基于超聲波避障的倉庫安防機器人設計

0   引言

安防機器人作為現(xiàn)在最熱門的服務型移動機器人之一，具有智能化巡邏、高效靈活的特點^[1]，可以代替保安進行智能巡邏、移動監(jiān)控作用，而且也節(jié)省了小區(qū)內(nèi)多處安裝攝像頭的成本^[2]。輪式安防機器人能實現(xiàn)原地轉彎，非常適合小區(qū)內(nèi)小道路上的行走^[3]。安防機器人可作為移動監(jiān)控攝像頭代替保安巡邏工作，在高檔小區(qū)、醫(yī)院、學校等場合都適合使用^[4]。安防機器人具有智能巡邏、移動監(jiān)控等功能，因此對它的運動控制、視覺導航、路徑規(guī)劃等方面的研究具有非常重要的學術意義^[5]。

本文基于相關研究現(xiàn)狀，設計了一種基于超聲波避障的倉庫安防機器人移動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)在既定的室內(nèi)環(huán)境下進行全天24 h 不間斷的巡邏，通過超聲波模塊進行避障，并且在巡邏的同時利用車載的各種環(huán)境傳感器采集倉庫內(nèi)的溫度、濕度、光照、煙霧可燃氣體等信息以及監(jiān)測倉庫內(nèi)是否發(fā)生火情、是否發(fā)現(xiàn)可疑人員以及監(jiān)視機器人的運動狀態(tài)，然后通過2.4 G 無線通信傳輸給遠程電腦端的倉庫監(jiān)測系統(tǒng)進行相應監(jiān)測信息的顯示與意外事件提醒，此外管理人員還可以在手機端的倉庫監(jiān)測APP 上用藍牙連接巡邏機器人，在倉庫監(jiān)測APP 中可以接收并顯示各種倉庫內(nèi)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)以及機器人的運行狀態(tài)，并且還可以向機器人下達停止運動或啟動運動的指令。

1   總體方案設計

本文設計一種應用環(huán)境背景為倉庫、車間等室內(nèi)場場所，可自動循跡導航運動的移動機器人監(jiān)測平臺，機器人在循跡導航過程中可以實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境信息（溫度、濕度、光照值、易燃氣體）的采集并通過無線通信上報給監(jiān)測端，同時監(jiān)測是否發(fā)現(xiàn)火情、是否發(fā)現(xiàn)可疑人員、機器人是否運動正常；管理員一方面可在PC 端即電腦端的倉庫監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面中查看相關的環(huán)境信息及機器人運動狀態(tài)，也可以在手機端的倉庫監(jiān)測APP 界面中查看相關信息，并且在手機端可以實現(xiàn)對機器人運動的控制（停止運動、啟動運動）。

機器人系統(tǒng)總體設計包括三大部分：機器人運動、信息采集、上下位機通信及顯示。機器人運動部分負責控制機器人的運動，包含電機CAN 總線通信、PID 閉環(huán)控制、循跡運動；信息采集部分負責采集機器人周圍的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，包含火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外傳感器等相關信息采集傳感器；上下位機通信及顯示部分負責對環(huán)境信息的發(fā)送與接收并對數(shù)據(jù)信息進行解析顯示，包含2.4 G 無線通信、藍牙通信、電腦端的LabVIEW 顯示、手機APP 端顯示。系統(tǒng)的總體設計框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框架

2   系統(tǒng)硬件設計

2.1 STM32最小系統(tǒng)模塊

主控器件是系統(tǒng)中最為關鍵的模塊，需要較小的體積、較低的功耗和較強的性能。綜合考慮本次設計基于超聲波避障的倉庫安防機器人選用STM32F103RCT6 處理器，其主要功能是將傳感器測得的數(shù)據(jù)進行處理、分析，并將相關參數(shù)數(shù)據(jù)打包通過串口無線透傳通信發(fā)送給上位機。

