CN107608350A - 一种基于msp430的仓储物流机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统，该系统的主控制板包括MSP430F5438A微处理器，人机交互模块，混合导航模块，避障模块，电源管理模块，通信模块和运动控制模块。该系统可以接受上位机指令，应用于潜入式的仓储物流机器人中，帮助在复杂的仓库环境中实现货架搬运与管理。

Description

一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统

技术领域

本发明涉及一种轮式机器人控制技术，特别是一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统。

背景技术

随着“中国制造2025”规划的进一步落实，各行各业都在朝着自动化、智能化的方向发展。近年来，电子商务、物流运输等行业的规模越来越大，对自动化仓储的需求也与日俱增。因此，研究新型的智能仓储物流机器人控制系统将大力推动仓储自动化、智能化的进程，对企业提高生产效率、降低成本、提高产品质量将有显著的作用，同时也可打破国外对中国在该领域的技术封锁。

20世纪50年代初，由牵引式拖拉机改造而成的一种跟随钢丝索导引的牵引式自动导引小车，是仓储搬运机器人的雏形，可以和其他物流输送系统相匹配，极大地提高工厂的生产效率。1959年，美国将这种自动导引小车系统成功地运用到实际的仓库储物及工厂生产线中。1985年，欧洲公司制造使用的AGV达到了10000台，与此同时美国也拥有着2100个AGV控制系统。

近年来，随着电子商务的飞速发展以及相关新型导引技术逐步运用到实际生产生活中，自动导引小车使用的范围逐渐扩大，逐步应用到物流运输行业。2015年亚马逊公司将研发的机器人“Kiva”投入其物流仓储中，Kiva可利用条形码对每个货架进行追踪定位从而实现智能导航，在有订单的时候能将装有指定货物的货架运至分检处，从而减轻分拣人员的劳动强度。

相对于国外，国内相关的研究起步比较晚，直到1975年，我国才研制出第一台电磁导引方式的搬运机器人，此机器人由北京起重运输机械研究所研制完成。1991年，中科院沈阳自动化所在国家“863”计划支持下，完成了多项移动机器人应用基础研究以及应用技术开发项目，该项目将较为成熟的电磁导引技术应用于搬运机器人中。

2013年，沈阳新松公司在杭州举办的第十二届中国工业博览会上，向人们展示了使用惯性导引技术的自动导引小车，为搬运机器人的导引方式开辟了新的篇章。2015年，沈阳新松有限公司成功研发了运用于智能物流行业的仓储机器人，可以举起1000多公斤的货物，它能把货架举起并送到目标区域，也能够潜伏进货架底部，进行搬运，为物流货运提高2至4倍的订单处理效率，以此减少了人员投入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统该控制系统在仓储物流机器人工作过程中接收上位机指令，控制机器人完成搬运指定货架到指定位置的动作。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统，包括MSP430微处理器、运动控制模块、避障模块、混合导航模块、人机交互模块和电源管理模块；其中所述运动控制模块包括编码器、无刷直流电机驱动模块和步进电机驱动模块；所述避障模块包括急停按键和红外光电传感器；所述混合导航模块包括灰度传感器、二维激光条码扫描器和惯性导航；所述人机交互模块包括复位按键和JTAG接口；所述电源管理模块包括电源、稳压模块和电压检测模块；编码器根据MSP430微处理器的信号产生编码信号，无刷直流电机驱动模块根据编码器产生的编码信号控制车轮转动，步进电机根据编码器产生的编码信号控制机器人的升降装置；红外光电传感器探测机器人行进路线上是否有障碍，急停按键在外部指令下输入机器人停止前行的信号；二维激光条码扫描器扫描贴于地面上的二维码图案且获取二维码图案中的位置信息，灰度传感器扫描贴于地面上二维码图案前端的灰度导引线，惯性导航在MSP430微处理器发出下一条指令前对机器人进行导航定位；复位按键用于复位MSP430微处理器，JTAG接口用于连接MSP430微处理器和外部上位机；电源为系统提供工作电压，稳压模块为将电源电压转换为各部件所需的稳定电压，电压检测模块用于检测电源剩余电量；MSP430微处理器接收上位机指令生成行进路线并产生信号控制编码器产生编码信号，MSP430微处理器接收灰度传感器采集的数据纠正机器人行进姿态，MSP430微处理器接收二维激光条码扫描器采集的数据调整调整行进路径，MSP430微处理器在未接收到灰度传感器和二维激光条码扫描器采集的数据时，产生指令控制惯性导航对机器人进行导航定位，MSP430微处理器接收红外光电传感器采集的有障碍物的数据控制编码器产生停止前行的编码信号，MSP430微处理器接收急停按键的输入信号控制编码器产生停止前行的编码信号，MSP430微处理器接收电压检测模块采集的数据产生指令信号。

