陳飛躍，涂亞?wèn)|，殷華鋒，杜 嬌，徐小兵

(長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434020)

0 引言

倉(cāng)儲(chǔ)物流是指物件從進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)到被重新出庫(kù)這一階段的運(yùn)動(dòng)過(guò)程?，F(xiàn)代“倉(cāng)儲(chǔ)”是在特定的場(chǎng)所、運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)物品的進(jìn)出、庫(kù)存、分揀、包裝、配送及其信息進(jìn)行有效的計(jì)劃、執(zhí)行和控制的物流活動(dòng)?，F(xiàn)階段，倉(cāng)儲(chǔ)物件的搬運(yùn)工具的環(huán)境適應(yīng)性差，智能化水平較低，并且其搬運(yùn)物件的靈活性不足；難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)適應(yīng)、靈活搬運(yùn)的效用。因而如何實(shí)現(xiàn)快速、高效的物件搬運(yùn)，成了制約物流行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。全方位智能化的倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)小車，可有效提高貨物倉(cāng)儲(chǔ)的流動(dòng)性、靈活性。

本文研究的智能搬運(yùn)小車以CMOS攝像頭為路徑識(shí)別傳感器，以步進(jìn)電機(jī)為小車驅(qū)動(dòng)裝置及轉(zhuǎn)向裝置。以一種新結(jié)構(gòu)搬運(yùn)小車為載體，可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)小車的360°的轉(zhuǎn)向、直角轉(zhuǎn)彎、弧形轉(zhuǎn)彎、自動(dòng)避障等功能。且該小車可通過(guò)對(duì)自身運(yùn)動(dòng)速度和方向的調(diào)整達(dá)到“沿路線”安全快速行駛。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

倉(cāng)庫(kù)及物件放置如圖1所示。本搬運(yùn)小車含有4個(gè)輪架機(jī)構(gòu)和1個(gè)托板；輪架結(jié)構(gòu)和功能均相同，托板即為搬運(yùn)平臺(tái)。圖2為其整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)軌跡圖

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

圖2中托板與輪架總成上端支撐托盤固聯(lián)，CMOS攝像頭位于托板中心下表面處。圖3中底部轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由頂部轉(zhuǎn)動(dòng)柱、銷孔、摩擦肩、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)及鏈傳動(dòng)總成組成。其中轉(zhuǎn)動(dòng)柱與頂升機(jī)構(gòu)內(nèi)部的轉(zhuǎn)向齒輪通過(guò)鍵連接；銷孔用于保證頂升機(jī)構(gòu)與底部轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的固聯(lián)。圖4中輪架由頂升機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

圖3 底部轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

物件搬運(yùn)過(guò)程：初始狀態(tài)，搬運(yùn)小車于搬運(yùn)進(jìn)出口處，且其頂端托板處于初始位置，兩側(cè)滾輪處于張開(kāi)狀態(tài)(與地面無(wú)接觸)。在搬運(yùn)中，首先搬運(yùn)小車以初始狀態(tài)，由驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得搬運(yùn)小車運(yùn)動(dòng)至載物搬運(yùn)架的中間部位處停止；之后托板將載物搬運(yùn)架向上抬起一定位置處(載物搬運(yùn)架與地面分離一段距離)停止工作；接著驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)整體移動(dòng)。當(dāng)直角轉(zhuǎn)彎時(shí)，小車停止運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)電推桿開(kāi)始工作，使得擺動(dòng)桿及其兩端的滾輪將底部轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體抬起；接著轉(zhuǎn)向及CMOS攝像頭步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作，通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)底部轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及CMOS攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度；之后推動(dòng)電推桿收縮(回到初始狀態(tài))；最后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作，帶動(dòng)整體移動(dòng)。當(dāng)小車到達(dá)目的地時(shí)，支撐電推桿收縮(回到初始狀態(tài))，將載物搬運(yùn)架放置于目的地處，最后整體小車自動(dòng)回到出發(fā)的位置處(初始位置)。

