王 佳 鐘開洋 韋興德 詹曉晨 趙嘉賓 程志敏 曾智稟 葉健洪 何士悅
(佛山科學技術學院,廣東 佛山528000)
隨著機器人領域的發(fā)展和人民生活的需求日益提高,生產(chǎn)工業(yè)化正在向生產(chǎn)智能過度,因此工業(yè)智能機器人的發(fā)展需求越來越大。
由于ROS 系統(tǒng)的分散式消息機制,各模塊多線程分布式獨立工作,可根據(jù)需求將軟件功能獨立應用于各個模塊的控制,具有非常高的靈活度,是應用于低功耗工業(yè)智能化的不二之選。而現(xiàn)有AGV 小車結構尚有不合理之處,造成各個組件的安裝位置不夠理想,難以進行設備升級和替換,也難以進行故障檢修和功能擴展,往往會對其智能化程度造成一定限制。
本文的目的在于提供一種樹莓派3b+ 主控板下的智能AGV 運輸小車的框架原理與實現(xiàn)方案,其便于進行設備升級和替換,也便于故障檢修和功能擴展,智能化程度高。
構成小車的硬件系統(tǒng)包括主控板RaspberryPi3B+,8400mAH 帶充電器的鋰電池,步進電機,STM32 電機驅(qū)動板,激光雷達RPLIDAR A1 用于使用SLAM 導航,OpenMV 攝像頭模塊,紅外掃描儀,無線網(wǎng)卡,SD 卡接口,16G SD 卡,串口線智能密碼鎖模塊,盒子儲物箱,小車底板以及車輪、螺絲釘、銅柱、杜邦線若干用于構造車體。主控板RaspberryPi3B+自帶以太網(wǎng)模塊,以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)框圖和功能框圖如圖1、圖2。
圖1 系統(tǒng)框圖
當APP 進入主界面時,會顯示小車的位置和攝像頭的監(jiān)控。通過“密碼鎖設置”功能改變儲物箱的智能鎖的密碼;通過“SLAM定點導航”在APP 界面設置相對位置的定點導航,通過紅外掃描儀避開障礙物;通過“手動方向控制”來自由操控小車運動。
主要功能實現(xiàn)為APP 發(fā)送指令給主控板,從而主控板控制各個步進電機運動,雷達和攝像頭作為實時監(jiān)控,把信號傳輸給主控板,主控板再把數(shù)據(jù)處理后傳給以太網(wǎng)模塊,再通過無線網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)傳送到手機APP,實時獲取數(shù)據(jù)后,又可以繼續(xù)通過APP 發(fā)送指令給主控板;其次,可以在主控板執(zhí)行APP 的指令中,通過APP 的中斷鍵,終止指令,主控板會發(fā)送停止信息給電機驅(qū)動模塊。
圖2 功能框圖
智能鎖可通過51 單片機串口控制舵機實現(xiàn),其輸入密碼部分可用數(shù)字電路結構和獨立按鍵組成。可以在APP 設置密碼,通過網(wǎng)絡傳輸給主控板,主控板將數(shù)據(jù)傳給51 單片機。當在鎖上輸入密碼,51 單片機獲取并處理,再根據(jù)密碼正確與否通過串口線控制舵機運動。
圖3 智能鎖設計
電子鎖與51 單片機系統(tǒng)通過串口通信,采用4 根串口線,分別為VCC、GND、TXD、RXD。同理,51 系統(tǒng)也需要引出4 根串口線與主控板相互傳輸數(shù)據(jù)。
核心部件主控板藏于車身內(nèi)部;電機驅(qū)動模塊置于底盤;為了保證小車的避障功能,將紅外掃描儀安裝在車體前;攝像頭成像與雷達掃描都應該在車身上方,其中雷達掃描范圍大,置于頂端,攝像頭置于雷達下,避免相互干擾;儲物箱置于車身后,底盤上,通過51 系統(tǒng)引出4 根串口線與主控板進行串口通信。
OpenMV 是一個開源,低成本,功能強大的攝像頭模塊。以STM32F767CPU 為核心,集成了OV7725 攝像頭芯片,集成了各種高效的算法,提供Python 編程接口,對于自帶python 編程環(huán)境的RaspberryPi3B+有非常高的適用性。攝像頭直接成像,并將視頻信號實時傳到給主控板,主控板處理并壓縮后,通過以太網(wǎng)模塊傳輸APP。
ROS 系統(tǒng)下,通過激光雷達可以使用SLAM(即時定位與地圖創(chuàng)建)來完成定點導航。雷達與主控板組成嵌入式系統(tǒng),實時將掃描數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匕澹骺匕逶龠M行處理壓縮,利用以太網(wǎng)模塊傳輸給APP,并繪制地圖及定位信息。
Android 系統(tǒng)是一個開源的操作系統(tǒng),采用Android 系統(tǒng)開發(fā)APP 便于二次開發(fā)以及應用程序的維護;其次,Android 操作系統(tǒng)有更多免費開源的開發(fā)環(huán)境,如:Android Studio + SDK;Eclipse + ADT + SDK;IntelliJ IDEA + SDK;這里建議使用Eclipse + ADT + SDK,將手機作為上位機,嵌入式系統(tǒng)作為下位機,有助于直觀地觀察編譯效果,做各種測試。
本設計主要以嵌入式技術為主,講述了一種結合ROS 系統(tǒng)、單片機、激光雷達、攝像頭、智能鎖等設備的智能AGV 小車,結合物聯(lián)網(wǎng)技術,使用手機APP 控制,極大地加強使用的便利性,促進智能機器人水平的提高,滿足更多生活和工業(yè)上的需求。