基于超聲波避障的倉(cāng)庫(kù)安防機(jī)器人設(shè)計(jì)

0   引言

安防機(jī)器人作為現(xiàn)在最熱門的服務(wù)型移動(dòng)機(jī)器人之一，具有智能化巡邏、高效靈活的特點(diǎn)^[1]，可以代替保安進(jìn)行智能巡邏、移動(dòng)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(jī)器人能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，非常適合小區(qū)內(nèi)小道路上的行走^[3]。安防機(jī)器人可作為移動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭代替保安巡邏工作，在高檔小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等場(chǎng)合都適合使用^[4]。安防機(jī)器人具有智能巡邏、移動(dòng)監(jiān)控等功能，因此對(duì)它的運(yùn)動(dòng)控制、視覺導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等方面的研究具有非常重要的學(xué)術(shù)意義^[5]。

本文基于相關(guān)研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波避障的倉(cāng)庫(kù)安防機(jī)器人移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在既定的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行全天24 h 不間斷的巡邏，通過(guò)超聲波模塊進(jìn)行避障，并且在巡邏的同時(shí)利用車載的各種環(huán)境傳感器采集倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度、光照、煙霧可燃?xì)怏w等信息以及監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后通過(guò)2.4 G 無(wú)線通信傳輸給遠(yuǎn)程電腦端的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)信息的顯示與意外事件提醒，此外管理人員還可以在手機(jī)端的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)APP 上用藍(lán)牙連接巡邏機(jī)器人，在倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)APP 中可以接收并顯示各種倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)以及機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，并且還可以向機(jī)器人下達(dá)停止運(yùn)動(dòng)或啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)的指令。

1   總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用環(huán)境背景為倉(cāng)庫(kù)、車間等室內(nèi)場(chǎng)場(chǎng)所，可自動(dòng)循跡導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)平臺(tái)，機(jī)器人在循跡導(dǎo)航過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境信息（溫度、濕度、光照值、易燃?xì)怏w）的采集并通過(guò)無(wú)線通信上報(bào)給監(jiān)測(cè)端，同時(shí)監(jiān)測(cè)是否發(fā)現(xiàn)火情、是否發(fā)現(xiàn)可疑人員、機(jī)器人是否運(yùn)動(dòng)正常；管理員一方面可在PC 端即電腦端的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示界面中查看相關(guān)的環(huán)境信息及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以在手機(jī)端的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)APP 界面中查看相關(guān)信息，并且在手機(jī)端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制（停止運(yùn)動(dòng)、啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)）。

機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括三大部分：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、信息采集、上下位機(jī)通信及顯示。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，包含電機(jī)CAN 總線通信、PID 閉環(huán)控制、循跡運(yùn)動(dòng)；信息采集部分負(fù)責(zé)采集機(jī)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(guān)信息采集傳感器；上下位機(jī)通信及顯示部分負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境信息的發(fā)送與接收并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析顯示，包含2.4 G 無(wú)線通信、藍(lán)牙通信、電腦端的LabVIEW 顯示、手機(jī)APP 端顯示。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)模塊

主控器件是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的模塊，需要較小的體積、較低的功耗和較強(qiáng)的性能。綜合考慮本次設(shè)計(jì)基于超聲波避障的倉(cāng)庫(kù)安防機(jī)器人選用STM32F103RCT6 處理器，其主要功能是將傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并將相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)打包通過(guò)串口無(wú)線透?jìng)魍ㄐ虐l(fā)送給上位機(jī)。

2.2 循跡導(dǎo)航模塊

本文運(yùn)用的AGV 機(jī)器人大多采用磁導(dǎo)航模式，通過(guò)車身前端的AGV 磁導(dǎo)航傳感器，使機(jī)器人沿著鋪設(shè)在路面上的磁條導(dǎo)線進(jìn)行循跡運(yùn)動(dòng)，磁導(dǎo)航傳感器如圖2所示。

