《智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)》 課件 第4章 機(jī)器人控制決策

第4章

機(jī)器人控制決策智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS1嵌入式控制系統(tǒng)2物流機(jī)器人控制決策3章節(jié)目標(biāo)1.掌握嵌入式系統(tǒng)的控制原理；2.了解嵌入式系統(tǒng)的資源選型；3.掌握嵌入式系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)。4嵌入式控制系統(tǒng)物流機(jī)器人的控制系統(tǒng)是系統(tǒng)中最重要的組成部分：一方面，它接收傳感器系統(tǒng)收集的環(huán)境信息，進(jìn)行分析處理，建立環(huán)境模型；另一方面，它通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)或通訊系統(tǒng)接受指令，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，再根據(jù)環(huán)境模型產(chǎn)生相應(yīng)的行為動(dòng)作。1.嵌入式控制系統(tǒng)5（1）嵌入式控制系統(tǒng)——控制原理物流機(jī)器人的整個(gè)控制系統(tǒng)由軟件和硬件組成：軟件系統(tǒng)由硬件驅(qū)動(dòng)層軟件，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層軟件和用戶應(yīng)用程序?qū)榆浖?gòu)成。硬件系統(tǒng)以MCU微控制器為核心，集成了電源管理、多種傳感器、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、IO接口、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和人機(jī)交互模塊。1.嵌入式控制系統(tǒng)6嵌入式微控制器為物流機(jī)器人的硬件核心，負(fù)責(zé)接收各個(gè)傳感器采集的信息，經(jīng)過(guò)濾波后把可用的傳感器數(shù)據(jù)傳入控制算法中，由機(jī)器人的控制算法程序經(jīng)過(guò)判斷處理后給出控制結(jié)果，控制結(jié)果通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)電機(jī)和升降臺(tái)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或停止轉(zhuǎn)動(dòng)。物流機(jī)器人微控制器收集傳感器采集的信息物流機(jī)器人傳輸?shù)娇刂扑惴▊鬏斂刂平Y(jié)果升降臺(tái)升起1.嵌入式控制系統(tǒng)7機(jī)器人通過(guò)通信模塊連接到無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)中，和具有多機(jī)器人物流系統(tǒng)控制臺(tái)的電腦，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和指令通信，不僅可以實(shí)時(shí)地傳輸機(jī)器人的各種狀態(tài)信息，也可以在機(jī)器人遇到障礙等需要重新規(guī)劃路徑的狀況時(shí)，上報(bào)到多機(jī)器人物流系統(tǒng)控制電腦中，從而由多機(jī)器人物流系統(tǒng)重新規(guī)劃路徑傳輸給機(jī)器人使其沿著新的路徑行走。1.嵌入式控制系統(tǒng)8物流機(jī)器人的人機(jī)交互模塊由蜂鳴器，指示燈和顯示屏構(gòu)成，蜂鳴器和指示燈可以及時(shí)地反饋物流機(jī)器人的工作提示狀態(tài)信息和報(bào)警信息，方便在運(yùn)行時(shí)獲取機(jī)器人的狀態(tài)；顯示屏可以詳細(xì)地顯示物流機(jī)器人的自身狀態(tài)信息，包括電池電量、工作溫度、運(yùn)行時(shí)間、機(jī)器人編號(hào)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等等信息，方便在調(diào)試和維護(hù)時(shí)得到機(jī)器人的詳細(xì)信息。1.嵌入式控制系統(tǒng)9（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型①微控制器物流機(jī)器人選用了型號(hào)為STM32F407VET6的微控制器，該控制器是意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的帶有DSP和FPU的高性能基礎(chǔ)系列ARMCortex-M4MCU。該控制器具有32位的RISC核心，168MHz的主頻，1MB的可編程閃存，同時(shí)帶有浮點(diǎn)計(jì)算單元（FPU）支持處理單精度的浮點(diǎn)計(jì)算。該型號(hào)的微控制器帶有豐富的外設(shè)接口、IIC、USB、CAN、SPI、USART、RTC、ADC和DAC等，方便我們連接各種各樣的傳感器，同時(shí)提供各種可編程IO口供用戶自行定義，并且支持SWD和JTAG兩種調(diào)試接口，方便用戶的開(kāi)發(fā)調(diào)試。1.嵌入式控制系統(tǒng)10STM32F407VET6的硬件原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)11（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型②存儲(chǔ)器物流機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件采用了外置EEPROM存儲(chǔ)器，即帶電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)。這種存儲(chǔ)器可以通過(guò)編程來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。該物流機(jī)器人采用的EEPROM型號(hào)為AT24C512具有512Kb的存儲(chǔ)空間，通過(guò)IIC接口即可實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)。1.嵌入式控制系統(tǒng)12

