仓储搬运机器人控制系统设计

路采用 MSP430F5438 作为主控芯片，设计了电源模块、运动控制模块、导航定位模块、无线通信模块和安全避险模块。根据实际运
行状况，完成了机器人软件总体框架的设计和各模块的软件设计。对各模块分别进行运行测试，达到无故障运行后，对软硬件同时
进行调试。调试结果表明，该机器人控制系统满足预期要求。
关键词 物件搬运；控制系统；导航定位
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农业技术与装备
AGRICULTURAL TECHNOLOGY & EQUIPMENT
Vol.361 No.01 JAN.2020
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5.5 V，灵敏度可达 -108 dBm，工作电流仅有 2 mA，非常适合 低功耗设备的要求。解码电路由芯片 SC2272 和少量外围电 阻、电容构成。遥控接收解码电路如图 6 所示。芯片 SC480R 接收高频信号，经内部解调变换成数字信号输出，送给 SC2272 的数据输入引脚 Din。图 6 中 4.897 MHz 的晶振将电 路工作频率设定在 315 MHz。
机器人的研究主要为提高工作效率，不受工作时间的限 制。所以机器人应具有自主充电的技术。
2 系统方案设计
该系统包括 6 个模块：①电池及其管理模块；②主控制
收稿日期 2019-12-25 作者简介 衡 蜓（1985-），女，山西人，讲师，研究方向：检测 技术与自动化。
模块；③运动控制模块；④导航定位模块；⑤避障模块；⑥无 线通信模块。
在此基础上，将整个嵌入式软件系统分成 6 个模块：主 功能模块提供主要的信息循环，主循环将每个模块的子程序 进行组合，等待指令的下达和最终的调用。
初始化模块是为了保证单片机中的各个模块能够按照 预期的目的进行工作，即对单片机的初始化。同时对其他的 模块也有一定的初始化。
中断模块采用标志位，以达到程序正常运行。它包含 3 个中断设置：提供时序用于系统控制的定时器中断设置，包 括编码器中断设置和红外中断设置的外部事件中断设置和 串行通信中断设置。
机器人接收指令的工作过程是通过上位机、路由器、转 换器和控制系统合作完成。在此过程中，二者遵守一定的协 议，此协议选用相同格式长度帧。以确保二者通信无阻碍。由 于无线通信使用的是 RS485 模块，所以它的输出要进行电平 转换。以避免实际操作中出现意外。通过转换可以将 TTL 电 平转换为差分电平。同时，为了实现管理中心与单片机之间 的无线通信，必须将接口电路连接到 ZLAN 转换器上。
数据采集模块主要采集各传感器中的数据，其中就包括 编码器脉冲数据反馈和处理，从而可以获得机器人当前的速 度信息。从惯性导航输出中获取偏航角信息，得到机器人当 前的偏航角信息。通过扫描二维码地标信息，得到机器人的 当前方位信息；对于机器人，收集灰色传感器的水平值，以获 得机器人必须校正的偏移信息。通过采集蓄电池电压信息， 得到机器人的当前电量信息。
机器人的跟踪传感器使用的是型号为 SEN1665 的灰度 传感器。传感器输出幅度为 5 V 的高电平信号，而芯片允许 输入电平为 3.3 V，同样为了避免出现意外，也需要进行电平 转换，使用 SN7LCX245 芯片来实现。机器人配备有一排 8 位灰度传感器。两个传感器之间的间隔为 1.5 cm。可检测 10.5 cm 宽的准线，准线宽度为 3 cm。灰度传感器输出方式为 数字电平，可以通过单片机的 I/O 口存储信息。所以当检测到 黑色线或深色线时，输出高电平。在检测到白色线或浅色线 时，输出低电平。
3.5 安全避险模块 机器人在实际操作作业过程中能否主动识别出环境变
化，如果发现障碍物，机器人必须立即停止移动。将 OMRONE3Z-D62 型漫反射 红外光 电传感 器用于 机器人安全避 障 装置。
4 系统软件设计
通过一系列的功能需求分析，仓储机器人必须具备周围 数据的采集，与管理中心的无线通信和货物运输等功能。同 时，机器人需要能够接收上位机的启动和停止指令，并意识 到在接收上位机指令后，货架可以顺利放置，货架上的货物 可以运输到工作区，然后返回出发区。在此过程中，机器人还 需将机器人状态和任务信息向上位机反馈。
object handling, control system, navigation and positioning
1 设计要求
要求所设计系统具有如下 5 项功能。 1.1 导航定位功能
机器人在作业时，需要有精确的路线引导与位置定位， 这样可以准确的完成工作人员下达的指令。 1.2 搬运货物功能
此类机器人应具备搬运大型货物的能力。在实际的动作 空间内，机器人需要进行稳定的直线行走，遇到弯道可以及 时进行转弯，这样可以全面器，此模块可以直接嵌入控 制电路板中，能有效提高系统的稳定性。同时此模块具有电 源隔离和电气隔离的功能。在模拟操作环境下，在地面设置 二维码进行机器人定位。每个二维码都带有方位信息。机器 人的底部装有一个特殊的模块，当机器人底下的模块扫描二 维码，并获取当前二维码的方位信息，从而获取机器人的定 位信息，并通过无线通信模块将方位信息传送到管理中心。 惯性导航模块也采用了隔离收发器进行信息交互，与二维码 扫描模块的电路设计类似。 3.4 无线通信模块
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文章编号：1673-887X(2020)01-0019-03
仓储搬运机器人控制系统设计
衡蜓
（山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800）
Vol.361 No.01 JAN.2020
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摘 要 完成一个“仓储搬运机器人控制系统设计”，该系统具有导航定位、搬运货物、无线通信、安全避障和自充电功能。硬件电
中图分类号 TP24
文献标志码 A
doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2020.01.007
Heng Ting
The system has the functions of navigation and positioning, cargo handling, wireless communication, obstacle avoidance and self charging. The hardware circuit uses MSP430F5438 as the main control chip, and designs the power module, motion control module, navigation and positioning module, wireless communication module and safety module. According to the actual operation, the overall framework of the robot software and the software design of each module are completed. Each module is run and tested separately. After the failure free operation, the software and hardware are debugged at the same time. The debugging results show that the robot control system meets the expected requirements.
