基于嵌入式ＡＲＭ结构的仓储物流机器人控制算法设计

李成　王锦石　曹显莹等

关键词：嵌入式ARM系统；仓储物流机器人；控制算法；空间定位

中图法分类号：TP242 文献标识码：A

1引言

搬运、包装等物流仓储生产线的自动化与智能化应用日益增加，智能机器人也已经应用到餐饮、制造、机械、物流等多个行业，可顺应现今的物流产业立体化空间理念。实现机器人路径规划、合理避障等功能，并通过嵌入式ARM系统实时计算最优解，改善模块运行性能，充分遵循可扩展性、移植性等原则，是现阶段智能机器人的重要发展方向。

2嵌入式ARM结构的微处理器结构设计

ARM结构是一个拥有较高性能的微处理器架构，具有16位与32位指令采集能力，且具有较高的拓展性，可同时进行多任务处理，具有较小的体积与功耗，适用于当前阶段下的物流仓储机器人控制中枢，以满足智能机器人在自动化、功能化等方面的需求。嵌入式ARM结构较为先进，可在内部处理器中设置嵌入式系统结构，具有较高的集成度，但并不增加其功耗，同时可通过定向开发模式，将各项程序写入处理器，确保系统运行的稳定性。控制系统可通过电路板将各个功能模块与FS和GUI等接口连接，并通过32位的微处理器降低功耗，提高系统的响应能力，实现系统多任务同步处理，多功能异步辅助，且无需TTL转换即可实现对各个引脚的控制。

嵌入式ARM通信定位模块可通过普通锂电池进行供电，并与SPI接口相连，按照所设定的参数处理工作任务，具有较强的实时性，可直接对外部事件做出响应。其系统内资源占用率较低，可节省仓储物流存储成本，且具有较强的自适应能力，从而进一步提高系统的稳定性与可靠性。

3系统硬件设计

3.1系统工作原理

仓储物流机器人控制系统的硬件平台设计极为重要，作为用户控制的执行者，服务机器人的各种功能都需要通过硬件实现，同时硬件平台也可为各类软件的运行提供基础条件，应用标准化接口，以确保资源的互换性与扩展性。机器人控制系统包括主控制系统与轨迹示教系统，主要实现机器人运动轨迹再现等功能，主控制器可通过示教模式引导机器人到达相应地点，记录好该点坐标后可存储到服务器内，为后续其他使用提供参考，同时可根据服务器内记录的点位信息进行路径规划，再通过发送脉冲等方式对伺服电机进行同步控制，如实现机器人的导航、启动、停止、运行控制、路径规划、监控、通信等功能，为此需要配备主控元件、驱动程序、通信模块、语音识别模块、液晶触摸屏、电源管理等多个单元模块与处理器相互连接，采集机器人各方面的反馈信息，如速度反馈、转向反馈、方向信号等，以确保机器人实现各项功能。

3.2硬件结构

嵌入式ARM控制系统的硬件可采用三星S3C2410处理器作为CPU，在嵌入式系统C/OS Ⅱ的帮助下，实现对机器人的控制。该处理器应用了ARM920内核，内部时钟可达到200 MHz，可满足机器人控制中的各项复杂算法，从而提升系统运行精准度。同时，该处理器还内置了110多个I/O口与24个外部中断源，其中包括USB接口、DMA接口、UART控制接口等，既可简化外部的连接电路，又可通过200MHz的内部时钟确保机器人具备高性能指令采集与C语言运算能力，赋予机器人在工作中的实时性。

ARM处理器还具备RS串口，可与传感器、伺服器等模块相互连接，这种RS串口也可确保系统的实时性，并通过DSP传感器模块，同时进行4路服务器连接的控制任务。让传感器模块连接24路超声传感器及红外传感器，其中伺服电机可选用松下NINASA5的伺服电机，额定转速为3000 r/min，额定输出功率为750 W，最大转数为4500r/min，最大输出转矩为7.2 N。在具体应用中既可以降低机器人的功耗及成本，又可以全面收集机器人的各项运行信息，注重操作的实时性，避免出现较高的操作延迟。此外，还包括LCD触摸屏及语音交互接口等，屏幕可选用普通液晶触摸屏，语音识别可采用16位结构的高集成微型控制器，内部设有16*16语音算法，CPU时钟可达到49 MHz，能够实现实时语音处理工作，为机器人控制系统提供较高的便利性。