EEPROM電路設(shè)計(jì)原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)13（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型③電源管理電源管理一直是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心點(diǎn)之一。一般的嵌入式系統(tǒng)都只有一個(gè)電源輸入因此電源的輸入具有唯一性，但是因用電的器件和模塊對(duì)于電源的使用有著較為嚴(yán)格的區(qū)分，其中電壓，電流和紋波為三個(gè)主要的指標(biāo)。電壓電流1.嵌入式控制系統(tǒng)14（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型③電源管理電壓要求在用電器件的額定工作范圍內(nèi)，電流要滿足用電器件的最大功耗，紋波則是要求電壓的波動(dòng)要小。物流機(jī)器人的電源設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)外分開(kāi)的模式，內(nèi)部核心采用內(nèi)部管理電路，涉及到外部連接別的器件或通信的，采用外部電源管理。由于輸入電壓為7.2V，為了滿足不同器件的用電需求，采用了5V和3.3V兩級(jí)穩(wěn)壓的設(shè)計(jì)方式，其中5V采用開(kāi)源電源芯片TPS54540，提供大電流，3.3V采用線性穩(wěn)壓芯片TPS7333提供小紋波的核心供電電壓。1.嵌入式控制系統(tǒng)15電源管理原理圖—011.嵌入式控制系統(tǒng)16電源管理原理圖—021.嵌入式控制系統(tǒng)17電源管理原理圖—031.嵌入式控制系統(tǒng)18（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型④電機(jī)驅(qū)動(dòng)物流機(jī)器人具有2個(gè)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和1個(gè)升降臺(tái)電機(jī)，電機(jī)的型號(hào)均為JGA12-N20。該型號(hào)電機(jī)為直流有刷電機(jī)，額定電壓為3~6V，額定電流小于0.2A，因此選用了型號(hào)為RZ7899的集成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。RZ7899是一款DC雙向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，工作電壓范圍寬3.0V~25V，輸出電流最大可達(dá)到6A。它有兩個(gè)邏輯輸入端子用來(lái)控制電機(jī)前進(jìn)、后退及制動(dòng)。該電路具有良好的抗干擾性，微小的待機(jī)電流、較低的輸出內(nèi)阻，內(nèi)置有二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流。1.嵌入式控制系統(tǒng)19電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)20（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑤編碼器為了精確地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和行走里程，在運(yùn)動(dòng)電機(jī)的尾部設(shè)計(jì)帶有反饋的編碼器，由于電機(jī)的體積和機(jī)器人的空間的限制，采用了霍爾編碼器，它可以提供100KHz的AB雙向方波輸出，選用的主控芯片自帶硬件的編碼器解碼電路，因此，編碼器電路原理設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，只需要引入接口即可。編碼器接口1.嵌入式控制系統(tǒng)21（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑥溫度傳感器為了感知物流機(jī)器人自身工作時(shí)的電路溫度，在設(shè)計(jì)物流機(jī)器人硬件的時(shí)候加入了溫度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)地測(cè)量物流機(jī)器人的工作溫度。選用的溫度傳感器為TI生產(chǎn)的LM20溫度傳感器。LM20是一款精密模擬輸出CMOS集成電路溫度傳感器，工作溫度范圍為-55°C至130°C，電源工作范圍為2.4V至5.5V。1.嵌入式控制系統(tǒng)22（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑦TOF傳感器為了在運(yùn)行的過(guò)程中讓機(jī)器人可以實(shí)時(shí)地檢測(cè)到前方的障礙物，選擇在機(jī)器人的前方添加TOF傳感器來(lái)檢測(cè)障礙。傳統(tǒng)的障礙檢測(cè)較為常用的是超聲波傳感器，由于文中演示用到的機(jī)器人的體積較小，障礙物體積均較小，超聲波檢測(cè)在此場(chǎng)景下的運(yùn)用受到了極大的限制，因此，選用了集成度較高，體積較小的TOF傳感器。1.嵌入式控制系統(tǒng)23激光照射ToF時(shí)間脈沖1.嵌入式控制系統(tǒng)24（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑧巡線傳感器物流場(chǎng)地的設(shè)計(jì)中采用了在地面貼黑色導(dǎo)引線的方式，因此物流機(jī)器人的底部添加了可以識(shí)別場(chǎng)地內(nèi)黑色導(dǎo)引線的傳感器。巡線傳感器為型號(hào)為ST188的單光束反射式紅外光電傳感器。該傳感器由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，可以根據(jù)地面的顏色反差準(zhǔn)確地識(shí)別黑線的位置。