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        倉儲物流機器人多目標點導航系統解決方案

          信息來源:   發布時間:2021-08-16  點擊數:

        引言

        隨著電子商務的飛速發展,現代企業對自動化倉儲管理的需求日益增加。倉儲管理系統能夠快速運作的關鍵在于高效地運送且準確搬運倉庫中的物品。將可以進行多目標點導航的倉儲物流移動機器人引入倉儲空間中,不僅可以代替人工搬運貨物,有效地減少工人的勞動強度,還能提高工作效率[1],因此室內定位與導航是倉儲物流移動機器人研究的重點方向。

        如今倉儲物流移動機器人常用的導航方法大致分為磁條導航、電磁導航、光學導航、激光導航、視覺導航、慣性導航和輪廓導航。這些導航方法都有各自的優缺點,比如:磁條導航易施工、成本低,但容易受干擾、易損壞;電磁導航抗干擾性強,原理簡單可靠,但施工時間長、費用高;激光導航精度高、行駛路徑靈活多變、適用復雜路況,但對環境要求比較苛刻、不適合室外環境[7,8]。

        綜合以上不同定位方法和導航方法的優劣,本文研究并設計了基于UWB定位的倉儲物流移動機器人系統,基于該系統研究倉儲物流機器人的實時定位、多目標點導航功能[9]。該方案具有布置簡單、成本低、精度高、抗干擾性強、定位范圍廣,適用于室內外復雜環境等優點[10,11]。

        1 系統總體設計

        本系統主要由定位基站、定位標簽、目標點生成器和移動機器人4部分構成。定位基站用于幾何邊緣區域信號覆蓋;定位標簽用于與定位基站進行測距,從而對移動機器人進行精確定位;目標點生成器與定位標簽結合,根據標簽定位信息存儲的多個目標點實時對移動機器人進行路徑規劃。將定位標簽放置于移動機器人之上,移動機器人運行目標點導航子系統對多個目標點依次導航。系統結構框架如圖1所示。

        圖1 系統結構框架圖

        圖1 系統結構框架圖   下載原圖


        1.1 定位基站與定位標簽

        定位基站與定位標簽均采用UWB mini3plus射頻模塊。該模塊以STM32F103T8U6單片機為主控芯片。外圍電路包括DW1000芯片、電源模塊、LED指示模塊、復位電路等。該模塊不僅可以作為基站,還可以作為標簽,通過USB連接電腦,接收電腦發送的AT+SW指令進行切換。

        1.2 目標點生成器設計

        目標點生成器由UWB基站An、UWB標簽Tn+1、STM32F103C8T6單片機、ESP8266WiFi模塊4部分組成(參見圖1)。

        目標點生成器以STM32F103C8T6為核心,采用射頻模塊UWB mini3plus標簽Tn+1和基站An進行實時測距,通過UART串行通信采集標簽與基站的距離信息并解算標簽坐標,使用ESP8266 WiFi模塊對移動機器人進行坐標信息傳輸。ESP8266采用串口與單片機通信,內置TCP/IP協議棧,能夠實現串口與WiFi之間的轉換[12]。在路徑規劃時,工作在STA+AP模式的ESP8266使用TCP/IP透傳傳輸數據方式與移動機器人進行坐標信息傳輸,滿足局域網無線控制的需求。目標點生成器設置好目標點之后存入EEPROM,供下一次使用,等待移動機器人連接,在連接成功之后發送坐標給移動機器人。目標點生成器的工作流程如圖2所示。

        1.3 移動機器人

        圖2 目標點生成器工作流程圖

        圖2 目標點生成器工作流程圖   下載原圖


        移動機器人的硬件由UWB基站An、UWB標簽Tn、STM32F103C8T6單片機、運動控制部分、ESP8266 WiFi模塊5部分組成。

        UWB標簽Tn用作與UWB基站An測距定位。STM32F103C8T6是移動機器人的核心。移動機器人通過ESP8266接收目標點生成器設置好的目標路徑點。移動機器人與定位標簽結合,利用STM32F103C8T6解算的坐標信息和目標點生成器設置好的目標路徑點進行目標點導航。運動控制部分主要通過光電編碼器M/T法測速[13],從而控制兩驅動電機的速度,實現機器人的直線行駛和原地轉彎功能[9]。

        2 目標點導航原理

        移動機器人目標點導航子系統的坐標信息來源于單片機三維定位算法[14]解算標簽與基站的測距信息。

        2.1 三維定位算法

        單片機使用三邊測量法[15]進行坐標解算,設基站A1、A2、A3、A4圓心坐標為:

         


        設A1、A2、A3、A4四個球體相交于點(x,y,z),如圖3所示。根據畢達哥拉斯定理,得出交點位置計算公式:

         