1.支撐托盤 2.支撐電推桿 3.固定側(cè)板 4.掛耳 5.推動(dòng)支撐桿 6.擺動(dòng)桿 7.滾輪 8.驅(qū)動(dòng)輪 9.底部轉(zhuǎn)動(dòng)架 10.齒輪11.轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī) 12.電推桿頂端掛耳 13.推動(dòng)電推桿 14.上部殼體 15.驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 16.驅(qū)動(dòng)鏈輪 17.從動(dòng)鏈輪 18.鏈條 19.轉(zhuǎn)向齒輪圖4 輪架結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖5所示，該智能搬運(yùn)小車控制系統(tǒng)以MC9S12XS128單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心；并以黑白CMOS攝像頭拍攝路線圖像以PAL制式信號(hào)輸出到處理模塊(LM1881)進(jìn)行視頻同步信號(hào)分離；然后將圖像及同步信號(hào)輸入單片機(jī)控制核心(MC9S12XS128)，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)判斷處理，并改變PWM波寬實(shí)現(xiàn)對(duì)小車轉(zhuǎn)向及CMOS攝像頭的轉(zhuǎn)向控制。智能搬運(yùn)小車采用CMOS攝像頭進(jìn)行圖像采集，并運(yùn)用直接邊緣提取算法及圖像濾波算法獲取黑線的位置，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值以實(shí)時(shí)適應(yīng)搬運(yùn)環(huán)境。

轉(zhuǎn)向及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制按照輸入的指令信號(hào)，由單片機(jī)控制輸出；根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器、角位移傳感器及紅外測(cè)距傳感器的反饋信號(hào)與指令信號(hào)相比較，構(gòu)成3個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)速度實(shí)時(shí)控制、角度定位及障礙物的判定；并且通過(guò)PID控制算法處理后得到控制量，進(jìn)而改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM波占空比，智能控制行駛速度。此外，通過(guò)PD控制算法對(duì)CMOS攝像頭及轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)控制并配合角位移傳感器，共同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的精確控制。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，圖像采集利用直接邊緣提取算法及圖像濾波算法獲取黑線的位置，并通過(guò)動(dòng)態(tài)閾值以實(shí)時(shí)適應(yīng)搬運(yùn)環(huán)境。轉(zhuǎn)向及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制算法采用增量式PID控制算法，同時(shí)配合實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)姆椒?，使搬運(yùn)過(guò)程更加快速、穩(wěn)定。

2.1.1 圖像采集及路徑識(shí)別算法設(shè)計(jì)

圖像采集算法流程圖如圖6所示。

圖6 圖像采集算法流程圖

實(shí)際搬運(yùn)路線，地面背景為白色且布置有黑色引導(dǎo)線；繼而采用隔行采集的方法來(lái)壓縮圖像數(shù)據(jù)。本圖像采集以搬運(yùn)小車的圖像傳感器單一方向的40個(gè)像素的分辨力為例；其前22行視頻為場(chǎng)消隱信號(hào)，均勻采集288行視頻圖像信號(hào)，每隔7行采集場(chǎng)信號(hào)。

路徑識(shí)別采用直接邊緣算法；攝像頭識(shí)別黑線后，通過(guò)求平均值計(jì)算黑線中心位置點(diǎn)。為了減少環(huán)境因素和直角交叉線的干擾，需對(duì)圖像濾波矯正，具體方法為:

(1)當(dāng)出現(xiàn)兩段黑線直角交叉時(shí)，可保留最底端的一段，并加入路徑識(shí)別的算法，制定相應(yīng)的控制策略。

(2)當(dāng)某一行求得的中心線位置與相鄰的兩行相差較大時(shí)，即視為該行錯(cuò)誤，需采用中值濾波方法重新獲取該行位置。

(3)CMOS攝像頭可能安裝中相對(duì)與軌跡線有一定的傾斜角度，即采集的圖像存在一定的梯形失真；通過(guò)添加一個(gè)線性修正值來(lái)消除，該線性補(bǔ)償系數(shù)由具體實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。

2.1.2 轉(zhuǎn)向和速度PID控制算法設(shè)計(jì)

搬運(yùn)小車的轉(zhuǎn)向及速度控制采用PID控制算法來(lái)控制，PID控制原理如圖7所示。

圖7 PID 控制原理圖

速度控制采用的策略為直角轉(zhuǎn)彎處速度降為零，直道加速行駛。因而，需根據(jù)CMOS攝像頭所獲取的路線情況來(lái)決定當(dāng)前速度，實(shí)時(shí)速度反饋值與當(dāng)前設(shè)定速度存在的偏差為e(k)，進(jìn)而通過(guò)該偏差值來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)速度值。

采用增量式PID控制算法，其增量式為：

Δu(k)=A·e(k)-B·e(k-1)+C·e(k-2)