本发明设计了电压检测模块，实时检测电池电压，判断是否需要充电，可以改善充电时电池电压过低从而导致电池性能下降的缺点，从而提高了能源利用效率；本发明采用“粗精组合”思想，使用了一种将惯性测量技术、二维码识别技术与灰度循迹技术相结合的室内导航定位方法，即通过二维码方式进行粗定位，采用惯性导航模块在短距离内进行精定位，并使用灰度传感器进行方向修正，从而实现了机器人在仓储空间中的精确导航与定位；本发明可以通过WiFi局域网建立MSP430与上位机通信的桥梁，控制系统可以接受并反馈信息给上位机，从而实现控制系统与上位机的信息交换。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1是本发明一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统结构框图。

图2是本发明中软件功能需求图。

图3是本发明中软件结构框图。

图4是本发明中转速控制算法示意图。

图5是本发明中灰度辅助导引的示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明是一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统，包括主控芯片，人机交互模块，混合导航模块，避障模块，电源管理模块，通信模块和运动控制模块。所述运动控制模块包括编码器、无刷直流电机驱动模块和步进电机驱动模块；所述避障模块包括急停按键和红外光电传感器；所述混合导航模块包括灰度传感器、二维激光条码扫描器和惯性导航；所述人机交互模块包括复位按键和JTAG接口；所述电源管理模块包括电源、稳压模块和电压检测模块。控制系统硬件电路由AD软件绘制，制作成PCB电路板。控制系统软件使用IAR软件编写，烧录在主控芯片中。

编码器根据MSP430微处理器的信号产生编码信号，无刷直流电机驱动模块根据编码器产生的编码信号控制车轮转动，步进电机根据编码器产生的编码信号控制机器人的升降装置；红外光电传感器探测机器人行进路线上是否有障碍，急停按键在外部指令下输入机器人停止前行的信号；二维激光条码扫描器扫描贴于地面上的二维码图案且获取二维码图案中的位置信息，灰度传感器扫描贴于地面上二维码图案前端的灰度导引线，惯性导航在MSP430微处理器发出下一条指令前对机器人进行导航定位；复位按键用于复位MSP430微处理器，JTAG接口用于连接MSP430微处理器和外部上位机；电源为系统提供工作电压，稳压模块为将电源电压转换为各部件所需的稳定电压，电压检测模块用于检测电源剩余电量；MSP430微处理器接收上位机指令生成行进路线并产生信号控制编码器产生编码信号，MSP430微处理器接收灰度传感器采集的数据纠正机器人行进姿态，MSP430微处理器接收二维激光条码扫描器采集的数据调整调整行进路径，MSP430微处理器在未接收到灰度传感器和二维激光条码扫描器采集的数据时，产生指令控制惯性导航对机器人进行导航定位，MSP430微处理器接收红外光电传感器采集的有障碍物的数据控制编码器产生停止前行的编码信号，MSP430微处理器接收急停按键的输入信号控制编码器产生停止前行的编码信号，MSP430微处理器接收电压检测模块采集的数据产生指令信号。

