CN210626937U - 智能仓储物流机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为智能仓储物流机器人控制系统，包括机器人子系统、控制终端和UWB定位基站，所述机器人子系统包括主控制板、从控制板、里程计、超声波传感器、电源换相模块、IMU、UWB标签、激光雷达、光电隔离模块、无刷直流电机驱动器、无刷直流电机；主控制板为树莓派控制器，UWB标签与UWB定位基站无线通讯，主控制板与UWB标签进行实时通讯，主控制板通过IIC与IMU进行实时通讯，主控制板通过USB与激光雷达进行实时通讯；同时主控制板控制无刷直流电机工作，从控制板与主控制板双向通讯，同时从控制板连接遥控接收机、里程计及多个分布在机器人上的超声波传感器；主控制板与控制终端的上位机无线通讯。在提高精度的前提下，增强系统运行的可靠性。

Description

智能仓储物流机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种移动机器人自主定位导航领域，具体涉及一种智能仓储物流机器人控制系统。

背景技术

随着“中国智能制造2025”规划的进一步落实，智能仓储物流机器正在越来越多被应用于工业上的分拣、包装、搬运等环节，代替人工运输货物，提高了工作效率。智能仓储物流机器人通过地面导航，自主避障，完成设定的工作过程。其中机器人的定位和导航是智能仓储物流机器人的关键技术，机器人的定位技术可分为绝对定位与相对定位两大类。相对定位测量的传感器主要有IMU以及里程计等，这一类的不足是误差会随着时间的推移逐渐累积；绝对定位主要采用视觉定位、即时定位与地图构建(SLAM)、基于信标的定位等，这一类传感器的不足是在环境异变的情况下，感知对象的不确定度增加，系统的不稳定性也随之增加。

由于单一传感器的定位技术存在一定的局限性，基于此，本实用新型融合激光雷达、UWB传感器、IMU、里程计以及超声波传感器等多种定位技术，实现智能仓储物流机器人对现场环境的精确感知，提升了机器人的定位精度与可靠性。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种智能仓储物流机器人控制系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种智能仓储物流机器人控制系统，包括机器人子系统、控制终端和UWB定位基站，其特征在于，

所述机器人子系统包括主控制板、从控制板、里程计、超声波传感器、电源换相模块、IMU、UWB标签、激光雷达、光电隔离模块、无刷直流电机驱动器、无刷直流电机；

所述主控制板为树莓派控制器，

UWB标签与UWB定位基站无线通讯，主控制板通过串口通讯方式与UWB标签进行实时通讯，主控制板通过IIC与IMU进行实时通讯，主控制板通过USB与激光雷达进行实时通讯；同时主控制板通过光电隔离模块、无刷直流电机驱动器控制机器人上的无刷直流电机工作，

从控制板与主控制板双向通讯，同时从控制板连接遥控接收机、里程计及多个分布在机器人上的超声波传感器；

主控制板与控制终端的上位机无线通讯。

上述控制系统还包括手持遥控器，手持遥控器通过遥控接收机与从控制板通讯。

机器人子系统中还包括用于机器人抬升或下降货架或物品的多个推杆，多个推杆安装在机器人上，多个推杆通过电源换向模块与从控制板连接。

所述树莓派控制器为Raspberry Pi 3model B+微型电脑或树莓派4B；所述从控制板为意法半导体公司生产的STM32F103单片机。

IMU为MPU6050，激光雷达为思岚科技生产的RPLIDARA2，超声波传感器的型号为HC-SR04模块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型控制系统将激光雷达、UWB传感器、IMU、里程计以及超声波传感器多种定位技术融合在一起，采用双处理器分布式控制，以树莓派控制器作为机器人子系统的控制核心，支持大数据量的快速处理，实现智能仓储物流机器人对现场环境的精确感知，提升了机器人的定位精度与可靠性。

2)本实用新型中从控制板采用STM32F103单片机作为主控芯片，连接里程计、遥控器、超声波传感器、推杆，降低了主控制板上的负担，树莓派与从控制板的相互配合，提高了系统的运行稳定性。

3)本实用新型采用UWB定位方式获得机器人的绝对位置，它在室内定位方面有巨大优势，定位精度高；采用惯性导航技术可以检测自身姿态从而计算出自身位置，惯性导航技术的实时检测性好；采用激光雷达可以检测周围位置环境并记录下来，然后通过GmappingSLAM算法得到机器人的环境地图，在机器人移动的同时也可起到实时避障的作用，增强了机器人对未知物体(运动的物体)的检测能力；采用反射式测距方式的超声波定位进行测距，这种定位方式精度高，同时能弥补激光雷达在透明或高反射物体前激光雷达失效的不足，作为机器人定位控制的最后一道防线，增强了系统运行的可靠性。

