劉潔　陳暢頻　葉旭

【摘 要】智能搬運(yùn)在現(xiàn)代化工業(yè)中有非常廣泛的應(yīng)用，良好的路徑規(guī)劃算法是提高智能搬運(yùn)效率的重要手段之一。以機(jī)器人比賽中智能搬運(yùn)項(xiàng)目為藍(lán)本，設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)的路徑規(guī)劃算法，該算法可應(yīng)用于垃圾智能分類和自動(dòng)化物流，可在開始搬運(yùn)前改變路線及目的地。

【關(guān)鍵詞】路徑規(guī)劃；自適應(yīng)；智能搬運(yùn)

【Abstract】Intelligent transportation has a very wide range of applications in modern industry. Inproving route planning algorithm is one of the important ways to increase the efficiency of intelligent transportation. Based on Intelligent Transportation Project in China Robocup competition，an adaptive route planning algorithm is designed. The proposed algorithm can be applied to the intelligent classification of garbage and the automation of logistics. Compare with the exist algorithms， it can change the route and destination before the start of transportation.

【Key words】Route Planning； Adaptive； Intelligent Transportation

0 引言

智能搬運(yùn)機(jī)器人主要指按設(shè)定的路線，或者使用視覺、磁線、激光導(dǎo)航的自動(dòng)行駛的機(jī)器人。智能搬運(yùn)機(jī)器人是一種自動(dòng)導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱AGV）[1]， 也稱自動(dòng)導(dǎo)向搬運(yùn)車、自動(dòng)引導(dǎo)搬運(yùn)車。隨著AGV的性能逐漸提高，智能搬運(yùn)機(jī)器人被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等領(lǐng)域[2]。路徑規(guī)劃是提高智能搬運(yùn)機(jī)器人性能的一個(gè)重要方向[3]。

路徑規(guī)劃指的是根據(jù)既定的標(biāo)準(zhǔn)，如何規(guī)劃一條從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)路徑[4]。根據(jù)環(huán)境信息的知情情況，路線規(guī)劃又分為局部路徑規(guī)劃和全局路徑規(guī)劃[5-6]。本文討論的路線規(guī)劃以中國(guó)機(jī)器人大賽中的智能搬運(yùn)項(xiàng)目為藍(lán)本，利用顏色識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)的路徑規(guī)劃算法，它可以應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中自動(dòng)化物流、垃圾智能分類等領(lǐng)域。

1 可適應(yīng)的路徑規(guī)劃算法

在描述本文提出的可適應(yīng)的路徑規(guī)劃算法之前，首先介紹機(jī)器人大賽智能搬運(yùn)項(xiàng)目的比賽規(guī)則，在1.2節(jié)將介紹根據(jù)算法設(shè)計(jì)的機(jī)器人。

1.1 路徑規(guī)劃規(guī)則

圖1所示為中國(guó)機(jī)器人大賽智能搬運(yùn)項(xiàng)目中的使用的場(chǎng)地圖。圖中黑字A、B、C、D、E、F、G為待搬運(yùn)的色塊所在地，其中A、B、C、D、E可隨機(jī)放置3-5個(gè)色塊，F(xiàn)和G點(diǎn)每點(diǎn)可隨機(jī)放置不超過(guò)5個(gè)色塊。O點(diǎn)所在為起點(diǎn)及終點(diǎn)，圖中a、b、c、d、e為目標(biāo)所在地，機(jī)器人要識(shí)別待搬運(yùn)色塊的顏色，并搬運(yùn)到相應(yīng)的顏色目標(biāo)所在地，機(jī)器人的路徑除點(diǎn)a、b、c、d、e外只能為圖中黑色的線條。根據(jù)要求，設(shè)計(jì)的機(jī)器人必須有顏色識(shí)別、路徑識(shí)別存儲(chǔ)等功能。色塊共用5種顏色：綠色、白色、紅色、黑色、藍(lán)色。本文假設(shè)圖中目標(biāo)點(diǎn)a、b、c、d、e 的顏色在搬運(yùn)前是可以隨機(jī)調(diào)整的，但搬運(yùn)過(guò)程中是固定的，這種假設(shè)與生活中的情形比較相符?，F(xiàn)有比賽中用到的算法都是固定了目標(biāo)點(diǎn)的顏色、每個(gè)夾角的度數(shù)和每段路徑的長(zhǎng)度，應(yīng)用性低，因此本文提出自適應(yīng)的路徑規(guī)劃算法。

