鄧語馨，陳洪芳，張爽，王煜，梁超偉，孫若水

北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部

1 引言

自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人AGV是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車間與物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備之一[1-3]。AGV是一種以電池作為儲(chǔ)能載體、由微處理器核心控制以及依托于傳感器與非接觸性導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)編程預(yù)設(shè)各種移位的自動(dòng)化設(shè)備，具有良好的集成性、可靠性和系統(tǒng)擴(kuò)展性，能實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的無人生產(chǎn)工序[4]。自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)已研發(fā)了一系列用于倉儲(chǔ)物流的AGV系統(tǒng)[5]，其中，丹納赫傳動(dòng)公司研發(fā)的新型控制系統(tǒng)處于領(lǐng)先地位[6]。由于國內(nèi)AGV的驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)和導(dǎo)引等核心模塊自主研發(fā)困難，行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致我國廠商自主生產(chǎn)的AGV產(chǎn)品核心競爭力較低。為了逐步擺脫對(duì)外國產(chǎn)品及技術(shù)的依賴，開發(fā)成本低且功效穩(wěn)定的機(jī)器是我國AGV的未來發(fā)展方向[7]。

本文設(shè)計(jì)的輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)能在完成穩(wěn)定物流循跡的基礎(chǔ)上，依靠雙層機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾具裝置與循跡裝置的緊密配合，進(jìn)一步提高物流運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)確性與安全性，并通過對(duì)算法的優(yōu)化與整合，保證循跡系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性。

2 輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)

輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)主要包括整體機(jī)械結(jié)構(gòu)、STM32單片機(jī)系統(tǒng)、紅外傳感器模塊、電源控制模塊、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的ANSYS分析

綜合考慮各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，得出簡化后的實(shí)體模型，建立能準(zhǔn)確反映物流小車性能的模型。建立實(shí)體模型后，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元軟件中，劃分網(wǎng)格生成有限元模型，得到如圖2所示的輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)有限元網(wǎng)格劃分模型，劃定的網(wǎng)格數(shù)量為250703，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為 467163。

采用靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算在固定載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力及應(yīng)變等，一般不考慮慣性和阻尼的影響，適用于求解固定不變載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及近似等價(jià)于靜力作用隨時(shí)間變化的載荷。通過觀察外部載荷作用下產(chǎn)生的最大變形量和最大應(yīng)力等參數(shù)來校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的主要受力來源為所承載的物品，設(shè)計(jì)最大承載重量為7kg，受力處為上層板，故在上層板施加“Pressure”負(fù)載，壓力為892.1Pa。物流小車的支撐依靠與地面接觸的四個(gè)輪子，故對(duì)輪子選擇“Fixed Support”固定約束模擬受力情況，使之不能產(chǎn)生剛體位移和轉(zhuǎn)角。最終得到有限元模型在載荷作用下的總變形云圖、等效應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變?cè)茍D。

由圖 3可知，輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的最大變形出現(xiàn)在上層板，最大變形量為21.32μm，剛好在內(nèi)部應(yīng)力較大的位置，總體變形量極低，不會(huì)對(duì)物流小車的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

圖3 輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)受力變形量

2.2 STM32單片機(jī)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)MPU主控選用E-MecaRun v2.4型多功能核心處理板，中央處理芯片型號(hào)為STM32f103rct6。其功能多樣并高度集成化，該主控板如圖4所示。具有8路拓展IO口，以SWD接口燒寫并調(diào)試，可以作為ROS系統(tǒng)的底層控制板，通過串口與PC通信可實(shí)現(xiàn)通過4路的編碼器以閉環(huán)方式控制電機(jī)。