4)本实用新型可应用于仓储物流领域，有利于降低物流分拣搬运的成本，减少人员的投入，改善物流管理，降低货物搬运损伤的概率，可提高现代物流的分拣效率，促进物流行业的发展。此外，它还可应用于其他领域，包括：物料处理领域、酒店搬货领域、军事及危险场所领域等。

附图说明

图1为本实用新型所涉及的系统硬件框图。

图2为本实用新型所涉及的机器人主控制板和从控制板软件结构框图。

图3为本实用新型所涉及的多传感器数据融合定位结构框图。

图4为本实用新型所涉及的UWB的绝对定位解算结构框图。

图5为本实用新型所涉及的超声波与激光雷达数据融合程序的流程结构示意框图。

图6为本实用新型所涉及的地图扫描与生成程序结构框图。

图7为本实用新型所涉及的主控制板路径规划的软件流程图。

图中，100机器人子系统、200控制终端、300 UWB定位基站；

第一无线收发模块101、主控制板102、UWB标签103、激光雷达104、光电隔离模块105、无刷直流电机驱动器106、第一无刷直流电机107、第二无刷直流电机108、第三无刷直流电机109、第四无刷直流电机110、IMU 111、从控制板112、里程计113、遥控接收机114、第一超声波传感器115、第二超声波传感器116、第三超声波传感器117、第四超声波传感器118、电源换相模块119、A推杆120、B推杆121、C推杆122、D推杆123；

上位机21、第二无线收发模块22、手持遥控器23；

第一UWB基站31、第二UWB基站32、第三UWB基站33、第一电平转换模块34、第二电平转换模块35、第三电平转换模块36、第一基站电源37、第二基站电源38、第三基站电源39。

具体实施方式

以下结合实施例及附图详细描述本实用新型，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

如图1所示，智能仓储物流机器人控制系统包含机器人子系统100、控制终端200、UWB定位基站300三大部分。其中机器人子系统包括第一无线收发模块101、主控制板102、UWB标签103、激光雷达104、光电隔离模块105、无刷直流电机驱动器106、第一无刷直流电机107、第二无刷直流电机108、第三无刷直流电机109、第四无刷直流电机110、IMU 111、从控制板112、里程计113、遥控接收机114、第一超声波传感器115、第二超声波传感器116、第三超声波传感器117、第四超声波传感器118、电源换相模块119、A推杆120、B推杆121、C推杆122、D推杆123；机器人上安装上述的机器人子系统，四个无刷直流电机控制机器人的行走，四个超声波传感器分布在机器人的四角周围，实时测距，遥控接收机用于接收手持遥控器的控制信号，UWB标签、里程计、激光雷达均安装在机器人上；四个推杆安装于机器人上，用于机器人抬升或下降货架或物品。

UWB定位基站300包括第一UWB基站31、第二UWB基站32、第三UWB基站33、第一电平转换模块34、第二电平转换模块35、第三电平转换模块36、第一基站电源37、第二基站电源38、第三基站电源39，控制终端包括上位机21、第二无线收发模块22。

第一基站电源由AC220V提供,连接至第一UWB基站31接线端子的输入端，接线端子的输出端连接至第一电平转换模块34的输入端，第一电平转换模块34的输出端连接至第一UWB基站31的电源输入端。第二基站电源由AC220V提供,连接至第二UWB基站32接线端子的输入端，接线端子的输出端连接至第二电平转换模块35的输入端，第二电平转换模块35的输出端连接至第二UWB基站32的电源输入端。第三基站电源由AC220V提供,连接至第三UWB基站33接线端子的输入端，接线端子的输出端连接至电平转换模块3的输入端，电平转换模块3的输出端连接至UWB基站3的电源输入端。本实用新型中UWB基站数量最少为三个，基站数量越多定位效果会有所提高，但是成本以及算法难度等会加大。

