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)內多處安裝攝像頭的成本^[2]。輪式安防機器人能實現原地轉彎，非常適合小區(qū)內小道路上的行走^[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)可實現在既定的室內環(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的溫度、濕度、光照、煙霧可燃氣體等信息以及監(jiān)測倉庫內是否發(fā)生火情、是否發(fā)現可疑人員以及監(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的環(huán)境信息數據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對室內環(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)現火情、是否發(fā)現可疑人員、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)境信息數據，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)送與接收并對數據信息進行解析顯示，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據進行處理、分析，并將相關參數數據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)鞲衅鳌⑷梭w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)現有可疑人員存在、倉庫內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，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據處理，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 端進行數據上報，PC 端通過串口通訊接收到數據后，通過LabVIEW 軟件進行數據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、接收數據、數據處理、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，等待接收數據（串口開關觸發(fā)）或閾值設置；觸發(fā)事件后進入到數據處理模塊，進行解析數據以及數據的顯示或設置閾值，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（如閾值、波特率等）；然后打開串口資源接收數據，數據包為22 位一包，當接收到數據包后進行數據的解析，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據進行數值顯示、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、數據的無線通信傳輸、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 的數據信息。

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)定接收數據并進行顯示、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)送的傳感器數據。火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到火源后進行紅色文字警示“發(fā)現火情”，人體紅外傳感器發(fā)現倉庫有人時進行紅色文字警示“發(fā)現可疑人員”，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據的成功傳輸。實現了倉庫內的智能化巡檢，提升了倉庫智能化監(jiān)測水平。

參考文獻：

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[4] 王威,陳巍,路琴心.基于GPS+激光雷達的變電站巡檢車混合導航研究[J].自動化應用,2019(4):95-99.

[5]唐飛龍,張娜,黎安慶.基于STM32控制系統(tǒng)的輪式移動機器人設計與實現[J].2020,16(25):47-49.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年2月期）