所述的MSP430微处理器用于驱动运动控制模块和混合导航模块，当接收到上位机发送的目标地址指令之后，根据MSP430的存储器中存储的当前位置，规划仓储物流机器人的前进路径，产生无刷直流电机驱动模块的PWM波驱动信号。根据所述的运动控制模块中的编码器返回的电机转速，使用模糊PI算法控制MSP430产生的PWM波，达到电机转速闭环的效果，并且根据混合导航模块返回的位置信息，对前进路线进行修正。到达目标地点之后，控制步进电机举升货架运送至指定位置，再返回上位机制定的停止位置，从而完成上位机发送的任务，实现货架的搬运，并在完成后将当前位置记录在MSP430的存储器中。

所述的避障模块通过红外光电传感器可以感知仓储物流机器人前方障碍，在运行时传感器发射红外光，若前方有障碍，则红外光反射回来被传感器接收到，通过I/O接口将信息传送给MSP430微处理器，使机器人停下，等到障碍被清除，传感器不再接收到红外光后，机器人再继续前进。同时，控制系统中设置急停按键可以在特殊情况下控制机器人急停。

所述的混合导航模块通过二维码读取器采集的二维码信息得到初始定位信息通过串行通信接口发送给MSP430，之后以惯性导航模块为基础，采集机器人行驶过程中的偏航角信息，与此同时通过所述运动控制模块的编码器可以获取机器人的速度信息，两者结合推算得到机器人的运动轨迹。考虑到惯性导航存在累积误差，在二维码地标前贴有小段深色导引线，通过灰度传感器检测，在有导引线时循线行驶，驶离导引线时重新开始惯性导航，完成误差的消除。

所述电源采用锂电池供电，锂电池供电电压为24V，直接为灰度传感器、无刷直流电机、电机驱动器、红外光电传感器、通信转换器供电，采用汇众隔离型DC-DC转换模块HZD10W-24S05将24V电压转换为5V电压为编码器、二维码激光扫描器、惯性导航器件供电，采用TI公司的3.3V固定输出型低压差TPS7333稳压器将5V电压转换为3.3V电压为芯片供电，电路中串入了LED灯可以用作检测所述电源管理模块功能是否正常。

所述控制系统搭载的传感器有所述避障模块中的红外光电传感器、所述电机驱动模块中的编码器和所述混合导航模块中的二维码激光扫描器、惯性导航器件和灰度传感器。所述红外光电传感器和灰度传感器输出通过TI公司的芯片SN74LCX245进行电平转换后输入芯片。所述编码器可实现两相正交输出，同样通过芯片SN74LCX245进行电平匹配。所述二维码扫描器和惯性导航器件采取RS232经过RSM232-DS隔离收发器与MCU进行信息交互，RSM232-DS可直接嵌入控制电路板中，其模块包含了光耦、DC/DC隔离、RS-232收发器等其它元器件，具备电源隔离、电气隔离的特性，使用RSM232可以提高系统的稳定性，简化电路设计。

所述控制系统的避障模块包括红外光电传感器和急停按键。所述红外光电传感器E3Z-D61通过红外线检测前方是否存在障碍。运行时，传感器中的发光器件发射出红外光，当前方1m内存在障碍阻碍前进时，红外光被反射回来，由传感器中的感光器件接收，传感器输出一个电平信号给控制芯片，触发软件中的停止中断，从而控制机器人停止前进；当障碍消失后，即感光器件不再接收到红外光时，信号消失，机器人继续运行。

所述控制系统使用UART串口与计算机进行无线通信，使用了MAX3485进行电平转换，将TTL电平转换为差分电平，此接口电路与ZLAN转换器进行连接，可以实现上位机和MCU之间的无线通信。

所述控制系统的软件设计需要满足如图2所示的功能需求，在此基础上采用模块化的程序结构，将整个嵌入式软件系统分为6个模块：主函数(main.c)、初始化模块(InitSys.c)、中断模块(Interrupt.c)、数据采集模块(DataPro.c)、运动控制模块(Control.c)、无线通讯模块(Communication.c)，框架如图3所示。