UWB标签的电源输入端连接至主控制板的+5V输出端，RXD与TXD端子分别连接主控制板的TXD与RXD端子；光电隔离模块的六个输入端子分别连接至主控制板的输出端子GPIP.7、GPIP.0、GPIP.2、GPIP.3、GPIP.21、GPIP.22，光电隔离模块的六个输出端子分别连接至无刷直流电机驱动器的ENA、IN1、IN2、IN3、IN4、ENB端子(ENA、ENB为使能端，IN1-4位输入端)；激光雷达的USB接口连接至主控制板的USB接口；IMU的SDA、SCL端子分别接至主控制板的SDA.1、SCL.1端子；主控制板的SDA.1、SCL.1端子分别连接从控制板的PB9、PB8端子；第一无线收发模块1的以太网端口连接至主控制板的以太网端口。

遥控器接收机的差分信号引脚CHO、CH1、CH2分别连接至从控制板的PA8、PA9、PA10输入端子，手持遥控器23与遥控接收机实现数据通讯；第一超声波传感器15、第二超声波传感器16、第三超声波传感器17、第四超声波传感器18的输入端子分别对应连接从控制板的信号输出端PB5、PB2、PC10、PC11端子，第一超声波传感器15、第二超声波传感器16、第三超声波传感器17、第四超声波传感器18的输出端子分别对应连接从控制板的信号输入端PA0、PA1、PA2、PA3端子；电源换相模块的两个输入端分别接至从控制板的输出端子PE13和PE14，电源换相模块的输出端分别接至A推杆-推杆D的电源输入端，A推杆-推杆D均为电动推杆。

上述所说主控制板为Raspberry Pi基金会开发的Raspberry Pi 3model B+微型电脑，包含MicroSD卡插槽的板载存储、1G的RAM、ARM Cortex-A53CPU,具有多种外设通讯接口，如SCI，SPI，IIC等。在计算性能、唤醒延迟和功耗方面，几种省电模式提供了具有灵活性的最大优化方案。本申请主控制板还可以选择树莓派4B，能进一步提高其运行速率。

上述所说从控制板为意法半导体(ST)公司生产的STM32F103，其内核是Cortex-M3，芯片集成了定时器、CAN、ADC、SPI、IIC、USB、UART等多种功能，最高72MHZ工作频率。

上述所说的UWB基站(31-33)以及UWB标签是基于DecaWave公司开发的DW1000芯片开发的，UWB标签与各基站之间通过无线通讯方式通讯，经计算处理后通过串口通讯方式将所测量到的定位标签与各基站间的距离传输至主控制板Raspberry Pi 3model B+微型电脑。

上述所说的遥控接收机为FS-IA6B，它有6个通道，频率范围：2.4055-2.475GHZ，波段个数为140个，发射功率不高于20DBM，接收灵敏度为-105DBM。手持遥控器具有无线传输功能，能与遥控接收机进行无线控制。

上述所说的IMU为MPU6050，角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IIC。

上述所说的激光雷达为思岚科技生产的RPLIDARA2，测距范围0.15-18米，测距分辨率小于0.5毫米，角度分辨率0.9度，扫描角度0-360度，单次测距时间0.25秒，扫描频率10HZ。

上述所说的超声波传感器为HC-SR04模块，工作电压为5V，工作频率为40kHz，探测距离可达700cm，最低探测距离低至2cm。

上述所说的里程计采用增量式光电编码器进行航迹推算，它由光栅盘、发光器件及检测光栅组成，输出电平为CMOS。

上述所说的光电隔离模块采用光耦进行隔离，输入端信号电压为3.3V～24V，输出端供电电压6～30V，四路独立工作最高响应次数1M次/秒。

上述所说的推杆型号为XTL100，电源方式为直流电，行程为150mm，具有限位开关功能，任意位置可停止。

上述所说的手持遥控器为FS-I6，它有6个通道，数据分辨率：1024级，输入电压6V，调制方式：GFSK，系统模式：第二代增强版自动调频数字系统，具有低电压报警功能。

上位机21为PC机，具有友好的人机界面，通过控制终端可设定机器人的目的地、显示机器人的实时位置。

另外，基于本申请的硬件结构可以进行如下控制方法设计，包括如下步骤：

1)首先，机器人处于手动遥控模式对现场环境进行激光雷达扫描，激光雷达通过USB数据接口将数据传输至主控制板，主控制板通过GmappingSLAM算法处理数据并获得现场环境的地图信息。

2)从控制板实时将采集到的里程计传感器数据信息传输至主控制板；主控制板通过IIC与IMU进行实时通讯，获得机器人的姿态角与加速度等信息；主控制板将IMU与里程计获得的数据信息利用贝叶斯滤波算法进行数据层融合特征值；

