基于ROS 的智能AGV 运输小车

2020-06-15钟开洋韦兴德詹晓晨赵嘉宾程志敏曾智禀叶健洪何士悦

科学技术创新 2020年14期

王佳钟开洋韦兴德詹晓晨赵嘉宾程志敏曾智禀叶健洪何士悦

（佛山科学技术学院，广东佛山528000）

随着机器人领域的发展和人民生活的需求日益提高，生产工业化正在向生产智能过度，因此工业智能机器人的发展需求越来越大。

由于ROS 系统的分散式消息机制，各模块多线程分布式独立工作，可根据需求将软件功能独立应用于各个模块的控制，具有非常高的灵活度，是应用于低功耗工业智能化的不二之选。而现有AGV 小车结构尚有不合理之处，造成各个组件的安装位置不够理想，难以进行设备升级和替换，也难以进行故障检修和功能扩展，往往会对其智能化程度造成一定限制。

本文的目的在于提供一种树莓派3b+ 主控板下的智能AGV 运输小车的框架原理与实现方案，其便于进行设备升级和替换，也便于故障检修和功能扩展，智能化程度高。

1 系统功能设计

构成小车的硬件系统包括主控板RaspberryPi3B+，8400mAH 带充电器的锂电池，步进电机，STM32 电机驱动板，激光雷达RPLIDAR A1 用于使用SLAM 导航，OpenMV 摄像头模块，红外扫描仪，无线网卡，SD 卡接口，16G SD 卡，串口线智能密码锁模块，盒子储物箱，小车底板以及车轮、螺丝钉、铜柱、杜邦线若干用于构造车体。主控板RaspberryPi3B+自带以太网模块，以太网接口。系统框图和功能框图如图1、图2。

图1 系统框图

当APP 进入主界面时，会显示小车的位置和摄像头的监控。通过“密码锁设置”功能改变储物箱的智能锁的密码；通过“SLAM定点导航”在APP 界面设置相对位置的定点导航，通过红外扫描仪避开障碍物；通过“手动方向控制”来自由操控小车运动。

主要功能实现为APP 发送指令给主控板，从而主控板控制各个步进电机运动，雷达和摄像头作为实时监控，把信号传输给主控板，主控板再把数据处理后传给以太网模块，再通过无线网卡将数据传送到手机APP，实时获取数据后，又可以继续通过APP 发送指令给主控板；其次，可以在主控板执行APP 的指令中，通过APP 的中断键，终止指令，主控板会发送停止信息给电机驱动模块。

图2 功能框图

2 系统结构设计

2.1 智能锁设计

智能锁可通过51 单片机串口控制舵机实现，其输入密码部分可用数字电路结构和独立按键组成。可以在APP 设置密码，通过网络传输给主控板，主控板将数据传给51 单片机。当在锁上输入密码，51 单片机获取并处理，再根据密码正确与否通过串口线控制舵机运动。

图3 智能锁设计

电子锁与51 单片机系统通过串口通信，采用4 根串口线，分别为VCC、GND、TXD、RXD。同理，51 系统也需要引出4 根串口线与主控板相互传输数据。

2.2 车体设计

核心部件主控板藏于车身内部；电机驱动模块置于底盘；为了保证小车的避障功能，将红外扫描仪安装在车体前；摄像头成像与雷达扫描都应该在车身上方，其中雷达扫描范围大，置于顶端，摄像头置于雷达下，避免相互干扰；储物箱置于车身后，底盘上，通过51 系统引出4 根串口线与主控板进行串口通信。

2.3 openMV 摄像头

OpenMV 是一个开源，低成本，功能强大的摄像头模块。以STM32F767CPU 为核心，集成了OV7725 摄像头芯片，集成了各种高效的算法，提供Python 编程接口，对于自带python 编程环境的RaspberryPi3B+有非常高的适用性。摄像头直接成像，并将视频信号实时传到给主控板，主控板处理并压缩后，通过以太网模块传输APP。

2.4 激光雷达

ROS 系统下，通过激光雷达可以使用SLAM（即时定位与地图创建）来完成定点导航。雷达与主控板组成嵌入式系统，实时将扫描数据传输到主控板，主控板再进行处理压缩，利用以太网模块传输给APP，并绘制地图及定位信息。

3 软件设计

Android 系统是一个开源的操作系统，采用Android 系统开发APP 便于二次开发以及应用程序的维护；其次，Android 操作系统有更多免费开源的开发环境，如：Android Studio + SDK；Eclipse + ADT + SDK；IntelliJ IDEA + SDK；这里建议使用Eclipse + ADT + SDK，将手机作为上位机，嵌入式系统作为下位机，有助于直观地观察编译效果，做各种测试。