4系统軟件设计

4.1软件模块化设计

硬件平台搭设后，为实现机器人的各项功能，就需要进行系统软件的设计。控制系统软件可通过开放式形式进行设计，并遵循软件结构化、驱动标准化等原则，应根据机器人所需的各项功能，针对性调整各个模块结构，确保各个模块之间相互通信，满足系统的实时性需求。如可通过Linux操作系统搭载Qt界面，通过其支持多线程、多任务操作等特性，让各个软件功能模块之间建立通信，实现多任务协同处理，该操作系统结构较为简单，容易移植，且系统具有公开化源代码，便于实现各个功能任务间的逻辑关系。

仓储物流机器人的控制系统软件应分为主控制模块与示教模块，其中主控制系统应包括初始化模块、通信模块、轨迹显示模块、位置速度生成模块、脉冲频率生成模块、故障报警模块等，而示教软件则应包括通信模块、点动模块、四轴联动模块、故障监控模块等，再通过通信端口相互连接，用户在发出指令任务后，可通过嵌入式操作系统向软件层发送任务数据，软件层接收后就可实现各项功能。

4.2空间直线插补

仓储物流机器人控制系统建立后，机器人就会按照轨迹插补算法，再现示教轨迹。为确保机器人定位精度，降低对后续各项工作的影响，提升工作效率与准确性，就应确保这种插补算法的精准性。插补是在机器人运动路径的起点与终点中插入定位点，并将整体运动轨迹切断为小路段点，再采用一定的插值算法，对每一段轨迹的路径进行拟合排列，以提升机器人的运动精准度，降低复杂空间下机器人运动出错的概率。而在嵌入式ARM控制中，可采用空间直线插补的方式，在已知的机器人运动轨迹中，获取到插补点位的位置信息，如在包装及搬运等过程中，为机器人规划出行程轨迹，确保机器人在运动中提前规避路径上的障碍，避免碰撞到流水线及其他物品，以确保机器人能够正常工作。

这种空间直线插补算法可提前获取机器人的工作环境，如获取工作路径上所需要规避的点位及障碍物信息，提前进行标点，再根据固定的机器人步长或固定时间间隔，在规划的路径中插入坐标点，再根据机器人本体的运动方式进行规划，转换所插入的各个坐标点，得到空间关节角度值，并将得到的關节角通过伺服控制器进行规划，传输到机器人的控制系统中，最后让机器人按照规划的路径进行移动。而示教系统则可以根据新的障碍物信息，获取服务器传递的点位信息并进行模拟学习，以不断提升机器人的移动精准度，降低出错概率，从而让机器人在移动中学会规避不同路径下的障碍，以确保机器人正常运作[3]。

5仓储物流机器人控制算法设计

5.1空间定位与行程轨迹控制

仓储物流机器人的控制程序是进一步提升机器人在工作中的流畅性，降低误操作概率的控制算法，应确保机器人可以躲避障碍物，以及机器人能够按照指定路径前进，并精准地完成搬运货物、举起货物、分拣、装载等动作。为此，在嵌入式ARM系统中，首先应选用交流伺服电机及RS485通信总线，提升系统的灵活性及拓展性，考虑到仓储物流机器人的横向运动及纵向升降运动等都需要三维工作台的帮助，为此应将系统与工作台相连接，并进行嵌入式结构匹配。

嵌入式ARM结构可内置通信模块及陀螺仪模块，用来获取机器人的前进速度、方向、加速度等空间信息，以实现机器人的空间定位。再通过通信模块等，将空间定位信息发送到后台控制中心，保持通信联系，同时ARM处理器还应对当前机器人的位置进行实时处理，若发现机器人运动轨迹偏离了既定轨迹，或判断路径存在障碍物，则微处理器就会发动警报，采用紧急制动或路径更新等方式，计算出最佳行进路径并进行路径调整，改变传统中静态路径规划的方式，减小运动误差，确保机器人每一段路径偏差达到最小化。

