基于图像识别AGV仓库搬运机器人

2022-09-11

一、引言

传统的仓库和工厂中货物的搬运总是耗费大量人力、效率底下、频繁出错。仓库中的选货就有更多问题了, 货物存储的地方, 不同货物有不同大小, 不同的重量等等, 对人力搬运是一种挑战。使用自动导引电动车控制器 (AGV) 可以轻松完美的解决这一难题——不仅降低人力成本、提高效率, 还可以使工作更加安全。AGV不仅能独立工作, 而且更善于与其他生产系统、调度系统、控制管理系统等紧密结合, 具有突出的兼容性和良好的适应性。AGV作为无人驾驶的自动小车, 具有较完善的安全防护能力。有智能化的交通管理, 安全避碰, 多级警示, 紧急制动, 故障报告等。能够在许多不适宜人类工作的场合发挥独特作用。

二、硬件设计

(1) 控制主机采用采用Freescale研发生产的16位单片机, 内部固有PLL锁相环模块, 可对选取的基准晶振进行陪频放大, 可高达到80MHZ, 因此, XS128芯片响应速度快, 自身的抗干扰能力强, 自带PWM模块、累加器等, 为速度反馈编码器提供了方便, 程序Flash有128KB, RAM有8KB, 数据Flash有8KB等, 因此在AGV机器人中广泛应用, 电路设计如图1所示。

(2) 视觉识别模块的设计, 采用TSL1401专业轨道识别摄像头, 主要是包括光电信号转换电路, 模拟输出电路和模拟信号放大电路组合而成, 通过每个点的亮度不同, 输出不同的模拟信号, 通过模拟电压的高低判断黑白导轨线。其内部已集成模拟信号放大电路, 使用简单, 接口简单, 使产品易于组合安装, 在设计过程中, TSL1401能在标准的路线环境中进行标准化测试, 经过多次的实验和测试得出, 其能采集稳定的路线信号。 (3) 电机驱动电路设计, 在电机驱动模块中, 采用PWM输出的方法来控制H桥式电路的导通, 实现电机的驱动。然而控制器XS128发出的控制信号并不能驱动起整个桥式电路, 单片机是微型芯片, 要保证功耗等问题的原因, 导致其的输出电压低和电流比较小, 输出功率达不到负载要求, 所以驱动能力较弱。在驱动电路中使用的电机是7.2伏的直流电机, 其主要特点是输出扭矩大, 所需驱动电流大。为了达到控制要求, 采用BTS7960电机驱动芯片, 在单片机IO电流不够大的情况下, 采用LM74LS244芯片对IO电流进行放大, 它还起到隔离作用, 可以防止输出端的大电流反向输入, 烧坏单片机。BTS7960的内部构造由一个增强型的P沟道MOS管和一个增强型的P沟道MOS管组成的集成驱动IC, 可承受较大的电流。增强型的P沟道MOS管反接在高压端和增强型的N沟道MOS管接在低压端, 一上一下组成H桥半边, 如图2所示。

三、软件设计

(一) 视觉采集程序设计

摄像头和XS128之间采用SPI通讯, 设置SCI0相应寄存器达到通讯效果。设置分频系数, 对BUS总线的频率分频得出串口的总频率。再根据TSL1401的波特率设置相应的寄存器保证波特率的正确。开启中断、设置中断标志位、找到中断向量。数据采集采用连续采集的方式, 控制CCD的SI口和CLK口实现SPI通讯, 在通讯的前18个周期里是数据采集阶段, 也就是所谓的曝光时间, 通过调节曝光时间来获得合适的黑白压差, 对比黑白线的差距识别路线, 如图3所示。

(二) 电机驱动程序设计

PWM模块控制内部寄存器的数值, 来实现电机和舵机的驱动。先禁止PWM的输出。设置输出方式, 默认PWM输出高电平有效。对一级分频时钟A、B进行32分频, 得到1.25MHZ的分频系数, 再进行二级陪频得到电机的5MKZ的PWM频率。设置PWMCTL寄存器将两个8位PWM合成16位PWM作为舵机的PWM控制口, 对其进行25000的二级分频, 得到50HZ的控制频率。再通过PWMDTY设置相应通道的占空比, 如图4所示。

四、结论

本文介绍基于图像识别AGV仓库搬运机器人的关键性技术, 结合我国仓库存储的特点进行应用设计。在硬件方面, 采用汽车级别Freescale的16位单片机, 设计并实现了一种基于图像识别AGV仓库搬运机器人。软件方面, 通过视觉采集及识别算法, 有效识别仓库内的存储轨道, 高效实现机器人避障, 加减速等功能, 提高仓库存储效率。随着劳动力成本上涨, 企业飞速发展, 产品生产节拍加快等因素影响, 企业对自动化生产水平要求提高, 而本设计的AGV仓库搬运机器人, 已经被广泛应用于生产加工领域, 在本项目中AGV成功使用案例, 也将推动相关企业在自动化改造的进程中获取宝贵的经验, 推动企业的生产效率提升。

摘要：针对目前国内大多数仓库存储仍采用高成本、低效率、劳动强度大的人工存储方式, 本文设计了一种基于图像识别AGV仓库搬运机器人。该系统采用了摄像头视觉识别轨迹自动导航的无人搬运机器人, 通过CCD/CMOS图像传感器获取AGV周围的图像, 通过实时的机器视觉处理来确定AGV的运动轨迹, 并实现自动避障、调速等功能。相对于传统的人工存储, 该系统能够有效地降低劳动强度, 提高存储效率, 节约成本等特点, 具有十分广阔的应用前景。

关键词：图像识别,自动导航,搬运机器人