由于ST188只是模擬器件，因此需要把由于反射光強(qiáng)不同產(chǎn)生的模擬電壓變化送入微控制器的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中。1.嵌入式控制系統(tǒng)25ST188應(yīng)用原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)26（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑨RFID讀卡器物流機(jī)器人的黑色導(dǎo)引線存在眾多的交叉點(diǎn)，為了確定物流機(jī)器人在場(chǎng)地中運(yùn)行的準(zhǔn)確位置，采用了在每一個(gè)交叉點(diǎn)位置貼RFID標(biāo)簽的方式讓機(jī)器人在經(jīng)過(guò)每一個(gè)交叉點(diǎn)的時(shí)候都可以讀取該點(diǎn)的位置信息。選用的RFID讀卡器為PN532讀卡器模塊。該模塊體積小巧，支持多種類型卡的讀寫(xiě)，最大讀取距離為5~7cm，支持IIC，SPI，高速串口三種通信方式。RFID讀卡器適合嵌入到本文的物流機(jī)器人中進(jìn)行場(chǎng)地位置信息標(biāo)簽的讀取。1.嵌入式控制系統(tǒng)27PN532讀卡器模塊高速串口的連接方式——連接原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)28（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑩IMU傳感器慣性測(cè)量單元（IMU）通常指由3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀組成的組合單元，加速度計(jì)和陀螺儀安裝在互相垂直的測(cè)量軸上。一般精度的IMU需要通過(guò)其他方式修正;GPS用于修正位置的長(zhǎng)期漂移;氣壓計(jì)用于修正高度;磁力計(jì)用于修正姿態(tài);1.嵌入式控制系統(tǒng)29（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑩IMU傳感器物流機(jī)器人使用的IMU為MPU6050，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（DigitalMotionProcessor），可用IIC接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。擴(kuò)展之后就可以通過(guò)其IIC或SPI接口輸出一個(gè)9軸的信號(hào)。1.嵌入式控制系統(tǒng)30（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型⑩IMU傳感器IMU傳感器具有對(duì)正交軸的低靈敏度的固相結(jié)構(gòu)，能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從-8高斯到+8高斯（gauss）。物流機(jī)器人在應(yīng)用中把磁力計(jì)的信號(hào)接入到了MPU6050中，然后通過(guò)IIC輸出一個(gè)九軸的信號(hào)給微控制器。MPU60501.嵌入式控制系統(tǒng)31IMU設(shè)計(jì)原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)32（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型

USB通信接口物流機(jī)器人可以通過(guò)Type-C的USB接口與電腦進(jìn)行連接，完成充電和通信。由于USB的輸入電壓為5V因此選用了一款升壓芯片SY6982對(duì)5V進(jìn)行升壓之后給7.2V的電池進(jìn)行充電，通信上采用了USB轉(zhuǎn)串口的方式，通過(guò)CH340G芯片把USB協(xié)議轉(zhuǎn)成TTL協(xié)議后連接到微控制器上。1.嵌入式控制系統(tǒng)33USB升壓電路原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)34USB轉(zhuǎn)串口通信原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)35（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型

USB通信接口機(jī)器人通過(guò)WIFI通信的方式和多機(jī)器人物流系統(tǒng)電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信，上傳機(jī)器人自身的狀態(tài)，下發(fā)多機(jī)器人物流系統(tǒng)的訂單指令和規(guī)劃行走的路徑。WIFI模塊選用了一款型號(hào)為RTL8720的集成串口WIFI模塊，該款WIFI模塊體積小，功耗低，支持2.4G和5G雙頻WIFI連接，能滿足機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)連接需求。RTL87201.嵌入式控制系統(tǒng)36WIFI模塊原理圖1.嵌入式控制系統(tǒng)37（2）嵌入式控制系統(tǒng)——資源選型

