樹莓派規(guī)劃的智能終端配送機(jī)器人
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摘要：針對(duì)當(dāng)前基層物流工人工作負(fù)擔(dān)大，為減輕基層物流工人的負(fù)擔(dān)，依據(jù)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、自主定位、自主路徑規(guī)劃和自主行走與避障的基本知識(shí)，選擇合理的機(jī)器人小車結(jié)構(gòu)及路徑規(guī)劃方案，設(shè)計(jì)出一款能夠快速定位行走且精確避障的機(jī)器人小車。
關(guān)鍵詞：樹莓派；自主定位；路徑規(guī)劃；自主行走與避障；語(yǔ)音播放與圖像識(shí)別
智能終端配送機(jī)器人是智能物流體系生態(tài)鏈中的終端。面對(duì)復(fù)雜而變化莫測(cè)的實(shí)際配送場(chǎng)景，需要應(yīng)對(duì)配送中的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、路面、前方障礙物、紅綠燈等各類場(chǎng)景進(jìn)行及時(shí)的路徑規(guī)劃和有效的決策，這需要有完善的控制系統(tǒng)。因此設(shè)計(jì)本智能終端配送機(jī)器人，基于樹莓派進(jìn)行路徑規(guī)劃，對(duì)以上的問題進(jìn)行優(yōu)化解決。隨著老齡化時(shí)代的來臨，我國(guó)勞動(dòng)人口數(shù)量明顯下降，人口優(yōu)勢(shì)逐漸消失，人力成本不斷提高，對(duì)機(jī)器人代替人工的需求越來越強(qiáng)烈，這為智能配送物流機(jī)器人的研究發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用提供發(fā)展條件。近年來，我國(guó)的快遞、外賣、物流業(yè)務(wù)量快速發(fā)展，可以說，我國(guó)的快遞行業(yè)規(guī)模已經(jīng)是世界第一，傳統(tǒng)的物流配送方式已經(jīng)無(wú)法滿足客戶對(duì)物流服務(wù)更快速準(zhǔn)確的需求，在此情況下，智能物流開始發(fā)展，而人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)為智能配送機(jī)器人注入活力。
1配送機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路和方案
1．1設(shè)計(jì)思路
考慮到底盤上車輪及電機(jī)分布，需要滿足機(jī)器人在走直的前提下能實(shí)現(xiàn)小范圍位移來進(jìn)行避障，將四個(gè)全向輪以及電機(jī)合理分布于底板。基于合理的行走裝置的基礎(chǔ)上，各結(jié)構(gòu)裝置：視覺識(shí)別裝置、避障裝置、物料存放裝置、語(yǔ)音提醒裝置等，均設(shè)計(jì)在此之上，在保證實(shí)現(xiàn)功能的前提下，結(jié)構(gòu)盡量緊湊并進(jìn)行輕量化。
1．2設(shè)計(jì)方案
機(jī)器人于出發(fā)區(qū)啟動(dòng)，首先二維碼對(duì)應(yīng)的物料放置在機(jī)器人的掃描區(qū)，機(jī)器人通過視覺識(shí)別裝置掃描物料上的二維碼獲取收貨點(diǎn)信息。掃描成功后，機(jī)器人身上與該物料對(duì)應(yīng)的物料存放裝置的倉(cāng)門自動(dòng)打開，打開后，機(jī)器人發(fā)出語(yǔ)音提醒。寄件人根據(jù)機(jī)器人語(yǔ)音提示，把對(duì)應(yīng)物料裝入機(jī)器人的對(duì)應(yīng)料倉(cāng)，并關(guān)上倉(cāng)門。倉(cāng)門關(guān)閉后，機(jī)器人自主啟動(dòng)，通過全向輪前行，行進(jìn)中機(jī)器人通過避障裝置對(duì)路遇的障礙物進(jìn)行規(guī)避；通過視覺識(shí)別裝置對(duì)交通燈進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，按照交通規(guī)則前進(jìn)和停行；然后前往任務(wù)要求的收貨點(diǎn)。到達(dá)收貨點(diǎn)后，機(jī)器人發(fā)出語(yǔ)音提醒，收件人把提貨碼放置到機(jī)器人的掃描區(qū)，掃描成功后，與之對(duì)應(yīng)的物料存放裝置的倉(cāng)門自動(dòng)打開，同時(shí)機(jī)器人發(fā)出語(yǔ)音提醒。收件人根據(jù)機(jī)器人指令取出對(duì)應(yīng)物料，并關(guān)閉倉(cāng)門；最后，機(jī)器人通過自主規(guī)劃路徑返回到指定出發(fā)區(qū)。
2配送機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
小車整體結(jié)構(gòu)為三層結(jié)構(gòu)，除底端有近似圓形亞克力板的第一層外，其余均設(shè)置在八邊形亞克力板的第二層和T型云臺(tái)板的第三層。
（1）行走部分第一層攜帶四個(gè)電機(jī)和四個(gè)全向輪，整體圓周分布，和兩個(gè)對(duì)稱分布的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，通過調(diào)整四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)和全向運(yùn)動(dòng)，行走時(shí)小車的機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，對(duì)距離的控制精度高，整個(gè)行走過程平穩(wěn)，易于控制。