3)主控制板通过USB与激光雷达进行实时通讯，获得机器人所处环境的相对位置信息；从控制板实时将采集到的超声波传感器数据信息传输至主控制板；主控制板将激光雷达与超声波获得的数据信息利用贝叶斯滤波算法进行数据层融合特征值；

4)主控制板通过串口通讯方式与UWB标签进行实时通讯，从而获得机器人与UWB定位基站的实时距离信息，通过卡尔曼滤波处理，再经三边定位算法计算后，最终获得机器人的自身所处环境的绝对位置信息特征值；

5)主控制板将里程计与IMU融合后获得的特征值、激光雷达与超声波传感器融合后获得的特征值与UWB获得的特征值利用扩展卡尔曼滤波器进行特征层融合，最终获得机器人的位姿；

6)控制终端通过无线通讯方式实现与主控制板进行数据交互，从而实现机器人所处位置的实时显示，通过控制终端设定机器人的目的地后，通过A*算法对路径进行自动规划。

7)机器人按照规划的路径控制机器人的四台无刷直流电机，在机器人运行的过程中，从控制板通过实时采集四个超声波传感器获得机器人四周障碍物的实时距离，当与前进方向的距离小于设定距离后，机器人将立即停止并进行自主避障重新规划路径。

8)当机器人到达设定地点后，主控制板通过IIC通讯将控制命令传输至从控制板，从控制板通过电源换相模块控制相应推杆执行上升或下降动作。

9)机器人还可以通过手持遥控器进行人工手动控制，从控制板通过实时采集遥控接收机信号，可实现对机器人的手动控制，从而实现机器人完成临时特殊工作的功能。

本实用新型所涉及的系统软件流程如下：

本系统软件由主控制板单元、从控制板单元两大部分组成，其中主控制板单元软件主要包括建构地图、自身定位、路径规划导航、运动控制、控制终端交互等内容。从控制板单元STM32F103单片机主要包括超声波传感器测距、里程计数据采集、遥控器接收机信息采集与推杆的控制功能。

如图2所示，主控制器程序主要由类的实例化程序、多传感器融合算法程序、控制程序以及上位机通信程序组成。类的实例化程序包括卡尔曼滤波器程序、三边定位法程序以及路径规划程序，类的实例化是创建一个类的实例，类的具体对象，以便于后面程序的调用，类的实例化可以重复使用。多传感器融合算法程序主要包括IMU与里程计数据融合程序、超声波与激光雷达数据融合程序、UWB绝对定位解算解算程序与特征层融合程序。控制程序主要包括遥控程序、控制推杆程序和控制电机程序。遥控程序是处理手持遥控器发送的数据，当机器人处于遥控模式时，控制程序主动询问该数据，当机器人处于自动模式时，控制程序主动询问路径处理之后的数据；当机器人到达目标点时向从控制板发送推杆控制信号；控制电机程序主要通过PWM信号控制四台无刷直流电机的控制速度及方向。上位机通信程序是新建一个进程，实例化Socket类监听打开1000端口解析上位机发布的数据，通过json库格式化处理数据上传到上位机。

从控制器程序包含超声波数据采集程序、遥控接收机信号处理程序、控制推杆程序与里程计数据采集程序。超声波数据采集程序主要采集各个超声波传感器与障碍物之间的距离；遥控接收机信号处理程序通过实时读取接收机的PWM脉冲信号并计算高电平的时间从而解算手持遥控器的信息；控制推杆程序通过控制GPIO引脚变化进而控制推杆动作的程序；里程计数据采集程序完成对里程计的数据采集。

如图3所示，本实用新型涉及到多传感器数据融合定位结构框图：

(1)从控制板将实时采集到的里程计传感器数据信息传输至主控制板；主控制板通过IIC与IMU进行实时通讯，获得机器人的姿态角与加速度等信息；主控制板将IMU与里程计获得的数据信息利用贝叶斯滤波算法进行数据层融合特征值；

(2)主控制板通过USB与激光雷达进行实时通讯，获得机器人所处环境的相对位置信息；从控制板实时将采集到的超声波传感器数据信息传输至主控制板；主控制板将激光雷达与超声波获得的数据信息利用贝叶斯滤波算法进行数据层融合特征值；

(3)主控制板通过串口通讯方式与UWB标签进行实时通讯，从而获得机器人与UWB定位基站的实时距离信息，通过卡尔曼滤波处理，再经三边定位算法计算后，最终获得机器人的自身所处环境的绝对位置信息特征值；

