久久精品国产69国产精品亚洲_日韩欧美亚洲一区_免费观看污网站_欧美在线一

隨著電子商務(wù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對(duì)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)管理的需求日益增加。倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)能夠快速運(yùn)作的關(guān)鍵在于高效地運(yùn)送且準(zhǔn)確搬運(yùn)倉(cāng)庫(kù)中的物品。將可以進(jìn)行多目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航的倉(cāng)儲(chǔ)物流移動(dòng)機(jī)器人引入倉(cāng)儲(chǔ)空間中，不僅可以代替人工搬運(yùn)貨物，有效地減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能提高工作效率[1]，因此室內(nèi)定位與導(dǎo)航是倉(cāng)儲(chǔ)物流移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)方向。

如今倉(cāng)儲(chǔ)物流移動(dòng)機(jī)器人常用的導(dǎo)航方法大致分為磁條導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和輪廓導(dǎo)航。這些導(dǎo)航方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比如：磁條導(dǎo)航易施工、成本低，但容易受干擾、易損壞；電磁導(dǎo)航抗干擾性強(qiáng)，原理簡(jiǎn)單可靠，但施工時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高；激光導(dǎo)航精度高、行駛路徑靈活多變、適用復(fù)雜路況，但對(duì)環(huán)境要求比較苛刻、不適合室外環(huán)境[7,8]。

綜合以上不同定位方法和導(dǎo)航方法的優(yōu)劣，本文研究并設(shè)計(jì)了基于UWB定位的倉(cāng)儲(chǔ)物流移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)研究倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位、多目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航功能[9]。該方案具有布置簡(jiǎn)單、成本低、精度高、抗干擾性強(qiáng)、定位范圍廣，適用于室內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[10,11]。

本系統(tǒng)主要由定位基站、定位標(biāo)簽、目標(biāo)點(diǎn)生成器和移動(dòng)機(jī)器人4部分構(gòu)成。定位基站用于幾何邊緣區(qū)域信號(hào)覆蓋；定位標(biāo)簽用于與定位基站進(jìn)行測(cè)距，從而對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行精確定位；目標(biāo)點(diǎn)生成器與定位標(biāo)簽結(jié)合，根據(jù)標(biāo)簽定位信息存儲(chǔ)的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)實(shí)時(shí)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃。將定位標(biāo)簽放置于移動(dòng)機(jī)器人之上，移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航子系統(tǒng)對(duì)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)依次導(dǎo)航。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖   下載原圖

定位基站與定位標(biāo)簽均采用UWB mini3plus射頻模塊。該模塊以STM32F103T8U6單片機(jī)為主控芯片。外圍電路包括DW1000芯片、電源模塊、LED指示模塊、復(fù)位電路等。該模塊不僅可以作為基站，還可以作為標(biāo)簽，通過USB連接電腦，接收電腦發(fā)送的AT+SW指令進(jìn)行切換。

目標(biāo)點(diǎn)生成器由UWB基站An、UWB標(biāo)簽Tn+1、STM32F103C8T6單片機(jī)、ESP8266WiFi模塊4部分組成（參見圖1）。

目標(biāo)點(diǎn)生成器以STM32F103C8T6為核心，采用射頻模塊UWB mini3plus標(biāo)簽Tn+1和基站An進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，通過UART串行通信采集標(biāo)簽與基站的距離信息并解算標(biāo)簽坐標(biāo)，使用ESP8266 WiFi模塊對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行坐標(biāo)信息傳輸。ESP8266采用串口與單片機(jī)通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換[12]。在路徑規(guī)劃時(shí)，工作在STA+AP模式的ESP8266使用TCP/IP透?jìng)鱾鬏敂?shù)據(jù)方式與移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行坐標(biāo)信息傳輸，滿足局域網(wǎng)無(wú)線控制的需求。目標(biāo)點(diǎn)生成器設(shè)置好目標(biāo)點(diǎn)之后存入EEPROM，供下一次使用，等待移動(dòng)機(jī)器人連接，在連接成功之后發(fā)送坐標(biāo)給移動(dòng)機(jī)器人。目標(biāo)點(diǎn)生成器的工作流程如圖2所示。