1.2 智能搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能搬運(yùn)機(jī)器人包括如下幾個(gè)模塊：（1）路徑檢測(cè)；（2）轉(zhuǎn)向控制；（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)；（4）車速檢測(cè)；（5）電源管理；（6）物體檢測(cè)（7）物體抓??；（8）路徑規(guī)劃。主控制器是51單片機(jī)，它負(fù)責(zé)接收賽道數(shù)據(jù)、賽車速度等反饋信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，形成合適的控制量來(lái)對(duì)舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，采用紅外傳感器控制小車沿著預(yù)設(shè)的軌道黑線及時(shí)調(diào)整車身姿態(tài)，使之準(zhǔn)確、快速地跑完全程，采用四驅(qū)差速來(lái)進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向與前進(jìn)，使用穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)定電壓，用顏色傳感器準(zhǔn)確識(shí)別要抓取物塊的顏色，超聲波傳感器定位需抓取物塊，測(cè)算出距離出來(lái)以便接下來(lái)準(zhǔn)確的搬運(yùn)至目的地。實(shí)現(xiàn)這些功能共包含電機(jī)模塊，超聲波模塊，顏色傳感器模塊，紅外模塊，伺服電機(jī)抓手模塊，電源穩(wěn)壓模塊。智能車的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在電路板和機(jī)械結(jié)構(gòu)上面，車的前部攜帶著超聲波探頭，與顏色傳感器，用于識(shí)別物體，在顏色傳感器與超聲波探頭下面是紅外模塊用來(lái)循跡，來(lái)到車身是雙層的結(jié)構(gòu)，在上層前端固定著有三個(gè)伺服電機(jī)控制的抓手，上層的中間是紅外驅(qū)動(dòng)模塊，車的尾部則是放置電池及電源模塊，由一根銅柱支撐著51的最小系統(tǒng)外加電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模塊。而車的下層則是裝載著四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)輪子。

本文設(shè)計(jì)的智能搬運(yùn)機(jī)器人在行駛過(guò)程中通過(guò)不斷地向地面發(fā)射紅外光來(lái)進(jìn)行路徑檢測(cè)，當(dāng)紅外光可遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)，再通過(guò)比較器來(lái)采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)，最終形成路徑。

1.3 自適應(yīng)的路徑規(guī)劃算法

所謂的自適應(yīng)指的是沒有完全掌握整個(gè)搬運(yùn)路徑，包括目標(biāo)點(diǎn)a、b、c、d、e的顏色、兩點(diǎn)間距離，弧線間角度等，這樣，機(jī)器人在搬運(yùn)前必須遍歷路徑并記錄下來(lái)。a、b、c、d、e的顏色可在搬運(yùn)前任意更改，在搬運(yùn)當(dāng)中目標(biāo)顏色不變，每次搬運(yùn)前機(jī)器人都需要自己檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的眼神。為方便描述，假設(shè)E和F并無(wú)任何色色塊。算法令1代表綠色，2代表白色，3代表紅色，4代表黑色，5代表藍(lán)色，用數(shù)字來(lái)記錄顏色，這樣如果算法涉及加權(quán)，例如aA是一段斜坡，則預(yù)算aA可能更花費(fèi)時(shí)間。算法首先要判斷障礙色塊及目標(biāo)點(diǎn)a、b、c、d、e的顏色。

該算法如下：

如果點(diǎn)E、F也存在色塊，算法類似。算法可以加入權(quán)值。

2 結(jié)論

本文針對(duì)中國(guó)機(jī)器人大賽智能搬運(yùn)項(xiàng)目的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行改進(jìn)，提出自適應(yīng)的智能路徑規(guī)劃算法，同時(shí)開發(fā)上位機(jī)軟件和搬運(yùn)部件接口。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該算法有效可靠，有較高的效率。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]