树莓派规划的智能终端配送机器人

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摘要：针对当前基层物流工人工作负担大，为减轻基层物流工人的负担，依据机械原理、机械设计、自主定位、自主路径规划和自主行走与避障的基本知识，选择合理的机器人小车结构及路径规划方案，设计出一款能够快速定位行走且精确避障的机器人小车。

关键词：树莓派；自主定位；路径规划；自主行走与避障；语音播放与图像识别

智能终端配送机器人是智能物流体系生态链中的终端。面对复杂而变化莫测的实际配送场景，需要应对配送中的现场环境、路面、前方障碍物、红绿灯等各类场景进行及时的路径规划和有效的决策，这需要有完善的控制系统。因此设计本智能终端配送机器人，基于树莓派进行路径规划，对以上的问题进行优化解决。随着老龄化时代的来临，我国劳动人口数量明显下降，人口优势逐渐消失，人力成本不断提高，对机器人代替人工的需求越来越强烈，这为智能配送物流机器人的研究发展和规模化应用提供发展条件。近年来，我国的快递、外卖、物流业务量快速发展，可以说，我国的快递行业规模已经是世界第一，传统的物流配送方式已经无法满足客户对物流服务更快速准确的需求，在此情况下，智能物流开始发展，而人工智能、大数据、物联网等新兴技术为智能配送机器人注入活力。

1配送机器人的设计思路和方案

1．1设计思路

考虑到底盘上车轮及电机分布，需要满足机器人在走直的前提下能实现小范围位移来进行避障，将四个全向轮以及电机合理分布于底板。基于合理的行走装置的基础上，各结构装置：视觉识别装置、避障装置、物料存放装置、语音提醒装置等，均设计在此之上，在保证实现功能的前提下，结构尽量紧凑并进行轻量化。

1．2设计方案

机器人于出发区启动，首先二维码对应的物料放置在机器人的扫描区，机器人通过视觉识别装置扫描物料上的二维码获取收货点信息。扫描成功后，机器人身上与该物料对应的物料存放装置的仓门自动打开，打开后，机器人发出语音提醒。寄件人根据机器人语音提示，把对应物料装入机器人的对应料仓，并关上仓门。仓门关闭后，机器人自主启动，通过全向轮前行，行进中机器人通过避障装置对路遇的障碍物进行规避；通过视觉识别装置对交通灯进行自动识别，按照交通规则前进和停行；然后前往任务要求的收货点。到达收货点后，机器人发出语音提醒，收件人把提货码放置到机器人的扫描区，扫描成功后，与之对应的物料存放装置的仓门自动打开，同时机器人发出语音提醒。收件人根据机器人指令取出对应物料，并关闭仓门；最后，机器人通过自主规划路径返回到指定出发区。

2配送机器人机械结构设计

小车整体结构为三层结构，除底端有近似圆形亚克力板的第一层外，其余均设置在八边形亚克力板的第二层和T型云台板的第三层。

（1）行走部分第一层携带四个电机和四个全向轮，整体圆周分布，和两个对称分布的电机驱动板，通过调整四个电机的转速，使机器人实现原地旋转和全向运动，行走时小车的机动能力强，对距离的控制精度高，整个行走过程平稳，易于控制。

（2）避障部分为了更广泛和全面地躲避障碍物和定位，该部件配备了倒立式激光雷达，安装在八边形亚克力板的第二层，搭载激光雷达的激光雷达支架两侧设有小型滑轨，以减少该部件躲避障碍物的摩擦力；另外，我们在支架上安装了电动推杆以提供动力，当机器人开始工作时，自动控制激光雷达伸出，以完成定位和躲避障碍物工作。

（3）摄像头部分摄像头部分通过压片连接在转向架上，然后与长U型支架形成旋转副，整体安装在T型照相机部件的第三层，由于照相机主要是用来识别物料的二维码和前进前方的红绿灯，所以照相机只需要向后倾斜照相机，所以我们只需要将照相机与转向架组合起来，实现一个自由度的旋转。

（4）储物部分此部分设计了两个储物仓，容量为130*90*70mm，位于两侧对称布置，一个储物仓搭配一个舵机，并且为了合理安排空间，将两个舵机分别放置在储物仓上方，通过曲柄摇杆机构，实现仓门的开启与关闭。

（5）电气控制部分包括蓄电池、主控板、功放板、电源板、树莓派以及电机驱动板。从下往上，两个对称分布的马达驱动板分别放置在近似圆形亚克力板的第一层，一个电源板放置在电动推杆旁边的八边形亚克力板的第二层；同在这一层的还有红外线无接触式关仓门装置以及树莓派，功放板放置在树莓派盒子上；T形亚克力板的第三层则放置着电池、主控板和2个对称分布的喇叭。其中本设计采用的是树莓派4B，是一种基于ARM的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘，只有身份证大小，虽然体积不大，但是拥有PC的基本功能，可以同时连接键盘、网线和鼠标，具有视频模拟信号的电视输出，同时具有丰富的外接接口。

（6）辅助部件辅助部件在主控制面板上面有一个主保护面板；位于前面的两个对称分布的ST－link插槽和TTL插槽；在调试时方便地放置接口；在摄像头两旁设置喇叭，用于提供语音提示和状态提示；在后面的一个集成了电池充电口的充电口盒子，便于充电并防止充电线卷到车底部。