USB通信接口物流機(jī)器人的人機(jī)交互設(shè)計(jì)選用了三種方式，蜂鳴器，指示燈和LCD顯示屏。蜂鳴器選用了有源的蜂鳴器，可以用IO高低電平直接控制。指示燈為RGB三色指示燈可以實(shí)現(xiàn)多種顏色的顯示，用于不同的提醒。LCD顯示屏用于顯示機(jī)器人各種詳細(xì)參數(shù)，采用了一款SPI接口驅(qū)動(dòng)的0.96寸TFT液晶屏幕。1.嵌入式控制系統(tǒng)38（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)物流機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn)由程序完成，主要包括以下四個(gè)方面:開(kāi)機(jī)自檢、配置、控制算法線程控制、底層驅(qū)動(dòng)。物流機(jī)器人控制軟件構(gòu)圖1.嵌入式控制系統(tǒng)39（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)①開(kāi)機(jī)自檢和配置開(kāi)機(jī)自檢和配置主要是完成機(jī)器人在開(kāi)機(jī)后對(duì)自身的狀態(tài)信息進(jìn)行檢查，傳感器是否正常、通信是否正常、電池電量是否正常等等各種狀態(tài)檢查。機(jī)器人各項(xiàng)狀態(tài)檢查之后，加載配置項(xiàng)確定配置信息，配置好的機(jī)器人即當(dāng)前的機(jī)器人在系統(tǒng)中是獨(dú)一無(wú)二的。1.嵌入式控制系統(tǒng)40（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)②控制算法控制算法是機(jī)器人高級(jí)控制中樞，主要提供定位導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)交互和遙測(cè)通信服務(wù)。定位導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)控制保證了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中路徑的準(zhǔn)確性，狀態(tài)交互和遙測(cè)通信將機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳輸?shù)娇刂茟?yīng)用軟件Flex-PF，提供了實(shí)時(shí)的任務(wù)分配和路徑規(guī)劃的依據(jù)。1.嵌入式控制系統(tǒng)41（3）嵌入式控制系統(tǒng)——控制實(shí)現(xiàn)③OS線程控制OS線程控制負(fù)責(zé)機(jī)器人的應(yīng)用服務(wù)和底層之間的交互，確保機(jī)器人可以按照預(yù)定的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。④底層驅(qū)動(dòng)底層驅(qū)動(dòng)是直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的每一個(gè)硬件，讓機(jī)器人的每一個(gè)的器件，都可以正常地進(jìn)行工作。1.嵌入式控制系統(tǒng)42物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)機(jī)器人的控制系統(tǒng)由多機(jī)器人物流系統(tǒng)、通信鏈路和機(jī)器人三部分組成，其中多機(jī)器人物流系統(tǒng)包括倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)和機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，整體架構(gòu)如下圖所示：機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)2.物流機(jī)器人控制決策43物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)中集成了貨架管理、貨物管理和訂單管理三項(xiàng)基本的內(nèi)容管理系統(tǒng)。貨架管理項(xiàng)中具有數(shù)據(jù)顯示、熱度調(diào)整、數(shù)據(jù)記錄的功能，對(duì)應(yīng)于熱度策略設(shè)計(jì)。貨架熱度策略的生成可以讓倉(cāng)庫(kù)中每一個(gè)貨架都能得到最大限度的效率利用。貨物管理項(xiàng)中擁有現(xiàn)有庫(kù)存，庫(kù)存調(diào)整，出入庫(kù)記錄和智能補(bǔ)貨的功能，對(duì)應(yīng)于補(bǔ)貨策略。補(bǔ)貨策略的增加對(duì)應(yīng)到倉(cāng)儲(chǔ)活動(dòng)中的訂單數(shù)據(jù)的處理，是智能倉(cāng)儲(chǔ)的重要體現(xiàn)之一。2.物流機(jī)器人控制決策44物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)訂單管理項(xiàng)具有現(xiàn)有訂單、歷史訂單、訂單生成和訂單設(shè)置功能，對(duì)應(yīng)于訂單的數(shù)據(jù)處理。訂單的數(shù)據(jù)處理是倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人控制的主要策略依據(jù)，訂單的類型和數(shù)量直接影響倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人搬運(yùn)貨架環(huán)節(jié)的路徑規(guī)劃和多機(jī)器人調(diào)度。機(jī)器人的管理項(xiàng)具有機(jī)器人信息、電量監(jiān)控和硬件配置的功能。機(jī)器人監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的整合與調(diào)度。2.物流機(jī)器人控制決策45物流機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)的物流機(jī)器人在控制決策中，主要依賴于倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的決策控制。倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)貨物、貨架、訂單進(jìn)行管理，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)器人進(jìn)行一系列的貨物搬運(yùn)操作。機(jī)器人在使用過(guò)程中也會(huì)把自身狀態(tài)信息和環(huán)境狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地上報(bào)，倉(cāng)