撐，但存在的問題是硬件成本高，功耗高，產(chǎn)品的體積大。同時(shí)ROS 系統(tǒng)中有很多功能對于某些特定的應(yīng)用場景而言是冗余的，這些冗余的功能會使系統(tǒng)龐大，占用很多內(nèi)存和CPU的資源，而且機(jī)器人反應(yīng)不夠靈敏，實(shí)時(shí)性較差。如果將ROS 移植到基于ARM 架構(gòu)的低成本低功耗的CPU上，或者對ROS 系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行時(shí)不夠穩(wěn)定。因此要設(shè)計(jì)一款在特定應(yīng)用場景中運(yùn)行的低成本低功耗的機(jī)器人，不應(yīng)采用ROS 系統(tǒng)開發(fā)，而應(yīng)根據(jù)具體需求采用適用于特定應(yīng)用場景下的定制化的軟硬件設(shè)計(jì)方案，在降低成本功耗體積的同時(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

1   硬件設(shè)計(jì)

本文中所設(shè)計(jì)的物流機(jī)器人如圖1 所示，硬件部分由ARM 主板和單片機(jī)電路板組成，具體的硬件框架如圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)的物流機(jī)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(gè)USB接口和4 個(gè)串口，運(yùn)行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)^[1]，如圖3 所示。利用該主板可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的激光雷達(dá)掃描，LCD 觸摸屏顯示，機(jī)器人與手機(jī)APP 之間的藍(lán)牙通信，運(yùn)行mjpeg-streamer 的實(shí)時(shí)web 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等功能。

圖3 ARM開發(fā)板

ARM 主板的CPU 是S5PV210，運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，嵌入式Linux 系統(tǒng)是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，無法準(zhǔn)確讀取25 kHz 的光電編碼器的脈沖，因此用單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)控制和光電編碼器的脈沖讀取，單片機(jī)與ARM 主板之間用自定義的通信協(xié)議傳輸光電編碼器讀取的數(shù)據(jù)^[2]，如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)主板

機(jī)器人外接模塊可以為機(jī)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(jī)器人現(xiàn)場的視頻，USB-Wi-Fi 模塊用來將攝像頭的視頻傳輸?shù)竭h(yuǎn)程客戶端的web 頁面，串口藍(lán)牙模塊用來和手機(jī)APP連接，飛控模塊包含GPS，陀螺儀，電子羅盤，加速度計(jì)等傳感器，并內(nèi)置了傳感器融合等算法，為室內(nèi)機(jī)器人判斷運(yùn)動(dòng)方向提供參考^[3]。

圖5 外接模塊

機(jī)器人可連接激光傳感器，該傳感器可以掃描周圍的環(huán)境，得到周圍6 m 范圍內(nèi)的每個(gè)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(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的直流電機(jī)連接著減速電機(jī)，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(tǒng)是非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，讀取脈沖不夠準(zhǔn)確^[4]，因此用單片機(jī)來讀取25 kHz 的脈沖，并將脈沖值通過串口自定義的簡單協(xié)議傳給ARM 開發(fā)板。

單片機(jī)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(gè)電機(jī)的光電編碼器的脈沖，定時(shí)器0 設(shè)置為8 位重裝用以設(shè)置波特率為115 200。定時(shí)器1 每4 ms 中斷一次，在中斷服務(wù)程序里，生成可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的占空比，每200 ms 計(jì)算一次輪子的速度，假設(shè)兩個(gè)電機(jī)的光電編碼器的脈沖數(shù)為P，輪子轉(zhuǎn)一圈是25 000 個(gè)脈沖，輪子的半徑是r，則輪子的速度為2×3.14×9/25 000，并進(jìn)行1 s 的定時(shí)^[5]。

串口中斷服務(wù)程序根據(jù)從ARM 板獲取到的串口信息控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)停止、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、設(shè)定速度，如圖7 所示，可通過手機(jī)APP 或者機(jī)器人的液晶觸摸屏上的按鈕控件來發(fā)送這些指令，因點(diǎn)擊按鈕是間斷性的動(dòng)作，同時(shí)發(fā)送兩次設(shè)定速度的按鈕的時(shí)間間隔會比較久，所以在獲取設(shè)定速度時(shí)如果buffer^[2]的值有可能等于13，即’/r ’，也不會認(rèn)為這是新的一條指令。