圖4 E-MecaRun v2.4型多功能主控板

循跡機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的主控芯片性能是首要考慮因素。在相同工況下，STM32系列處理器比其他基于ARM的同頻處理器(如51系列和AVR系列等)運(yùn)算速度約快30%；若STM32系列處理器與其他處理器達(dá)到同等處理速度，STM32的功耗則比其他處理器低大約50%；同時(shí)STM32使用CM3內(nèi)核的指令集，比其他處理器更簡單和高度集中，因此編程所需程序比其他處理芯片更少，更便于后期編程；STM32系列產(chǎn)品提供豐富的存儲(chǔ)器和多個(gè)接口(如UART和SPI)以及多個(gè)定時(shí)器和多個(gè)通道等。

2.3 傳感器選型分析

本文選取D80NK型紅外傳感器。該傳感器是集發(fā)射與接收為一體的紅外光電開關(guān)傳感器，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)傳感器檢測范圍為白色時(shí)會(huì)輸出低電平，輸出狀態(tài)為0；檢測范圍為黑色時(shí)會(huì)輸出高電平，輸出狀態(tài)為1，其檢測范圍可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器工作電壓為5V，工作電流為0.01A，具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、裝配方便及易于使用等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于循跡小車避障等方面，該傳感器的實(shí)物及功能接口見圖5。

圖5 D80NK型實(shí)物

2.4 電機(jī)選型分析

根據(jù)輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)期運(yùn)動(dòng)參數(shù)(運(yùn)行速度1.5m/s，最大載重7kg)，考慮到系統(tǒng)的精度與經(jīng)濟(jì)性，選擇夾緊用電機(jī)與四輪驅(qū)動(dòng)用電機(jī)。

根據(jù)夾緊用電機(jī)與四輪驅(qū)動(dòng)用電機(jī)上承載的重量，計(jì)算得到安全系數(shù)為3.0時(shí)頂端夾緊電機(jī)上負(fù)載為1.8kg，四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)上負(fù)載為7.5kg。在運(yùn)動(dòng)模型中，頂端夾緊電機(jī)運(yùn)動(dòng)半徑為300mm，四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)半徑為 40mm。設(shè)電機(jī)與負(fù)載間相關(guān)運(yùn)動(dòng)的靜摩擦力矩為 0.3N·m，可得到電機(jī)參數(shù)。

(1)頂端夾緊電機(jī)扭矩

M夾緊=m夾緊gr+M靜摩擦力矩=5.59N·m

(1)

式中，m夾緊為頂端夾緊電機(jī)負(fù)載；g為重力加速度；r為頂端夾緊電機(jī)運(yùn)動(dòng)半徑；M靜摩擦力矩為電機(jī)與負(fù)載間相關(guān)運(yùn)動(dòng)的靜摩擦力矩。

(2)四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩

M四輪=m四輪gr+M靜摩擦力矩=3.24 N·m

(2)

式中，m四輪為頂端夾緊電機(jī)負(fù)載；g為重力加速度；r為四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)半徑；M靜摩擦力矩為電機(jī)與負(fù)載間相關(guān)運(yùn)動(dòng)的靜摩擦力矩。

(3)頂端夾緊電機(jī)功率

P夾緊=M夾緊n/9550=0.003W

(3)

式中，n為頂端夾緊電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速。

(4)四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

P四輪=M四輪n/9550=0.057W

(4)

式中，n為四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速。

綜上所述，若想達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則頂端夾緊電機(jī)與四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算所得電機(jī)參數(shù)

根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，選擇ASLONG JGB37-3530TC微型直流減速電機(jī)。頂端夾緊電機(jī)控制上層夾具裝置的運(yùn)動(dòng)，四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制下層車體做水平運(yùn)動(dòng)。相關(guān)電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 兩款微型直流減速電機(jī)參數(shù)

3 增量式PID控制方法

輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)主要依靠黑色標(biāo)志線進(jìn)行循跡，為保證機(jī)器人系統(tǒng)主體定位的準(zhǔn)確性，在機(jī)器人系統(tǒng)主體前后各安裝四個(gè)紅外光電傳感器，通過STM32單片機(jī)處理板對(duì)傳感器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并反饋給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的差速調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)向工作。利用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)到差速調(diào)節(jié)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)PID算法相比，增量式PID穩(wěn)定性更強(qiáng)，使物流循跡小車具有一定的抗擾動(dòng)能力。