（2）避障部分為了更廣泛和全面地躲避障礙物和定位，該部件配備了倒立式激光雷達(dá)，安裝在八邊形亞克力板的第二層，搭載激光雷達(dá)的激光雷達(dá)支架兩側(cè)設(shè)有小型滑軌，以減少該部件躲避障礙物的摩擦力；另外，我們?cè)谥Ъ苌习惭b了電動(dòng)推桿以提供動(dòng)力，當(dāng)機(jī)器人開始工作時(shí)，自動(dòng)控制激光雷達(dá)伸出，以完成定位和躲避障礙物工作。
（3）攝像頭部分?jǐn)z像頭部分通過壓片連接在轉(zhuǎn)向架上，然后與長(zhǎng)U型支架形成旋轉(zhuǎn)副，整體安裝在T型照相機(jī)部件的第三層，由于照相機(jī)主要是用來識(shí)別物料的二維碼和前進(jìn)前方的紅綠燈，所以照相機(jī)只需要向后傾斜照相機(jī)，所以我們只需要將照相機(jī)與轉(zhuǎn)向架組合起來，實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)。
（4）儲(chǔ)物部分此部分設(shè)計(jì)了兩個(gè)儲(chǔ)物倉(cāng)，容量為130*90*70mm，位于兩側(cè)對(duì)稱布置，一個(gè)儲(chǔ)物倉(cāng)搭配一個(gè)舵機(jī)，并且為了合理安排空間，將兩個(gè)舵機(jī)分別放置在儲(chǔ)物倉(cāng)上方，通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)門的開啟與關(guān)閉。
（5）電氣控制部分包括蓄電池、主控板、功放板、電源板、樹莓派以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。從下往上，兩個(gè)對(duì)稱分布的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)板分別放置在近似圓形亞克力板的第一層，一個(gè)電源板放置在電動(dòng)推桿旁邊的八邊形亞克力板的第二層；同在這一層的還有紅外線無(wú)接觸式關(guān)倉(cāng)門裝置以及樹莓派，功放板放置在樹莓派盒子上；T形亞克力板的第三層則放置著電池、主控板和2個(gè)對(duì)稱分布的喇叭。其中本設(shè)計(jì)采用的是樹莓派4B，是一種基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤，只有身份證大小，雖然體積不大，但是擁有PC的基本功能，可以同時(shí)連接鍵盤、網(wǎng)線和鼠標(biāo)，具有視頻模擬信號(hào)的電視輸出，同時(shí)具有豐富的外接接口。
（6）輔助部件輔助部件在主控制面板上面有一個(gè)主保護(hù)面板；位于前面的兩個(gè)對(duì)稱分布的ST－link插槽和TTL插槽；在調(diào)試時(shí)方便地放置接口；在攝像頭兩旁設(shè)置喇叭，用于提供語(yǔ)音提示和狀態(tài)提示；在后面的一個(gè)集成了電池充電口的充電口盒子，便于充電并防止充電線卷到車底部。
3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
3．1檢測(cè)及控制設(shè)計(jì)思路
在檢測(cè)設(shè)計(jì)思路方面，為提升機(jī)器人處理性能、識(shí)別以及路徑規(guī)劃的效率，以STM32單片機(jī)為主控制核心，采集激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)定位、避障、控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)等功能；樹莓派承擔(dān)了圖像識(shí)別和語(yǔ)音播放的功能。其中圖像識(shí)別又可分為QR碼識(shí)別、車道線識(shí)別、交通燈顏色識(shí)別等識(shí)別任務(wù)。以樹莓派為輔助平臺(tái)，采集攝像頭圖像，實(shí)現(xiàn)視覺識(shí)別的功能；利用其多媒體能力實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放等功能。主控制核心與輔助平臺(tái)通過串換數(shù)據(jù)，相互配合，共同實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。運(yùn)行流程如下，機(jī)器人下位機(jī)開機(jī)后等待圖像信息的返回，選用樹莓派4B以及120fps免驅(qū)攝像頭進(jìn)行圖像的反饋，下位機(jī)樹莓派對(duì)攝像頭傳回的圖像進(jìn)行視覺算法處理，獲得所需要配送的貨物信息以及機(jī)器人運(yùn)行目的地，底層利用串口進(jìn)行通信將各類信息返回到機(jī)器人控制下位機(jī)。機(jī)器人根據(jù)返回信息執(zhí)行配送流程的程序，采用激光雷達(dá)檢測(cè)角度和距離值與圖像信息相配合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃以及躲避障礙物。紅綠燈處，樹莓派檢測(cè)系統(tǒng)提取圖像信息返回紅綠燈狀到下位機(jī)決定是否繼續(xù)運(yùn)行程序。倉(cāng)門處采用紅外檢測(cè)人員是否已經(jīng)完成裝載貨物及其開關(guān)狀態(tài)。裝載完成后再次通過激光雷達(dá)檢測(cè)角度和距離值與圖像信息相配合，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與計(jì)算完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃以及躲避障礙物到達(dá)收獲地點(diǎn)。到達(dá)后等待樹莓派發(fā)送信息進(jìn)行播報(bào)，人員取出配送車內(nèi)的貨物，完成提取后機(jī)器人根據(jù)設(shè)定流程與相關(guān)反饋值完成返程操作，返程結(jié)束后程序停止。