圖7 單片機(jī)串口中斷服務(wù)程序

主程序每秒鐘發(fā)送兩個(gè)電機(jī)的速度到ARM板，因嵌入式Linux 系統(tǒng)底層讀取串口數(shù)據(jù)是不定時(shí)的，很多情況下會讀取到一個(gè)不完整的包^[6]，考慮到機(jī)器人的速度不可能達(dá)到65 535 mm/s，因此可以將通信協(xié)議簡單設(shè)計(jì)如下：

當(dāng)嵌入式Linux 讀到兩個(gè)連續(xù)的0xFF，則認(rèn)為是一個(gè)新的包的開始，將后面接收到的數(shù)據(jù)存放起來，直到讀滿6 個(gè)字節(jié)再開始計(jì)算兩個(gè)輪子的速度。

主程序中每秒將計(jì)算設(shè)定速度的上下限，上限是設(shè)定速度的105%，下限是設(shè)定速度的95%，當(dāng)電機(jī)的速度在上下限之間不需調(diào)節(jié)占空比，否則每200 ms 調(diào)節(jié)一次占空比。

圖8 發(fā)送實(shí)時(shí)電機(jī)速度的協(xié)議

2.2 嵌入式Linux的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從QT 的TMainForm 進(jìn)入后分別對mjpegstreamer，GPIO，串口，液晶屏，攝像頭進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)QT 的定時(shí)器，每1 s 刷新一次控件。

在robot_start 的進(jìn)程中設(shè)置一個(gè)死循環(huán)，不斷從串口0 連接的串口藍(lán)牙模塊來獲取手機(jī)APP 發(fā)送過來的命令并加以執(zhí)行，同時(shí)不斷從串口3 連接的單片機(jī)來獲取機(jī)器人的速度，通過與設(shè)定的速度對比后向單片機(jī)發(fā)送占空比，并根據(jù)累積的脈沖數(shù)計(jì)算機(jī)器人行走的總里程和某時(shí)刻的朝向。

由于GPS 傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和電子羅盤等傳感器在室內(nèi)無法使用^[7]，該方法使用里程計(jì)信息對機(jī)器人的位置和角度進(jìn)行計(jì)算，因此機(jī)器人的朝向可以通過剛體的運(yùn)動(dòng)計(jì)算得出。

圖9 嵌入式Linux的應(yīng)用程序框架圖

移動(dòng)機(jī)器人的輪子由電機(jī)帶動(dòng)，輪子的直徑為D，則輪子的周長為，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)m 可以由光電編碼器獲取，當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)或者后退狀態(tài)，移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的距離S 可以由得到。

機(jī)器人在每1 s 求1 次角度，并計(jì)算角度的累計(jì)和，以此判斷出機(jī)器人的朝向，因?yàn)榧す鈹?shù)據(jù)處理的進(jìn)程也會對角度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，因此在以上流程執(zhí)行前需要加上互斥鎖mutex_lock，執(zhí)行完畢后關(guān)閉互斥鎖^[8]。

串口3 連接飛控模塊，根據(jù)模塊提供的通信協(xié)議，每1 s 獲取1 次飛控模塊的經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)，經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)都是4 個(gè)字節(jié)，需要拼接后得到十進(jìn)制的經(jīng)緯度，當(dāng)機(jī)器人如果到室外運(yùn)動(dòng)時(shí)可以通過經(jīng)緯度對機(jī)器人進(jìn)行粗略的定位。

圖10 嵌入式Linux下液晶觸摸屏的QT界面圖

機(jī)器人每1 s 也會判斷設(shè)定速度是否發(fā)生改變，如果改變了就會根據(jù)新的設(shè)定速度計(jì)算占空比并下發(fā)到單片機(jī)，如果機(jī)器人按照設(shè)定速度來調(diào)整占空比，會出現(xiàn)機(jī)器人的速度忽大忽小的情況，因此將速度上限定為設(shè)定速度的105%，速度下限定為設(shè)定速度的95%，誤差率為±5%，當(dāng)機(jī)器人的速度在速度的上下限范圍內(nèi)則不用調(diào)整占空比，機(jī)器人可以運(yùn)行得更平穩(wěn)^[9]。