由上式可得，控制系統(tǒng)的采樣周期一旦選定后就不會(huì)改變，即確定了Kp、Ti、Td；只需使用前后3次測(cè)量的偏差值就可推出控制增量。通過(guò)PID算法的控制調(diào)整，并配合圖像的提取算法處理獲得黑線位置及對(duì)應(yīng)的PID參照速度，最終形成二次曲線的關(guān)系，使得小車在彎道和直道的相互過(guò)度時(shí)速度變化比較靈活。

轉(zhuǎn)向控制采用PD控制，即將P項(xiàng)視為計(jì)算得到的黑線的位置和圖像中心位置的偏差，D項(xiàng)認(rèn)為選定行的黑線位置與前一圖像中的黑線位置的差值。實(shí)際轉(zhuǎn)向中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)PD參數(shù)并配合角位移傳感器的實(shí)時(shí)反饋共同實(shí)現(xiàn)小車的靈活、準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向。針對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的情況，需做出相應(yīng)的控制處理。路線識(shí)別算法具體步驟：

(1)按一定距離選取軌跡的黑點(diǎn)，計(jì)算所選n個(gè)黑點(diǎn)的位置相對(duì)與視場(chǎng)中心線的平均位置。

(2)當(dāng)平均值與視場(chǎng)中心線的差值，為正向左轉(zhuǎn)直角彎，為負(fù)向右轉(zhuǎn)直角彎。

(3)對(duì)于起點(diǎn)、直角交叉線和終點(diǎn)的識(shí)別，通過(guò)黑線軌跡兩旁黑線部分的長(zhǎng)度進(jìn)行識(shí)別；適當(dāng)設(shè)定其寬度值的大小，進(jìn)行識(shí)別。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體按功能分為運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機(jī)交互界面，其系統(tǒng)功能如圖8所示。運(yùn)動(dòng)控制模塊主要通過(guò)系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行具體劃分，并接收傳感器的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)完成小車的具體動(dòng)作控制。數(shù)據(jù)處理模塊包含有攝像信號(hào)及傳感器信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換、算法控制等；采集的信號(hào)模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)軟件轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，進(jìn)而反饋形成閉環(huán)控制或直接人機(jī)交互界面顯示。人機(jī)交互界面包括軌跡擬合界面、實(shí)時(shí)軌跡顯示、運(yùn)動(dòng)控制界面；通過(guò)人機(jī)交互界面，不僅能實(shí)時(shí)觀測(cè)小車的運(yùn)行狀態(tài)，而且可根據(jù)具體的要求進(jìn)行人為控制。人機(jī)交互界面是通過(guò)無(wú)線通信模塊，經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線人機(jī)交互操作控制，并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

圖8 系統(tǒng)軟件功能

智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)控制流程如圖9所示。首先系統(tǒng)各控制端軟件初始化，CMOS攝像頭進(jìn)行圖像采集并識(shí)別路徑；接著通過(guò)PD控制算法和角位移傳感器的實(shí)時(shí)反饋共同實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的轉(zhuǎn)向控制；采用紅外測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)對(duì)周圍障礙物的檢測(cè)和PID控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整車速并配合轉(zhuǎn)速傳感器的實(shí)時(shí)反饋實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)避障、快速、穩(wěn)定的智能循跡效果；并將小車運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角、速度、相對(duì)位置等信息通過(guò)無(wú)線傳輸模塊輸送于人機(jī)交互，進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示及繪跡。

圖9 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)物流中，對(duì)搬運(yùn)工具的靈活性、智能化的要求設(shè)計(jì)了一種新型全方位智能搬運(yùn)小車結(jié)構(gòu)；根據(jù)新型智能搬運(yùn)小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究可得以下結(jié)論。

(1)基于新型智能搬運(yùn)小車的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)原理的分析，保證了智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體性、可行性。

(2)控制系統(tǒng)采用圖像采集軟件分析，通過(guò)提取黑線實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)閾值的設(shè)定，并利用PID及PD控制算法，實(shí)現(xiàn)了小車的智能循跡與穩(wěn)定、快速運(yùn)行；并且對(duì)其他同類智能搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可行、高效的圖像采集及運(yùn)動(dòng)控制算法。

(3)系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)傳感器的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸于人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)了小車運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示及實(shí)時(shí)對(duì)小車動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

(4)根據(jù)具體工作環(huán)境及運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了該智能搬運(yùn)小車在不同搬運(yùn)場(chǎng)合的應(yīng)用，同時(shí)也為同類智能搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提供了參考。