3．2器件選擇與實(shí)施方案
3．2．1器件選擇
電源芯片：AS1015芯片以及AMS1117芯片；主控芯片：STM32F407ZGT6芯片；識(shí)別系統(tǒng)：樹莓派4B以及120fpsUSB免驅(qū)攝像頭；避障和路徑規(guī)劃器件：攝像頭與激光雷達(dá)；攝像頭和倉(cāng)門的運(yùn)動(dòng)控制器件：高精度13kg數(shù)字舵機(jī)；行走裝置器件：大扭矩12V直流減速電機(jī)、全向輪以及大功率MOS管全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
3．2．2實(shí)施方案
機(jī)器人選擇8A12V鋰電池作為總電源，包含了主控板以及兩塊輔控板。電源接入輔控板轉(zhuǎn)為12V電壓輸出至主控板以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。主控板通過AS1015電路將12V電壓轉(zhuǎn)為不同幅值的電壓供機(jī)器人其他器件使用，6V電壓用于對(duì)舵機(jī)進(jìn)行供電，5V電壓使用AMS1117芯片通過三端穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)為3．3V電壓，用于單片計(jì)的工作。機(jī)器人采用攝像頭掃描二維碼、紅綠燈以及各種障礙物等，配合激光雷達(dá)的使用分析并計(jì)算邊緣距離角度進(jìn)行路徑規(guī)劃。機(jī)器人采用數(shù)字功放電路用于程序語(yǔ)音播報(bào)，使用樹莓派處理運(yùn)行程序中的語(yǔ)音及攝像頭掃描的圖像，對(duì)其進(jìn)行分析處理，通過串口將其返回信息傳送到MCU下位機(jī)，利用紅外模塊檢測(cè)貨物是否已經(jīng)裝載并反饋回單片機(jī)，以完成自動(dòng)關(guān)閉艙門的任務(wù)。
4機(jī)器人系統(tǒng)控制流程
以STM32為主控制核心實(shí)現(xiàn)了主要的控制邏輯。主控用于感知環(huán)境的數(shù)據(jù)來源于傳感器、激光雷達(dá)和樹莓派輔助平臺(tái)。主控通過紅外傳感器檢測(cè)料倉(cāng)中是否存在物料，以此作為判斷何時(shí)自動(dòng)開合倉(cāng)門的依據(jù)。主控發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)等方式控制終端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人啟動(dòng)后，主控程序即開始運(yùn)行。程序首先向輔助平臺(tái)發(fā)送識(shí)別QR碼的指令，然后等待識(shí)別結(jié)果，收到識(shí)別結(jié)果后即打開倉(cāng)門，并向輔助平臺(tái)發(fā)送播放對(duì)應(yīng)語(yǔ)音提示的指令。接著檢測(cè)料倉(cāng)是否存入物料，若發(fā)現(xiàn)料倉(cāng)中存在物料，則經(jīng)過幾秒的延遲之后關(guān)閉倉(cāng)門，隨后進(jìn)入運(yùn)送階段。在運(yùn)送階段，利用激光雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)避讓障礙物的功能，同時(shí)利用數(shù)據(jù)中的位置信息使機(jī)器人運(yùn)行在車道中央。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行到等待區(qū)時(shí)，向攝像頭發(fā)送識(shí)別交通燈顏色的指令，并依據(jù)識(shí)別結(jié)果決定是否停車。經(jīng)過等待區(qū)后，即控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎進(jìn)入預(yù)設(shè)的車道，避障等步驟同上。當(dāng)根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)判斷到達(dá)收貨區(qū)后，即播放語(yǔ)音提示，并識(shí)別取貨碼，若取貨碼正確則開啟倉(cāng)門，待檢測(cè)到物料取出后即啟動(dòng)返程流程，步驟同上。
5結(jié)束語(yǔ)
本文通過介紹機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)地介紹了本智能終端配送機(jī)器人，并通過利用Solid-Works實(shí)體三維軟件對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建和仿真，運(yùn)用樹莓派4B以及120fpsUSB免驅(qū)攝像頭進(jìn)行識(shí)別；同時(shí)配合攝像頭與激光雷達(dá)進(jìn)行避障和路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)循跡和避障功能，達(dá)到預(yù)期的效果。該智能終端配送機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、搭建穩(wěn)定性強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性高、成本低，具有廣泛的應(yīng)用范圍和一定實(shí)用價(jià)值，且易于移植到各種人工智能應(yīng)用當(dāng)中。
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作者： 陳博杰 單位：廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