3控制系统设计方案

3．1检测及控制设计思路

在检测设计思路方面，为提升机器人处理性能、识别以及路径规划的效率，以STM32单片机为主控制核心，采集激光雷达数据、控制电机，实现定位、避障、控制机器人运动等功能；树莓派承担了图像识别和语音播放的功能。其中图像识别又可分为QR码识别、车道线识别、交通灯颜色识别等识别任务。以树莓派为辅助平台，采集摄像头图像，实现视觉识别的功能；利用其多媒体能力实现语音播放等功能。主控制核心与辅助平台通过串换数据，相互配合，共同实现控制目标。运行流程如下，机器人下位机开机后等待图像信息的返回，选用树莓派4B以及120fps免驱摄像头进行图像的反馈，下位机树莓派对摄像头传回的图像进行视觉算法处理，获得所需要配送的货物信息以及机器人运行目的地，底层利用串口进行通信将各类信息返回到机器人控制下位机。机器人根据返回信息执行配送流程的程序，采用激光雷达检测角度和距离值与图像信息相配合进行数据处理与计算完成机器人的路径规划以及躲避障碍物。红绿灯处，树莓派检测系统提取图像信息返回红绿灯状到下位机决定是否继续运行程序。仓门处采用红外检测人员是否已经完成装载货物及其开关状态。装载完成后再次通过激光雷达检测角度和距离值与图像信息相配合，进行数据处理与计算完成机器人的路径规划以及躲避障碍物到达收获地点。到达后等待树莓派发送信息进行播报，人员取出配送车内的货物，完成提取后机器人根据设定流程与相关反馈值完成返程操作，返程结束后程序停止。

3．2器件选择与实施方案

3．2．1器件选择

电源芯片：AS1015芯片以及AMS1117芯片；主控芯片：STM32F407ZGT6芯片；识别系统：树莓派4B以及120fpsUSB免驱摄像头；避障和路径规划器件：摄像头与激光雷达；摄像头和仓门的运动控制器件：高精度13kg数字舵机；行走装置器件：大扭矩12V直流减速电机、全向轮以及大功率MOS管全桥电机驱动。

3．2．2实施方案

机器人选择8A12V锂电池作为总电源，包含了主控板以及两块辅控板。电源接入辅控板转为12V电压输出至主控板以及电机驱动模块。主控板通过AS1015电路将12V电压转为不同幅值的电压供机器人其他器件使用，6V电压用于对舵机进行供电，5V电压使用AMS1117芯片通过三端稳压电路转为3．3V电压，用于单片计的工作。机器人采用摄像头扫描二维码、红绿灯以及各种障碍物等，配合激光雷达的使用分析并计算边缘距离角度进行路径规划。机器人采用数字功放电路用于程序语音播报，使用树莓派处理运行程序中的语音及摄像头扫描的图像，对其进行分析处理，通过串口将其返回信息传送到MCU下位机，利用红外模块检测货物是否已经装载并反馈回单片机，以完成自动关闭舱门的任务。

4机器人系统控制流程

以STM32为主控制核心实现了主要的控制逻辑。主控用于感知环境的数据来源于传感器、激光雷达和树莓派辅助平台。主控通过红外传感器检测料仓中是否存在物料，以此作为判断何时自动开合仓门的依据。主控发出的控制信号经舵机、电机驱动板驱动直流电机等方式控制终端的执行机构。当机器人启动后，主控程序即开始运行。程序首先向辅助平台发送识别QR码的指令，然后等待识别结果，收到识别结果后即打开仓门，并向辅助平台发送播放对应语音提示的指令。接着检测料仓是否存入物料，若发现料仓中存在物料，则经过几秒的延迟之后关闭仓门，随后进入运送阶段。在运送阶段，利用激光雷达采集的数据实现避让障碍物的功能，同时利用数据中的位置信息使机器人运行在车道中央。当机器人运行到等待区时，向摄像头发送识别交通灯颜色的指令，并依据识别结果决定是否停车。经过等待区后，即控制机器人转弯进入预设的车道，避障等步骤同上。当根据激光雷达数据判断到达收货区后，即播放语音提示，并识别取货码，若取货码正确则开启仓门，待检测到物料取出后即启动返程流程，步骤同上。

5结束语

本文通过介绍机器人的结构设计、硬件平台设计、控制系统设计，详细地介绍了本智能终端配送机器人，并通过利用Solid-Works实体三维软件对机器人结构进行搭建和仿真，运用树莓派4B以及120fpsUSB免驱摄像头进行识别；同时配合摄像头与激光雷达进行避障和路径规划，实现机器人自动循迹和避障功能，达到预期的效果。该智能终端配送机器人结构设计简单、搭建稳定性强，系统可靠性高、成本低，具有广泛的应用范围和一定实用价值，且易于移植到各种人工智能应用当中。

参考文献

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［6］侯丽春，孙志强，陆荣．红外传感器在机器人避障系统中的应用［J］．科技咨询导报，2007（2）

作者： 陈博杰  单位：广东海洋大学机械与动力工程学院