圖2 磁導(dǎo)航傳感器

2.3 超聲波避障模塊

本次設(shè)計(jì)選用的是HC-SR04 超聲波測(cè)距傳感器，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在巡邏過(guò)程中的避障功能。目前市場(chǎng)上的超聲波測(cè)距傳感器模塊品種繁多，其中HC-SR04 超聲波模塊所測(cè)量的范圍比較寬，測(cè)量時(shí)準(zhǔn)確率也比較高，是一種屬于不同接觸式的測(cè)量傳感器。超聲波的穿透能力強(qiáng)，具備優(yōu)良的穿透能力，被廣泛應(yīng)用在測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域。超聲波測(cè)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(shí)際有效測(cè)距距離為（2~400）cm，測(cè)距精度可達(dá)3 mm，測(cè)量角度為15° ，滿足現(xiàn)實(shí)使用需求。

假設(shè)1 個(gè)普通的超聲波在1 個(gè)可以發(fā)射的地點(diǎn)與其他交通障礙物之間定向進(jìn)行時(shí)，往返定向定位傳播所用的定向運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間大約設(shè)定為ΔT, 超聲波在一個(gè)密閉低溫空氣中的環(huán)境系統(tǒng)中的進(jìn)行往返定位傳播定向運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度大約設(shè)定為V, 則利用超聲波測(cè)距儀的計(jì)算公式可對(duì)其定義為:

圖3 超聲波避障模塊

2.4 環(huán)境傳感器

機(jī)器人在進(jìn)行循跡巡邏的過(guò)程中，通過(guò)搭載的火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外傳感器、MQ-2 煙霧可燃?xì)怏w傳感器、DHT11 溫濕度傳感器以及GY-30 光照傳感器來(lái)采集倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度以及光照值信息，同時(shí)監(jiān)測(cè)是否發(fā)生了火情、是否發(fā)現(xiàn)有可疑人員存在、倉(cāng)庫(kù)內(nèi)是否存在可燃?xì)怏w超標(biāo)情況。這些信息通過(guò)無(wú)線傳輸，上傳到上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，供管理員使用，以及為其預(yù)警。環(huán)境信息采集如圖4所示。

3   軟件設(shè)計(jì)

3.1 底層運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

底層運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖5 所示，控制核心是STM32 單片機(jī)，其上連接激光雷達(dá)用于避障運(yùn)動(dòng)，連接7 個(gè)循跡模塊用于循跡運(yùn)動(dòng)，連接CAN 模塊用于控制電調(diào)，進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)入程序后先進(jìn)行各個(gè)子程序的初始化，然后進(jìn)行循跡信息及避障信息的采集，信息采集完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制電機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到循跡避障的目的，同時(shí)將電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)送給發(fā)送端單片機(jī)，發(fā)送端單片機(jī)進(jìn)而通過(guò)無(wú)線通信將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)上傳給電腦端和手機(jī)端；STM32 單片機(jī)同時(shí)通過(guò)I/O 口檢測(cè)發(fā)送單片機(jī)是否發(fā)送來(lái)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制指令，若收到控制指令，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2 PC端上位機(jī)設(shè)計(jì)

巡邏機(jī)器人通過(guò)車載的2.4 G 通訊模塊NRF24L01與遠(yuǎn)程的另一塊單片機(jī)通信，而接收到相關(guān)信息的此單片機(jī)再通過(guò)串口與電腦端即PC 端進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，PC 端通過(guò)串口通訊接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)LabVIEW 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示以及相應(yīng)的警示功能。下位機(jī)與PC 端上位機(jī)設(shè)計(jì)如圖6 所示。