(4)主控制板将里程计与IMU融合后获得的特征值、激光雷达与超声波融合后获得的特征值与UWB获得的特征值利用扩展卡尔曼滤波器进行特征层融合，最终获得机器人的位姿。

如图4所示，本实用新型涉及到的UWB的绝对定位解算结构框图：

(1)主控制板通过串口实时读取UWB标签与UWB基站距离数据；

(2)主控制板将获得的数据通过卡尔曼滤波器进行滤波；

(3)主控制板通过Trilateration三边测量定位算法进行解算；

(4)主控制板获得机器人的绝对位置信息。

如图5所示，本实用新型涉及到的超声波与激光雷达数据融合程序结构框图：

(1)主控制板通过USB与激光雷达进行实时通讯，获得机器人所处环境的相对位置信息；

(2)从控制板实时将采集到的超声波传感器数据信息传输至主控制板；

(3)主控制板将激光雷达与超声波获得的数据信息进行贝叶斯滤波算法融合；

(4)主控制板获得机器人的相对位置及周围环境信息。

如图6所示，本实用新型涉及到的地图扫描与生成程序结构框图

(1)主控制板获得上位机建图指令并标定线速度与角速度；

(2)通过人为手动控制，使机器人在所处环境中移动；

(3)主控制板通过USB读取激光雷达数据信息，获取机器人位姿；

(4)主控制板通过GmappingSLAM算法建图并保存；

如图7所示，本实用新型涉及到主控制板A*路径规划的解算流程：

(1)将搜索区域划分成大小相等的网格；

(2)把起点放入开启列表中；

(3)寻找该节点周围可到达的网格点，跳过关闭列表的点，该点作为这些点的父方格；

(4)从开启列表删除该点，加入关闭列表中，并计算该点的F＝G+H值，其中F是从起始节点通过节点n的到达目标节点的最小代价路径的估计值，G是从起始节点到n节点的已走过路径的实际代价，H是从n节点到目标节点可能的最优路径的估计代价；n为正整数；

(5)判断F的值是否为最小，如果是则寻找成功并将该点从开启列表中删除加入至关闭列表中，进入步骤(6)；如果否则将该点加入关闭列表中；

(6)判断该点是否为目标点，如果是则结束搜索路径，如果否则继续以上搜索过程，返回步骤(3)。

本实用新型可应用适用于中小件、多品类的仓库拣选作业，适用仓库面积可达上万平米，可针对电商、零售、3PL、医药、鞋服、食品、日用品、工业、汽车制造等众多行业，还可用于大型工厂的装配车间。此外，它还可应用于其他领域，包括：物料处理领域、军事及危险场所领域等。

本实用新型中重点在于几种传感器结合使用以提高机器人运行精度和稳定性，具体涉及的软件控制方法，如GmappingSLAM算法、A*路径规划、扩展卡尔曼滤波器、Trilateration三边测量定位算法、贝叶斯滤波算法等均可直接应用现有技术实现，不作为本申请的改进创新之处。本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种智能仓储物流机器人控制系统，包括机器人子系统、控制终端和UWB定位基站，其特征在于，

所述机器人子系统包括主控制板、从控制板、里程计、超声波传感器、电源换相模块、IMU、UWB标签、激光雷达、光电隔离模块、无刷直流电机驱动器、无刷直流电机；

所述主控制板为树莓派控制器，

UWB标签与UWB定位基站无线通讯，主控制板通过串口通讯方式与UWB标签进行实时通讯，主控制板通过IIC与IMU进行实时通讯，主控制板通过USB与激光雷达进行实时通讯；同时主控制板通过光电隔离模块、无刷直流电机驱动器控制机器人上的无刷直流电机工作，

从控制板与主控制板双向通讯，同时从控制板连接遥控接收机、里程计及多个分布在机器人上的超声波传感器；

主控制板与控制终端的上位机无线通讯。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，该系统还包括手持遥控器，手持遥控器通过遥控接收机与从控制板通讯。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，机器人子系统中还包括用于机器人抬升或下降货架或物品的多个推杆，多个推杆安装在机器人上，多个推杆通过电源换向模块与从控制板连接。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述树莓派控制器为Raspberry Pi3model B+微型电脑或树莓派4B；所述从控制板为意法半导体公司生产的STM32F103单片机。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，IMU为MPU6050，激光雷达为思岚科技生产的RPLIDARA2，超声波传感器的型号为HC-SR04模块。

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