衡 蜓

（山西農業(yè)大學信息學院，山西 太谷 030800）

1 設計要求

要求所設計系統(tǒng)具有如下5項功能。

1.1 導航定位功能

機器人在作業(yè)時，需要有精確的路線引導與位置定位，這樣可以準確的完成工作人員下達的指令。

1.2 搬運貨物功能

此類機器人應具備搬運大型貨物的能力。在實際的動作空間內，機器人需要進行穩(wěn)定的直線行走，遇到彎道可以及時進行轉彎，這樣可以全面的完成各種運輸任務。

1.3 無線通信功能

可以實現機器人與管理中心的信息交流。包括管理中心向機器人下達任務指令，機器人向管理中心發(fā)送有關其方位、電池、工作情況等數據，對自身情況進行即時反饋。

1.4 安全避障功能

利用傳感器檢測周圍環(huán)境的情況，是否存在影響作業(yè)的障礙物，如若發(fā)現立即采取規(guī)避措施，確保機器人在操作作業(yè)中的安全。

1.5 自充電功能

機器人的研究主要為提高工作效率，不受工作時間的限制。所以機器人應具有自主充電的技術。

2 系統(tǒng)方案設計

該系統(tǒng)包括6個模塊：①電池及其管理模塊；②主控制模塊；③運動控制模塊；④導航定位模塊；⑤避障模塊；⑥無線通信模塊。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 電源模塊

在實際工作中，不同模塊工作起來的電壓也不相同，主要用到的有24 V，5 V和3.3 V。為了將24 V電壓轉換為5 V電壓，本設計采用匯眾隔離型HZD10W_24S05模塊。5V變換3.3 V電壓模塊裝置采用具有延遲復位的芯片，所以不需要再添加額外的電路加以輔助。

由于鋰電池的特性，過低的電池電壓會加速電池的損耗，降低電池的性能，所以機器人所裝備的鋰電池在充電前的剩余電量不能過低。為了保證機器人能不間斷工作，每當電量消耗過半時，倉儲機器人應自主行至充電區(qū)域進行充電。

3.2 運動控制模塊

對于機器人來說，運動控制的方式主要包括兩種：第一種是對機器人的速度和方向控制，即機器人的驅動輪控制。第二種是控制升降機構，即控制電動缸，以便完成貨架的升降。

由于本設計選擇的MSP430F5438具備內置定時器。在工作時可以產生脈寬調制脈沖信號，驅動器的內部將脈沖信號加以放大，最后轉變?yōu)榭刂菩盘枏亩刂齐姍C的運行。但由于電氣驅動器的輸入信號需要高電平，且單片機的輸入電壓與編碼器的輸出電壓不同，所以需要將輸入輸出電平相匹配。本控制系統(tǒng)選擇的編碼器可以實現雙相正交輸出。因為該控制系統(tǒng)使用的是5 V電源，而單片機的輸出電平卻要求3.3 V，所以為了避免出現芯片燒壞的情況，必須加上電平匹配芯片。電平轉換由SN74LCX245進行。

選定的編碼器對機器人的速度進行采集。本設計采用加裝減速器的500線編碼器，正常情況下電機旋轉一圈可以實現500個脈沖的輸出。減速比為1∶30。當接收到脈沖時，計數會自動加1。同時，將系統(tǒng)的采集時序規(guī)定在一個值，設定編碼器采集間隔t為15 ms，通過單位時間的測量，可以獲得編碼器運動距離d，并根據方程式計算出機器人的速度信息。

他們說：“畫院要通過對自己的成果，對社會的貢獻，對藝術的成就去贏得領導和社會的支持，尤其是要贏得同行的認同，這樣才能彰顯出畫院的價值和存在的意義?！?/p>

3.3 導航定位模塊

機器人的跟蹤傳感器使用的是型號為SEN1665的灰度傳感器。傳感器輸出幅度為5 V的高電平信號，而芯片允許輸入電平為3.3 V，同樣為了避免出現意外，也需要進行電平轉換，使用SN7LCX245芯片來實現。機器人配備有一排8位灰度傳感器。兩個傳感器之間的間隔為1.5 cm?？蓹z測10.5 cm寬的準線，準線寬度為3 cm。灰度傳感器輸出方式為數字電平，可以通過單片機的I/O口存儲信息。所以當檢測到黑色線或深色線時，輸出高電平。在檢測到白色線或淺色線時，輸出低電平。