2.2 循跡導航模塊

本文運用的AGV 機器人大多采用磁導航模式，通過車身前端的AGV 磁導航傳感器，使機器人沿著鋪設在路面上的磁條導線進行循跡運動，磁導航傳感器如圖2所示。

圖2 磁導航傳感器

2.3 超聲波避障模塊

本次設計選用的是HC-SR04 超聲波測距傳感器，用于實現(xiàn)機器人在巡邏過程中的避障功能。目前市場上的超聲波測距傳感器模塊品種繁多，其中HC-SR04 超聲波模塊所測量的范圍比較寬，測量時準確率也比較高，是一種屬于不同接觸式的測量傳感器。超聲波的穿透能力強，具備優(yōu)良的穿透能力，被廣泛應用在測距技術領域。超聲波測距傳感器由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及控制電路組成，該模塊的實際有效測距距離為（2~400）cm，測距精度可達3 mm，測量角度為15° ，滿足現(xiàn)實使用需求。

假設1 個普通的超聲波在1 個可以發(fā)射的地點與其他交通障礙物之間定向進行時，往返定向定位傳播所用的定向運動持續(xù)時間大約設定為ΔT, 超聲波在一個密閉低溫空氣中的環(huán)境系統(tǒng)中的進行往返定位傳播定向運動時的速度大約設定為V, 則利用超聲波測距儀的計算公式可對其定義為:

圖3 超聲波避障模塊

2.4 環(huán)境傳感器

機器人在進行循跡巡邏的過程中，通過搭載的火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外傳感器、MQ-2 煙霧可燃氣體傳感器、DHT11 溫濕度傳感器以及GY-30 光照傳感器來采集倉庫內(nèi)的溫度、濕度以及光照值信息，同時監(jiān)測是否發(fā)生了火情、是否發(fā)現(xiàn)有可疑人員存在、倉庫內(nèi)是否存在可燃氣體超標情況。這些信息通過無線傳輸，上傳到上位機監(jiān)測平臺，供管理員使用，以及為其預警。環(huán)境信息采集如圖4所示。

3   軟件設計

3.1 底層運動系統(tǒng)軟件設計

底層運動系統(tǒng)的軟件設計如圖5 所示，控制核心是STM32 單片機，其上連接激光雷達用于避障運動，連接7 個循跡模塊用于循跡運動，連接CAN 模塊用于控制電調(diào)，進而控制電機運動。進入程序后先進行各個子程序的初始化，然后進行循跡信息及避障信息的采集，信息采集完成后進行數(shù)據(jù)處理，控制電機相應轉動，達到循跡避障的目的，同時將電機的運轉狀態(tài)發(fā)送給發(fā)送端單片機，發(fā)送端單片機進而通過無線通信將運動狀態(tài)上傳給電腦端和手機端；STM32 單片機同時通過I/O 口檢測發(fā)送單片機是否發(fā)送來對機器人運動的控制指令，若收到控制指令，則執(zhí)行對應的停止或開始命令，若為收到控制指令，則返回執(zhí)行循跡避障程序。

圖5 底層運動軟件設計流程圖

3.2 PC端上位機設計

巡邏機器人通過車載的2.4 G 通訊模塊NRF24L01與遠程的另一塊單片機通信，而接收到相關信息的此單片機再通過串口與電腦端即PC 端進行數(shù)據(jù)上報，PC 端通過串口通訊接收到數(shù)據(jù)后，通過LabVIEW 軟件進行數(shù)據(jù)的顯示以及相應的警示功能。下位機與PC 端上位機設計如圖6 所示。

設計的LabVIEW 程序框圖如圖7 所示，系統(tǒng)分為初始化、等待、接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、退出五大模塊，通過不同的條件標志來切換不同模塊。程序開始時先進性初始化（默認值的設置、顯示控件的清除、指示燈的關閉等）；然后進入等待模式，等待接收數(shù)據(jù)（串口開關觸發(fā)）或閾值設置；觸發(fā)事件后進入到數(shù)據(jù)處理模塊，進行解析數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的顯示或設置閾值，事件處理完后返回到等待模塊；當觸發(fā)停止標志（停止開關）時進入到退出模塊，在此模塊中關閉所有指示燈、清除顯示，退出While 循環(huán)，結束程序。