可以实现机器人与管理中心的信息交流。包括管理中心 向机器人下达任务指令，机器人向管理中心发送有关其方 位、电池、工作情况等数据，对自身情况进行即时反馈。 1.4 安全避障功能
利用传感器检测周围环境的情况，是否存在影响作业的 障碍物，如若发现立即采取规避措施，确保机器人在操作作 业中的安全。 1.5 自充电功能
5 系统调试
5.1 硬件调试 为保证本设计的设计结果能正常运行，对硬件进行了调
试。调试部分主要包括主控制模块、运动控制模块、导航定位 模块、安全避障模块和无线通信模块的调试。 5.2 软件调试
控制系统软件调试，采用 IAR Embedded Workbench IDE 软件进行构建。编写程序后，通过 JTAG 模拟器，进行实时在
运动控制模块主要控制机器人进行合理的货物搬运路 径，以及机器人货物重量的控制。控制驱动电机来实现对机 器人货物搬运速度与方向的控制，通过控制电动杆的控制实 现对货物的速度与位置的控制。
无线通信模块可以让机器人与管理中心通过无线进 行信息的传输。管理中心向机器人发送指令，机器人可以接 收指令并将数据反馈给主机，做到机器人和主机之间交换 信息。
图 7 软件流程图 Fig.7 Software flow chart
GND
图 5 继电器模块电路图 Fig.5 Circuit diagram of relay module
3 控制器软件设计
根据山西省新绛县南熟汾村种植户的经验，一般冬季 9 时左右卷起棉被，17 时左右放下棉被。将 9 时的光照强度设 定为卷帘的光照阈值，将 17 时温度设定主放帘的温度阈值， 存储在单片机的 EEPROM 内。将从温室底端到顶端的卷帘 时间，和顶端到底端的放帘时间也存储在在单片机的 EEPROM 内，以防止自动操作时引起故障。控制器的软件分 为手动模式和自动模式，手动模式下按下卷帘键开始卷帘、 按下停止键才停止，放帘也一样；自动模式下，根据光照强度 和实时温度自动卷放帘操作，根据设定的时间自动停止操
仓储搬运机器人 控制系统
导
主 控 模 块
运 动 控 制 模 块
无航 线及 通 信定 模位 块模
电 池 及 管 理 模 块
避 障 模 块
块
图 1 总体组成结构图 Fig.1 Overall composition structure
3 系统硬件设计
3.1 电源模块 在实际工作中，不同模块工作起来的电压也不相同，主
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衡 蜓：仓储搬运机器人控制系统设计
对于机器人来说，运动控制的方式主要包括两种：第一 种是对机器人的速度和方向控制，即机器人的驱动轮控制。 第 二 种 是 控 制 升 降 机 构 ，即 控 制 电 动 缸 ，以 便 完 成 货 架 的 升降。
由于本设计选择的 MSP430F5438 具备内置定时器。在 工作时可以产生脉宽调制脉冲信号，驱动器的内部将脉冲信 号加以放大，最后转变为控制信号从而控制电机的运行。但 由于电气驱动器的输入信号需要高电平，且单片机的输入电 压与编码器的输出电压不同，所以需要将输入输出电平相匹 配。本控制系统选择的编码器可以实现双相正交输出。因为 该控制系统使用的是 5 V 电源，而单片机的输出电平却要求 3.3 V，所以为了避免出现芯片烧坏的情况，必须加上电平匹 配芯片。电平转换由 SN74LCX245 进行。
选定的编码器对机器人的速度进行采集。本设计采用加 装减速器的 500 线编码器，正常情况下电机旋转一圈可以实 现 500 个脉冲的输出。减速比为 1∶30。当接收到脉冲时，计 数会自动加 1。同时，将系统的采集时序规定在一个值，设定 编码器采集间隔 t 为 15 ms，通过单位时间的测量，可以获得 编码器运动距离 d，并根据方程式计算出机器人的速度信息。 3.3 导航定位模块
要用到的有 24 V，5 V 和 3.3 V。为了将 24 V 电压转换为 5 V 电压，本设计采用汇众隔离型 HZD10W_24S05 模块。5V 变换 3.3 V 电压模块装置采用具有延迟复位的芯片，所以不需要 再添加额外的电路加以辅助。
由于锂电池的特性，过低的电池电压会加速电池的损 耗，降低电池的性能，所以机器人所装备的锂电池在充电前 的剩余电量不能过低。为了保证机器人能不间断工作，每 当电量消耗过半时，仓储机器人应自主行至充电区域进行 充电。 3.2 运动控制模块
垣12V
K1 R2
D2
R1 PD1
D1
5
2
Q1 1 R3
作。软件流程如图 7 所示。
开始
硬件初始化 N
是否自动？ Y
N (光照逸设 定 )&& ( 状 态=放帘)？
(温度逸设 定 )&& ( 状 态=卷帘)？
N
N
有按键？
Y
卷 OR 放 OR 停
Y 卷帘
Y 放帘
继电器动作
计时器倒计时
继电器输出 N
计时为 0？ Y 停止