本控制系統(tǒng)采用隔離式收發(fā)器，此模塊可以直接嵌入控制電路板中，能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時此模塊具有電源隔離和電氣隔離的功能。在模擬操作環(huán)境下，在地面設置二維碼進行機器人定位。每個二維碼都帶有方位信息。機器人的底部裝有一個特殊的模塊，當機器人底下的模塊掃描二維碼，并獲取當前二維碼的方位信息，從而獲取機器人的定位信息，并通過無線通信模塊將方位信息傳送到管理中心。慣性導航模塊也采用了隔離收發(fā)器進行信息交互，與二維碼掃描模塊的電路設計類似。

3.4 無線通信模塊

機器人接收指令的工作過程是通過上位機、路由器、轉換器和控制系統(tǒng)合作完成。在此過程中，二者遵守一定的協(xié)議，此協(xié)議選用相同格式長度幀。以確保二者通信無阻礙。由于無線通信使用的是RS485模塊，所以它的輸出要進行電平轉換。以避免實際操作中出現意外。通過轉換可以將TTL電平轉換為差分電平。同時，為了實現管理中心與單片機之間的無線通信，必須將接口電路連接到ZLAN轉換器上。

3.5 安全避險模塊

機器人在實際操作作業(yè)過程中能否主動識別出環(huán)境變化，如果發(fā)現障礙物，機器人必須立即停止移動。將OMRONE3Z-D62型漫反射紅外光電傳感器用于機器人安全避障裝置。

4 系統(tǒng)軟件設計

通過一系列的功能需求分析，倉儲機器人必須具備周圍數據的采集，與管理中心的無線通信和貨物運輸等功能。同時，機器人需要能夠接收上位機的啟動和停止指令，并意識到在接收上位機指令后，貨架可以順利放置，貨架上的貨物可以運輸到工作區(qū)，然后返回出發(fā)區(qū)。在此過程中，機器人還需將機器人狀態(tài)和任務信息向上位機反饋。

在此基礎上，將整個嵌入式軟件系統(tǒng)分成6個模塊：主功能模塊提供主要的信息循環(huán)，主循環(huán)將每個模塊的子程序進行組合，等待指令的下達和最終的調用。

初始化模塊是為了保證單片機中的各個模塊能夠按照預期的目的進行工作，即對單片機的初始化。同時對其他的模塊也有一定的初始化。

數據采集模塊主要采集各傳感器中的數據，其中就包括編碼器脈沖數據反饋和處理，從而可以獲得機器人當前的速度信息。從慣性導航輸出中獲取偏航角信息，得到機器人當前的偏航角信息。通過掃描二維碼地標信息，得到機器人的當前方位信息；對于機器人，收集灰色傳感器的水平值，以獲得機器人必須校正的偏移信息。通過采集蓄電池電壓信息，得到機器人的當前電量信息。

運動控制模塊主要控制機器人進行合理的貨物搬運路徑，以及機器人貨物重量的控制。控制驅動電機來實現對機器人貨物搬運速度與方向的控制，通過控制電動桿的控制實現對貨物的速度與位置的控制。

無線通信模塊可以讓機器人與管理中心通過無線進行信息的傳輸。管理中心向機器人發(fā)送指令，機器人可以接收指令并將數據反饋給主機，做到機器人和主機之間交換信息。

5 系統(tǒng)調試

5.1 硬件調試

為保證本設計的設計結果能正常運行，對硬件進行了調試。調試部分主要包括主控制模塊、運動控制模塊、導航定位模塊、安全避障模塊和無線通信模塊的調試。

5.2 軟件調試

控制系統(tǒng)軟件調試，采用IAREmbedded Workbench IDE軟件進行構建。編寫程序后，通過JTAG模擬器，進行實時在線仿真、單步調試、斷點調試和監(jiān)控變量

5.3 聯(lián)合調試

在總體安裝完成后，對控制系統(tǒng)的硬件和軟件將進行整體調試，主要包括：打開電源、觀察機器人的每個部件是否正常顯示、測試機器人是否能正確確定設定的路徑、是否能提取貨物并準確送達以及在行走時遇到障礙時是否能及時停止。對機器人在不同擾動下的運行狀態(tài)不斷測試，再調整數據與控制方式，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。