圖7 LabVIEW上位機程序設計

當程序運行開始運行時，首先進行初始化操作，即配置一些默認的參數(shù)（如閾值、波特率等）；然后打開串口資源接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包為22 位一包，當接收到數(shù)據(jù)包后進行數(shù)據(jù)的解析，將6 個環(huán)境信息以及機器人的運動狀態(tài)信息拆解出來；而后對各個傳感器的數(shù)據(jù)進行數(shù)值顯示、波形圖顯示及機器人運動狀態(tài)的顯示；同時還可以對溫濕度進行閾值的設置，當溫濕度超過閾值時進行燈光的警示。設計好的PC 端界面如圖8 所示。

圖8 LabVIEW面板設計

3.3 手機端APP設計

組件設計包含8 個靜態(tài)顯示標簽（“歡迎使用”、“火焰監(jiān)測”、“人員監(jiān)測”、“煙霧監(jiān)測”、“濕度（%）”、“溫度（℃）”、“光照（lx）”、“運動狀態(tài)”），8 個動態(tài)顯示標簽（藍牙連接狀態(tài)、火情顯示、人員顯示、煙霧值、濕度值、溫度值、光照值、機器人運行狀態(tài)），3 個按鍵（斷開連接、停止、啟動），1 個列表選擇框（藍牙選擇），組件設計如圖9 所示。

圖9 APP組件設計

4   系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)可基本實現(xiàn)機器人基于AGV 的導航運動、基于超聲波模塊的避障，各種環(huán)境信息的采集、數(shù)據(jù)的無線通信傳輸、PC 端LabVIEW 監(jiān)測頁面的信息顯示以及下位機與手機端上位機的藍牙通信、手機端APP 的數(shù)據(jù)信息。

最終完成后的機器人如圖10、圖11 為機器人所示，圖12 為正在循跡中的機器人，圖13 為電腦端與手機端的監(jiān)測實況圖。

圖10 最終實物圖

圖11 最終實物圖

圖12 循跡實況

圖13 上位機監(jiān)測實況

在實際測試中，PC 端上位機可以穩(wěn)定接收數(shù)據(jù)并進行顯示、提示等功能，如圖14 所示為PC 端上位機的運行效果。

圖14 PC端上位機運行效果圖

將APP 安裝包下載到手機上并進行安裝，藍牙設備連接成功后接收并顯示從下位機發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)。火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到火源后進行紅色文字警示“發(fā)現(xiàn)火情”，人體紅外傳感器發(fā)現(xiàn)倉庫有人時進行紅色文字警示“發(fā)現(xiàn)可疑人員”，機器人運行監(jiān)測模塊在機器人運行停止時進行紅色文字提示“運動已停止”。并且在手機端上用戶可向下位機發(fā)送停止或啟動的運動指令。

圖15 藍牙連接成功后的頁面顯示

5   結束語

本文對基于超聲波避障的倉庫安防機器人的設計和實現(xiàn)進行了相關的研究和分析。進行了基于超聲波避障的倉庫安防機器人的總體方案設計。將系統(tǒng)硬件部分分解成多個硬件模塊組合，有STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)、AGV 導航模塊、超聲波避障模塊、環(huán)境檢測模塊、無線傳輸模塊。完成硬件搭建后，設計了電腦端的上位機和手機APP，經(jīng)過系統(tǒng)測試驗證了該安防機器人監(jiān)測系統(tǒng)的有效性以及終端數(shù)據(jù)的成功傳輸。實現(xiàn)了倉庫內(nèi)的智能化巡檢，提升了倉庫智能化監(jiān)測水平。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）