圖2 目標(biāo)點(diǎn)生成器工作流程圖   下載原圖

移動(dòng)機(jī)器人的硬件由UWB基站An、UWB標(biāo)簽Tn、STM32F103C8T6單片機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制部分、ESP8266 WiFi模塊5部分組成。

UWB標(biāo)簽Tn用作與UWB基站An測(cè)距定位。STM32F103C8T6是移動(dòng)機(jī)器人的核心。移動(dòng)機(jī)器人通過ESP8266接收目標(biāo)點(diǎn)生成器設(shè)置好的目標(biāo)路徑點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人與定位標(biāo)簽結(jié)合，利用STM32F103C8T6解算的坐標(biāo)信息和目標(biāo)點(diǎn)生成器設(shè)置好的目標(biāo)路徑點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航。運(yùn)動(dòng)控制部分主要通過光電編碼器M/T法測(cè)速[13]，從而控制兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行駛和原地轉(zhuǎn)彎功能[9]。

移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航子系統(tǒng)的坐標(biāo)信息來(lái)源于單片機(jī)三維定位算法[14]解算標(biāo)簽與基站的測(cè)距信息。

單片機(jī)使用三邊測(cè)量法[15]進(jìn)行坐標(biāo)解算，設(shè)基站A1、A2、A3、A4圓心坐標(biāo)為：

設(shè)A1、A2、A3、A4四個(gè)球體相交于點(diǎn)（x,y,z），如圖3所示。根據(jù)畢達(dá)哥拉斯定理，得出交點(diǎn)位置計(jì)算公式：

式中，r1、r2、r3、r4分別表示標(biāo)簽到基站A1、A2、A3、A4的距離。

設(shè)表示任意向量，h、i、j均為中間變量。定義基向量表示一個(gè)新坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸。

圖3 三維定位算法示意圖   下載原圖

用式（9）、式（10）表示為

式中：

如果h=0，前兩個(gè)球面是同心的，則方程無(wú)解；如果j=0，則三個(gè)球在同一直線上。

使用三個(gè)變量h、i、j和在原點(diǎn)處三個(gè)方程的方程組可寫成：

用方程（8）減去方程（9）可解出：

用方程（18）減去方程（20）可解出：

利用方程（8）可解出：

如果方程有多個(gè)解，則取與A4球面距離最近的那個(gè)解為最優(yōu)解。

設(shè)定四基站的位置為A1(x1,y1,z1）、A2(x2,y2,z2）、A3(x3,y3,z3）、A4(x4,y4,z4），如圖4所示。目標(biāo)點(diǎn)生成器依次記錄標(biāo)簽位置坐標(biāo)，并將其存儲(chǔ)到EEPROM，等待移動(dòng)機(jī)器人連接。移動(dòng)機(jī)器人使用ESP8266連接目標(biāo)點(diǎn)生成器WiFi熱點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航子系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖4 目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航子系統(tǒng)原理圖   下載原圖

圖5 目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航子系統(tǒng)工作流程圖   下載原圖

在目標(biāo)點(diǎn)生成器與移動(dòng)機(jī)器人通過ESP8266連接成功之后，目標(biāo)點(diǎn)生成器發(fā)送EEPROM存儲(chǔ)的坐標(biāo)信息給移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人接收信息并解碼，根據(jù)當(dāng)前所在位置進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航。假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)為Enm X(nm,Ynm），其中n為目標(biāo)點(diǎn)生成器設(shè)置的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，m為目標(biāo)點(diǎn)En和E(n+1）之間細(xì)分的目標(biāo)點(diǎn)。設(shè)D為目標(biāo)點(diǎn)細(xì)分的距離（單位為cm),v為移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，Δt為坐標(biāo)更新間隔時(shí)間。其計(jì)算公式為：