5.2空间位姿控制调整

仓储物流机器人在运行中还可通过NFC通信模块并结合ARM嵌入式微处理器，对数据订单进行采集，并将其进行拆分处理，可按照机器人携带的货物编码等，将信息传递给伺服控制器，系统服务器发送出报文信息，指挥机器人去往最近的物流货架。而NFC模块可用于接收调度信息，并通过微处理器控制机器人前往目标，以及货物存放与制定货位。在此过程中，机器人需要完成各项理货动作，该阶段可通过自动化机械臂取代传统的人工操作，如应用日本安川电机YASKAWA硬件与发那科FANUC及德国的库卡等算法相结合的机械臂，完成机器人的上货、分拣、码垛等智能动作，现阶段下机器人的机械臂还配备真空吸盘，用于抓取包裹并进行扫描，后台会将识别到的信息与货柜进行匹配计算，机器人则直接将包裹放进对应的货柜中，全程没有停顿，该系统每小时可分拣700～1000件包裹，大幅度提升了仓储物流工作的智能性，解放了大量劳动力。同时，该系统还可通过重力检测来判断货柜是否装满，减少装袋与运动规划时间，提高分拣效率。

6仓储物流机器人控制算法验证

6.1测试环境

仓储物流机器人的算法验证用来检验ARM处理器控制下机器人的可靠性，以及路径规划的避障能力、空间位姿状态的控制效果等。测试可选用ARM11开发平台，所测试的机器人内置LBlink通信模块，可匹配交流伺服电机，后台则可通过相关监控平台，随时观察仓储机器人的工作状态，从而评估测试结果。测试中仓储物流机器人可通过C60平台进行构建，并采用轴向6个控制器，自动诊断运动状态、空间坐标系等，如初始编码位置在54 157轴向的机器人可将传动比与脉冲数设置为106与13 1072，初始编码位置在125 484轴向的机器人可将传动比与脉冲数设为54.35及131072，机器人初始位置状态的设定也决定了后续检测中检测结果的可靠性，以确保机器人拥有较为精准的定位能力，模拟出真实作业环境，并通过驱动算法进行实时在线纠偏，测试系统的容错能力，进而提高对各类运动参数的预估精度，获取更高的控制精度。

6.2轨迹规划与障碍躲避检测

仓储物流机器人的行动轨迹可被限制在100*85m的矩形场地中，区域范围内包括46组立体货架。将机器人的初始点位设为A点，测试机器人从A点出发，前往B，C，D货柜，同时路径上还会有其他正在工作的机器人，用于轨迹规划与障碍躲避检测，该方式可直接体现出机器人在路径规划、碰撞规避等方面的能力。内置了嵌入式ARM控制系统的仓储物流机器人应具备根据实施路况信息规划路径的能力，选择动态化最优路径，并能够顺利躲避路径上的障碍物，到达目的地。

在实践测试中，根据机器人的初始位置，系统已经判断出最优路径，通过对比发现，嵌入式ARM微处理器机器人可以成功躲避障碍物，还可根据当前实时位置信息，及时规划最优路径，该路径与系统判断的最优路径相重合，而采用传统遗传算法的机器人虽能够躲避障碍物，但却难以利用通信模块做好最优路径规划，在工作效率上远不如嵌入式ARM机器人，因此搭载了嵌入式ARM微处理器的机器人可进一步提升仓储物流工作效率及智能性。

6.3空间位姿控制偏差检测

仓储物流机器人应按照既定程序，控制行进路线的同时，做好货物的抓取、存放等动作。而为了确保该工作的精准性，应对机器人的空间位姿偏差进行检测，该项测试中可检测出机器人在进行抓取、摆放货物等过程中的偏差，以避免货架上货物的位置出现偏离。在实验中可设立46组立体货架，并统计仓储物流机器人摆放货物的偏离情况，测试结果显示搭载嵌入式ARM处理器的机器人在摆放货物时并未出现较大的偏差，且应用日本安川电机YASKAWA硬件与发那科FANUC算法的机械臂在工作中具有较高的工作质量，可满足现阶段智能机器人的工作需求，实验效果较好。

7结束语

嵌入式ARM结构的仓储物流机器人可通过控制算法，实时获取自身位置信息，并进行准确的空间定位，在工作中可及时规划出最优路径，同时具有高精度的避障能力。而在工作效率上，嵌入式ARM结构的机器人相较于传统的遗传算法机器人，具有更高的工作效率与更精准的空间位姿，且拥有实时纠偏功能，降低货物摆放偏差，经测试该机器人的应用可满足生产要求，促进行业发展。