        式中,r1、r2、r3、r4分別表示標簽到基站A1、A2、A3、A4的距離。

        表示任意向量,h、i、j均為中間變量。定義基向量表示一個新坐標系的坐標軸。

         


        圖3 三維定位算法示意圖

        圖3 三維定位算法示意圖   下載原圖


         


        用式(9)、式(10)表示

         


        式中:

         


        如果h=0,前兩個球面是同心的,則方程無解;如果j=0,則三個球在同一直線上。

        使用三個變量h、i、j和在原點處三個方程的方程組可寫成:

         


        用方程(8)減去方程(9)可解出:

         


        用方程(18)減去方程(20)可解出:

         


        利用方程(8)可解出:

         


        如果方程有多個解,則取與A4球面距離最近的那個解為最優解。

        2.2 目標點導航子系統設計

        設定四基站的位置為A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)、A3(x3,y3,z3)、A4(x4,y4,z4),如圖4所示。目標點生成器依次記錄標簽位置坐標,并將其存儲到EEPROM,等待移動機器人連接。移動機器人使用ESP8266連接目標點生成器WiFi熱點。移動機器人目標點導航子系統工作流程如圖5所示。

        圖4 目標點導航子系統原理圖

        圖4 目標點導航子系統原理圖   下載原圖


        圖5 目標點導航子系統工作流程圖

        圖5 目標點導航子系統工作流程圖   下載原圖


        在目標點生成器與移動機器人通過ESP8266連接成功之后,目標點生成器發送EEPROM存儲的坐標信息給移動機器人。移動機器人接收信息并解碼,根據當前所在位置進行目標點導航。假設目標點的位置坐標為Enm X(nm,Ynm),其中n為目標點生成器設置的目標點坐標,m為目標點En和E(n+1)之間細分的目標點。設D為目標點細分的距離(單位為cm),v為移動機器人的運動速度,Δt為坐標更新間隔時間。其計算公式為:

         


        移動機器人直線移動依次記錄N(N≥2)個坐標信息,該坐標信息用來確認當前移動機器人行駛方向。設移動機器人直線移動記錄的第一個坐標為起點坐標A X(a,Ya),最后記錄的坐標設置為終點坐標B(Xb,Yb),則當前移動機器人的方向為向量。移動機器人當前坐標B與目標點Enm的方向為向量,由此可以得出:

         


        若當前移動機器人實際坐標與第一個目標點Enm之間的距離大于D,則按照每隔距離D取新的目標點。坐標B與目標點Enm的距離為:

         


        設向量與向量之間的夾角為Δθ,機器人與路徑的距離偏差為ΔX。由此可以得出:

         


        ,則移動機器人需要向左調整角度Δθ;若,則移動機器人需要向右調整角度Δθ;若,則進行下一步判斷:

         


        式中,r為目標點圓心Enm的半徑。

        當滿足式(32)時,移動機器人沿著當前的方向繼續直線前行;當滿足式(33)時,移動機器人向右轉180°;當式(32)和式(33)均不滿足、但式(34)滿足時,表示移動機器人已經到達該目標點,此時移動機器人判斷該目標點是否是所有目標點的終點,若是則停止,否則即進行下一目標點的導航(移動機器人判斷是否到達生成器目標點Enm,若是則n+1、m=0,否則m+1)。

        3 實驗數據分析

        本實驗場地設定在室外20m×30m寬敞區域。設置4個基站坐標分別為(0,0,1.65)、(30,0,1.65)、(0,20,1.65)、(30,20,1.36),以m為單位。使用目標點生成器設置5個目標點,移動機器人使用目標點導航子系統對多個目標點進行導航。實驗過程記錄移動機器人運行軌跡如圖6所示。該運行軌跡數據分析如圖7與圖8所示。實驗結果表明,移動機器人成功地依次對目標點生成器設置的多目標點進行導航。由表1可知,標簽靜態定位精度在20cm以內。由圖7可知,移動機器人在進行導航的過程中,距離偏差ΔX在15cm以內。由圖8可知,直線行走航向角偏離Δθ不超過20°。

        表1 標簽靜態定位精度     下載原表

        表1 標簽靜態定位精度
        圖6 機器人運行軌跡

        圖6 機器人運行軌跡   下載原圖


        圖7 距離偏差折線圖

        圖7 距離偏差折線圖   下載原圖


        圖8 航向角偏離折線圖

        圖8 航向角偏離折線圖   下載原圖


        結語

        本文提出了一種倉儲物流移動機器人多目標點導航設計思想和具體使用方法。實驗測試數據結果表明,該系統能夠為移動機器人實現較好的導航效果。目前室內外高精度定位導航已經成為未來機器人應用領域中不可或缺的技術。不同的定位導航方法各有優缺點,結合不同的定位導航將可以實現更好的導航效果。

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