用于驱动运动控制模块和混合导航模块，当接收到上位机发送的目标地址指令之后，根据MSP430的存储器中存储的当前位置，规划仓储物流机器人的前进路径，产生无刷直流电机驱动模块的PWM波驱动信号。根据所述的运动控制模块中的编码器返回的电机转速，使用模糊PI算法控制MSP430产生的PWM波，达到电机转速闭环的效果，并且根据混合导航模块返回的位置信息，对前进路线进行修正。到达目标地点之后，控制步进电机举升货架运送至指定位置，再返回上位机制定的停止位置，从而完成上位机发送的任务，实现货架的搬运，并在完成后将当前位置记录在MSP430的存储器中。

以下以一种用于仓储物流机器人的控制系统为例，说明本发明的具体工作方式：

1、所述控制系统应搭载在一个可轮式移动、具有举升货架能力的仓储物流机器人中。所述控制系统工作时，首先通过所述通信模块接收上位机传递的命令。该命令通常给出一个指定的货架位置。所述控制系统应控制机器人自主移动到指定的货架位置，将指定的货架搬运至作业区供物流工作人员作业，作业完成后将货架搬运回原位置。

2、构造机器人运动时所述控制系统运动控制模块的电机控制算法，一是使用如图4所示的模糊PI控制算法对转速进行闭环控制。控制具体步骤为：

(1)模糊化

模糊PI控制器的输入量是转速误差e和转速变化率ec，输出量是比例系数变化量ΔK_p和积分系数变化量ΔK_i。取e的论域为[-3,3]，ec的论域为[-3,3]，输出量ΔK_p的论域为[-3,3]，ΔK_i的论域为[-0.06,0.06]。输入和输出的模糊论域为[-3,3]，选取7个模糊子集，对应值为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。输入变量e和ec和输出变量ΔK_p、ΔK_i均采用Z型、三角形型和S型的隶属度函数。

(2)模糊规则

按照如下的模糊规则进行参数比例系数Kp和积分系数Ki的自整定：

1)当|e(t)|较大时，需要加快系统的响应速度，加强比例作用，增大Kp的值；为了抑制超调，应减小Ki的取值。

2)当|e(t)|为中等大小时，为了防止出现过大的超调，Kp应取稍小的值；为了保证响应速度，Ki要适中。

3)当|e(t)|较小时，尽可能消除系统的稳态误差，Kp和Ki应大一些。

结合以上规则和实际情况，可制定不同的ΔK_p和ΔK_i控制规则。

(3)模糊推理与去模糊化

选用Mamdani型的模糊逻辑推理，“与”算法为取小，“或”算法为取大，“蕴涵”算法为Mamdani取小，综合为各条规则结果的模糊子集取“并”，去模糊的方法选用面积中心法。

根据以上步骤，搭建具体电机模型，可实现电机转速的模糊PI控制。

二是考虑到机器人的平稳性，在启动和停止的过程中，采用S曲线加减速的控制方法使速度变化更为平滑。实际操作中，将加减速的过程分为7部分：1加加速部分，2匀加速部分，3减加速部分，4匀速部分，5减减速部分，6匀减速部分，7加减速部分。

3、在仓库地面上，每隔一定距离贴有包含位置信息的二维码图案。接收命令后，所述混合导航模块中的二维码激光扫描器可以扫描所述二维码，根据所获得的二维码信息和预定目的地的位置得到机器人下一步的行动方向。在行驶的过程中，所述混合导航模块中的惯性导航器件将采集获得机器人航向角和速度信息，根据时间推算得到机器人运动轨迹，控制机器人运动方向。