機(jī)器人的液晶觸摸屏采用QT 的圖形界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shù)^[10]，可通過qt_second() 函數(shù)每秒鐘對界面的控件進(jìn)行刷新，當(dāng)按鈕單擊后按鈕文本會發(fā)生變化，可通過PushButton->setText 函數(shù)完成按鈕文本的設(shè)計(jì)，同樣設(shè)定速度的輸入框可以通過LineEdit1->setText(QString::number(setup_speed)); 完成設(shè)計(jì)，單擊+、- 兩個(gè)按鈕可以修改機(jī)器人的設(shè)定速度，當(dāng)機(jī)器人的設(shè)定速度大于1 m/s 或者小于0 時(shí)，彈出警告框QMessageBox::information(this,”Error”,“speed should be in range 0-999 mm/s”); ，設(shè)定速度、兩個(gè)電機(jī)的速度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)可通過以下TextLabel2->setText(QString::number(setup_speed)+”mm/s”); 等函數(shù)完成顯示。

圖11 基于mjpeg-streamer的web遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

機(jī)器人通過以上mjpeg-streamer 組件的代碼完成了web 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的功能，可在遠(yuǎn)程打開firefox 瀏覽器看到機(jī)器人上攝像頭拍到的視頻^[11]，相關(guān)實(shí)現(xiàn)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(dāng)激光探頭發(fā)現(xiàn)在320° ~ 40° 的范圍內(nèi)，在距離激光探頭1 m 的范圍內(nèi)有移動(dòng)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(jù)實(shí)際機(jī)器人的情況做相應(yīng)調(diào)整。同理當(dāng)激光探頭發(fā)現(xiàn)在40° 到140° 的范圍內(nèi)，在距離激光探頭1 m 的范圍內(nèi)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(shí)機(jī)器人需要旋轉(zhuǎn)到某個(gè)角度，從周圍障礙物的縫隙中出去。

表1 終點(diǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系

根據(jù)表1 的內(nèi)容，移動(dòng)機(jī)器人可判斷下一秒是前進(jìn)、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)或者后退，如果沿著終點(diǎn)角度的方向有障礙物，則根據(jù)表2 的判斷，移動(dòng)機(jī)器人計(jì)算出一個(gè)與終點(diǎn)角度最近且縫隙間隔大于機(jī)器人寬度的角度，沿著該角度的中線方向移動(dòng)出去^[12]。

表2 前方1米范圍內(nèi)有障礙物時(shí)的判斷

可利用狀態(tài)機(jī)處理該部分代碼，一共有3 種狀態(tài)，第1 種是在左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)中以尋找終點(diǎn)方位的狀態(tài)，第2 種是前進(jìn)或者后退中不斷向終點(diǎn)靠近，第3 種狀態(tài)是尋找新的空隙的狀態(tài)。

圖12 機(jī)器人動(dòng)作決策的狀態(tài)機(jī)圖

2.3 安卓端的軟件設(shè)計(jì)

圖13 Android APP

機(jī)器人通過串口藍(lán)牙模塊和安卓手機(jī)連接，主要修改的文件是安卓系統(tǒng)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(dòng)按鈕，按鈕的文本會變成“停止”，同時(shí)向機(jī)器人的串口藍(lán)牙模塊發(fā)送”Start”字符串，機(jī)器人通過串口收到后調(diào)用start() 函數(shù)啟動(dòng)機(jī)器人，以下是安卓端的具體實(shí)現(xiàn)。

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

3   結(jié)束語

本文闡述了一種非ROS系統(tǒng)的定制化物流機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案可以節(jié)省機(jī)器人的成本和功耗，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定高效，說明該設(shè)計(jì)方案具有一定的實(shí)用性和可靠性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）