設(shè)計(jì)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(guò)不同的條件標(biāo)志來(lái)切換不同模塊。程序開始時(shí)先進(jìn)性初始化（默認(rèn)值的設(shè)置、顯示控件的清除、指示燈的關(guān)閉等）；然后進(jìn)入等待模式，等待接收數(shù)據(jù)（串口開關(guān)觸發(fā)）或閾值設(shè)置；觸發(fā)事件后進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行解析數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的顯示或設(shè)置閾值，事件處理完后返回到等待模塊；當(dāng)觸發(fā)停止標(biāo)志（停止開關(guān)）時(shí)進(jìn)入到退出模塊，在此模塊中關(guān)閉所有指示燈、清除顯示，退出While 循環(huán)，結(jié)束程序。

圖7 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)程序運(yùn)行開始運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行初始化操作，即配置一些默認(rèn)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(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，將6 個(gè)環(huán)境信息以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息拆解出來(lái)；而后對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值顯示、波形圖顯示及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顯示；同時(shí)還可以對(duì)溫濕度進(jìn)行閾值的設(shè)置，當(dāng)溫濕度超過(guò)閾值時(shí)進(jìn)行燈光的警示。設(shè)計(jì)好的PC 端界面如圖8 所示。

圖8 LabVIEW面板設(shè)計(jì)

3.3 手機(jī)端APP設(shè)計(jì)

組件設(shè)計(jì)包含8 個(gè)靜態(tài)顯示標(biāo)簽（“歡迎使用”、“火焰監(jiān)測(cè)”、“人員監(jiān)測(cè)”、“煙霧監(jiān)測(cè)”、“濕度（%）”、“溫度（℃）”、“光照（lx）”、“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”），8 個(gè)動(dòng)態(tài)顯示標(biāo)簽（藍(lán)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(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)），3 個(gè)按鍵（斷開連接、停止、啟動(dòng)），1 個(gè)列表選擇框（藍(lán)牙選擇），組件設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 APP組件設(shè)計(jì)

4   系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)可基本實(shí)現(xiàn)機(jī)器人基于AGV 的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)、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(wú)線通信傳輸、PC 端LabVIEW 監(jiān)測(cè)頁(yè)面的信息顯示以及下位機(jī)與手機(jī)端上位機(jī)的藍(lán)牙通信、手機(jī)端APP 的數(shù)據(jù)信息。

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

圖10 最終實(shí)物圖

圖11 最終實(shí)物圖

圖12 循跡實(shí)況

圖13 上位機(jī)監(jiān)測(cè)實(shí)況

在實(shí)際測(cè)試中，PC 端上位機(jī)可以穩(wěn)定接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示、提示等功能，如圖14 所示為PC 端上位機(jī)的運(yùn)行效果。

圖14 PC端上位機(jī)運(yùn)行效果圖

將APP 安裝包下載到手機(jī)上并進(jìn)行安裝，藍(lán)牙設(shè)備連接成功后接收并顯示從下位機(jī)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)。火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)到火源后進(jìn)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(cāng)庫(kù)有人時(shí)進(jìn)行紅色文字警示“發(fā)現(xiàn)可疑人員”，機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊在機(jī)器人運(yùn)行停止時(shí)進(jìn)行紅色文字提示“運(yùn)動(dòng)已停止”。并且在手機(jī)端上用戶可向下位機(jī)發(fā)送停止或啟動(dòng)的運(yùn)動(dòng)指令。

圖15 藍(lán)牙連接成功后的頁(yè)面顯示

5   結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于超聲波避障的倉(cāng)庫(kù)安防機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析。進(jìn)行了基于超聲波避障的倉(cāng)庫(kù)安防機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)硬件部分分解成多個(gè)硬件模塊組合，有STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)、AGV 導(dǎo)航模塊、超聲波避障模塊、環(huán)境檢測(cè)模塊、無(wú)線傳輸模塊。完成硬件搭建后，設(shè)計(jì)了電腦端的上位機(jī)和手機(jī)APP，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證了該安防機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性以及終端數(shù)據(jù)的成功傳輸。實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的智能化巡檢，提升了倉(cāng)庫(kù)智能化監(jiān)測(cè)水平。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）