结合图5，考虑到惯性导航器件在运行过程中存在有累积误差，在每个二维码地标的前端贴有一小段灰度导引线。所述混合导航模块中的一排放置的8路灰度寻线传感器，在扫描到黑色或灰色时输出为高电平，扫描到白色时输出低电平。机器人运行过程中，若8路灰度传感器未检测到任何一路有深色导引线，则按照惯性导航行驶，若检测到有深色导引线，则对机器人姿态进行纠正。具体为：当机器人方向正时，应只有第4路和第5路传感器检测到导引线，则当有导引线被检测到时，计算传感器编号的平均值，若小于4.5则左转，若大于4.5则右转，从而纠正偏差。纠正完毕行驶出导引线范围后，再以当前位置作为新的惯性导航起点，从而实现消除惯性导航器件的累积误差。

4、所述控制系统若通过所述避障模块中红外传感器检测到有障碍物阻挡，则触发停止中断，等待障碍消失后继续运行。所述控制系统配置了急停按钮，工作人员可通过该按钮保障机器人安全运行。所述控制系统可通过电源管理模块实时监测电池电量，当电量过低时，自动行驶至充电区进行充电。

Claims (8)

1.一种基于MSP430的仓储物流机器人控制系统，其特征在于，包括MSP430微处理器、运动控制模块、避障模块、混合导航模块、人机交互模块和电源管理模块；其中

所述运动控制模块包括编码器、无刷直流电机驱动模块和步进电机驱动模块；

所述避障模块包括急停按键和红外光电传感器；

所述混合导航模块包括灰度传感器、二维激光条码扫描器和惯性导航；

所述人机交互模块包括复位按键和JTAG接口；

所述电源管理模块包括电源、稳压模块和电压检测模块；

编码器根据MSP430微处理器的信号产生编码信号，

无刷直流电机驱动模块根据编码器产生的编码信号控制车轮转动，

步进电机根据编码器产生的编码信号控制机器人的升降装置；

红外光电传感器探测机器人行进路线上是否有障碍，

急停按键在外部指令下输入机器人停止前行的信号；

二维激光条码扫描器扫描贴于地面上的二维码图案且获取二维码图案中的位置信息，

灰度传感器扫描贴于地面上二维码图案前端的灰度导引线，

惯性导航在MSP430微处理器发出下一条指令前对机器人进行导航定位；

复位按键用于复位MSP430微处理器，

JTAG接口用于连接MSP430微处理器和外部上位机；

电源为系统提供工作电压，

稳压模块为将电源电压转换为各部件所需的稳定电压，

电压检测模块用于检测电源剩余电量；

MSP430微处理器接收上位机指令生成行进路线并产生信号控制编码器产生编码信号，

MSP430微处理器接收灰度传感器采集的数据纠正机器人行进姿态，

MSP430微处理器接收二维激光条码扫描器采集的数据调整调整行进路径，

MSP430微处理器在未接收到灰度传感器和二维激光条码扫描器采集的数据时，产生指令控制惯性导航对机器人进行导航定位，

MSP430微处理器接收红外光电传感器采集的有障碍物的数据控制编码器产生停止前行的编码信号，

MSP430微处理器接收急停按键的输入信号控制编码器产生停止前行的编码信号，

MSP430微处理器接收电压检测模块采集的数据产生指令信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统的微处理器采用TI公司的MSP430F5438A芯片。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无刷直流电机驱动模块采用成都爱控的AQMD6020BLS型驱动器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述避障模块的红外光电传感器采用OMRON的E3Z-D61红外光电传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述惯性导航模块采用Xsens公司的MTI-28A53G35单元。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述二维码扫描模块采用优力科创电子公司MS4100二维码读码器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述灰度检测模块采用型号为SEN1665的8路灰度寻线传感器，所述灰度传感器探测距离距地面高度为8～25mm，每两个传感器的间距为1.5cm。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统电源管理模块的稳压模块采用汇众隔离型DC-DC转换模块HZD10W-24S05和TI公司的TPS7333稳压器，HZD10W-24S05提供了24V电压至5V电压的转换，TPS7333稳压器提供了5V电压至3.3V电压的转换。