移動(dòng)機(jī)器人直線移動(dòng)依次記錄N(N≥2）個(gè)坐標(biāo)信息，該坐標(biāo)信息用來(lái)確認(rèn)當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人行駛方向。設(shè)移動(dòng)機(jī)器人直線移動(dòng)記錄的第一個(gè)坐標(biāo)為起點(diǎn)坐標(biāo)A X(a,Ya），最后記錄的坐標(biāo)設(shè)置為終點(diǎn)坐標(biāo)B（Xb,Yb），則當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人的方向?yàn)橄蛄?img src="https://kns.cnki.net/KXReader/Detail/GetImg?filename=images/DPJY202008013_11500.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnBFbFF5NVVUTEFjSWhEbEJlODYrU1RObGxEQT0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!" style="border:none;height:22px;" />。移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)B與目標(biāo)點(diǎn)Enm的方向?yàn)橄蛄?img src="https://kns.cnki.net/KXReader/Detail/GetImg?filename=images/DPJY202008013_11600.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVnBFbFF5NVVUTEFjSWhEbEJlODYrU1RObGxEQT0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!" style="border:none;height:24.5px;" />，由此可以得出：

若當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際坐標(biāo)與第一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)Enm之間的距離大于D，則按照每隔距離D取新的目標(biāo)點(diǎn)。坐標(biāo)B與目標(biāo)點(diǎn)Enm的距離為：

設(shè)向量與向量之間的夾角為Δθ，機(jī)器人與路徑的距離偏差為ΔX。由此可以得出：

若，則移動(dòng)機(jī)器人需要向左調(diào)整角度Δθ；若，則移動(dòng)機(jī)器人需要向右調(diào)整角度Δθ；若，則進(jìn)行下一步判斷：

式中，r為目標(biāo)點(diǎn)圓心Enm的半徑。

當(dāng)滿足式（32）時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人沿著當(dāng)前的方向繼續(xù)直線前行；當(dāng)滿足式（33）時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人向右轉(zhuǎn)180°；當(dāng)式（32）和式（33）均不滿足、但式（34）滿足時(shí)，表示移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)到達(dá)該目標(biāo)點(diǎn)，此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人判斷該目標(biāo)點(diǎn)是否是所有目標(biāo)點(diǎn)的終點(diǎn)，若是則停止，否則即進(jìn)行下一目標(biāo)點(diǎn)的導(dǎo)航（移動(dòng)機(jī)器人判斷是否到達(dá)生成器目標(biāo)點(diǎn)Enm，若是則n+1、m=0，否則m+1）。

本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)定在室外20m×30m寬敞區(qū)域。設(shè)置4個(gè)基站坐標(biāo)分別為（0,0,1.65）、（30,0,1.65）、（0,20,1.65）、（30,20,1.36），以m為單位。使用目標(biāo)點(diǎn)生成器設(shè)置5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器人使用目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航子系統(tǒng)對(duì)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航。實(shí)驗(yàn)過程記錄移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行軌跡如圖6所示。該運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)分析如圖7與圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)機(jī)器人成功地依次對(duì)目標(biāo)點(diǎn)生成器設(shè)置的多目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航。由表1可知，標(biāo)簽靜態(tài)定位精度在20cm以內(nèi)。由圖7可知，移動(dòng)機(jī)器人在進(jìn)行導(dǎo)航的過程中，距離偏差ΔX在15cm以內(nèi)。由圖8可知，直線行走航向角偏離Δθ不超過20°。

表1 標(biāo)簽靜態(tài)定位精度     下載原表

圖6 機(jī)器人運(yùn)行軌跡   下載原圖

圖7 距離偏差折線圖   下載原圖

圖8 航向角偏離折線圖   下載原圖

本文提出了一種倉(cāng)儲(chǔ)物流移動(dòng)機(jī)器人多目標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航設(shè)計(jì)思想和具體使用方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)較好的導(dǎo)航效果。目前室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航已經(jīng)成為未來(lái)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域中不可或缺的技術(shù)。不同的定位導(dǎo)航方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合不同的定位導(dǎo)航將可以實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)航效果。