3.1 PID控制算法實(shí)現(xiàn)

PID算法是指在過程控制中按偏差的比例P、積分I和微分D進(jìn)行控制的自動(dòng)控制算法，具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立及參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)。輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的工況決定了PID算法處理的系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)控制對(duì)象的輸出將被發(fā)送回影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。同時(shí)，PID算法分為位置式PID和增量式PID，為盡量高效地與四個(gè)電機(jī)的串口通信，本設(shè)計(jì)采用了增量式PID算法，系統(tǒng)流程圖如圖6所示，其表達(dá)式為

圖6 增量式PID算法

(5)

式中，U(k)為第K個(gè)采樣時(shí)刻的控制；Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分放大系數(shù)，Ki=Ti/(KpTs)；Kd為微分放大系數(shù)，Kd=Ts/(KpTd)；Ts為采樣周期。

增量式PID的輸出不僅取決于當(dāng)前的輸入，還與過去所有的輸入狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算輸出時(shí)需累加每次的控制誤差。輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)采用PID算法后，單片機(jī)的輸出并不是一個(gè)絕對(duì)數(shù)量，而是一個(gè)增量Δ。也就是說，如果系統(tǒng)采用增量PID算法，系統(tǒng)每次輸出的結(jié)果是PWM的增量Δ，而非PWM 的實(shí)際輸出值。所以采用增量式PID控制用于輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)是相對(duì)更優(yōu)的選擇，其控制趨于穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 增量式PID算法的調(diào)節(jié)結(jié)果

3.2 循跡算法實(shí)現(xiàn)

由于輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)主體具有雙層結(jié)構(gòu)，在循跡過程中程序需要實(shí)現(xiàn)上層夾具裝置與下層循跡裝置的緊密配合。上層夾具部分由紅外光電傳感器判斷并返回信號(hào)，控制夾具電機(jī)收放物品；下層循跡部分的車體前后各放置四個(gè)紅外傳感器，通過反饋信息判斷車體與黑線的位置關(guān)系，進(jìn)行循跡的判定與修正，程序流程如圖8所示。

圖8 夾具裝置及循跡裝置控制流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)的可行性與所設(shè)計(jì)增量式PID算法的控制效果，用重約1kg的物品進(jìn)行試驗(yàn)。物流小車在寬30mm的引導(dǎo)線上往返2m進(jìn)行循跡，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)

將程序初始值設(shè)定為往返一次并調(diào)節(jié)PID參數(shù)，物品放置在上層夾具裝置中，運(yùn)行試驗(yàn)程序。輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)上層傳感器檢測到物品并自動(dòng)夾緊，完成夾緊指令后下層循跡模塊開始自動(dòng)循跡工作，在小車觸及對(duì)面引導(dǎo)線時(shí)松開夾板，待操作人員取走物品后自動(dòng)進(jìn)行返回循跡，觸及引導(dǎo)線時(shí)自動(dòng)停止程序。由試驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)在搭載1kg物品時(shí)可在24s內(nèi)完成2m×2 m引導(dǎo)線的完整循跡工作，且循跡過程精確穩(wěn)定。

5 結(jié)語

提出智能物流的輪式循跡機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，基于STM32芯片并利用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定尋跡。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性與安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)物流循跡系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

本研究將通過加入彎道、斜坡等軌道狀況來進(jìn)一步驗(yàn)證物流循跡機(jī)器人系統(tǒng)的增量式PID控制方法。由于實(shí)地倉儲(chǔ)物流工作與實(shí)驗(yàn)環(huán)境有較大差異，因此，之后的研究需要進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的控制方法，減少誤差，以實(shí)現(xiàn)更好的倉儲(chǔ)物流循跡工作。