CN108983772A - 基于uwb定位的智能搬运机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统及控制方法，包括控制部分、定位部分、导航部分避障部分及人机交互部分，本发明中定位采用UWB定位技术，通过测量信号在定位标签与基站之间的传输时间的方式来实现测距功能，实时捕获定位标签与各基站之间的距离信息。本发明的有益效果为，1.本发明采用双处理器分布式控制方式，使控制系统变得更加安全、稳定；2.MC9S12XDT256微处理器具有多种外设通讯接口；3.本发明定位方式采用UWB定位技术；4.本发明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。5.本发明提供了一个友好的人机交互界面。

Description

基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能搬运机器人控制技术领域，具体涉及一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统及控制方法。

背景技术

随着“中国制造2025”规划的进一步落实，各行业对智能机器人的需求也在向着灵活性、便捷性等方向延伸。近年来，随着互联网和电子商务的蓬勃发展，电子物流行业发展十分迅速。为了使运输、搬运变得更加高效、快速，越来越多的自动化设备应用在物流领域。在传统物流作业模式中，人力搬运耗时较长，人员工作强度大，同时人员分拣效率相对较低、错误率相对较高，不能满足电子物流作业多品类、少批量的特征。另外，加上我国人口老龄化程度的加深，劳动力成本不断提高，使得物流公司迫切需求智能化的物流设备，使用自动化技术，提高电子商务物流分拣、搬运环节的能力。

搬运机器人(Transfer Robot)是可以进行自动化搬运作业的工业机器人。搬运机器人是近代自动控制领域出现的一项高新技术，涉及到了力学，机械学，电器液压气压技术，自动控制技术，传感器技术，单片机技术和计算机技术等学科领域，已成为现代机械制造生产体系中的一项重要组成部分。

对于搬运机器人来说，能够正确识别自身所处位置并能按照设计路线进行行走是顺利开展其服务工作的首要条件。当今，WIFI、ZigBee、蓝牙等定位技术已经发展的较为成熟，但它们在通信距离、功耗、精度等方面尚存在不同程度的缺陷，本发明采用UWB(UltraWideband)超宽带定位技术实现机器人定位，它因其超宽频特性、无载波发送信号等特点，具有功耗小、保密性强、穿透力强、抗干扰、定位精度高等优点，在室内移动物体的定位跟踪和导航方面有其显著优势。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明目的在于提供一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统，包括控制部分、定位部分、导航部分、避障部分及人机交互部分，

所述控制部分采用恩智浦半导体(NXP)公司生产的MC9S12XDT256单片机作为核心控制单元；

所述定位部分采用UWB定位方式，定位标签与基站间通过无线方式通讯，MC9S12XDT256单片机通过串口(TTL)通讯方式与定位标签进行实时通讯，从而得到定位标签与各基站的实时距离信息，数据经数字滤波处理后，再经Trilateration三边测量定位算法计算后，从而得出标签所处坐标，即位置信息；

所述导航部分中MC9S12XDT256单片机将目标位置与实际位置信息进行相应处理计算后得出四个电机的控制信号，电机控制信号经电机驱动放大后最终控制四个电机的相应动作；

所述避障部分采用超声波雷达测距方式实时检测机器人与障碍物间的距离，为了减少MC9S12XDT256处理运算器的运算负荷，在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，本系统采用分布式系统架构，即采用TI公司生产的MSP430G2553单片机作为避障处理单元，通过TTL电平信号与四个超声波雷达实现数据交换，再经数据处理运算后，通过串口通讯方式将四个超声波雷达信号的测距信息传输至MC9S12XDT256单片机，从而实现避障功能；

所述人机交互部分利用触摸屏(LCD显示屏)通过串口通讯方式实现与MC9S12XDT256控制单元进行数据交换，从而实现设定基站坐标、设定目的地、显示标签实时位置等功能。

本发明中定位采用UWB定位技术，通过测量信号在定位标签与基站之间的传输时间的方式来实现测距功能，即基于信号到达时间的定位(TOA/TDOA定位)。MC9S12XDT256单片机通过串口通讯与定位标签实现数据交换，实时捕获定位标签与各基站之间的距离信息。当接收到数据帧后，首先经过中位值平均滤波法(防脉冲干扰平均滤波法)，即连续采样五组数据后，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算余下数据的算术平均值；之后经Trilateration三边测量定位算法解算位置信息，即选择三个参考基站，相互连接成若干个三角形，构成各种网(锁)状图形。通过计算三角形的边长，再根据参考基站的坐标，起始边的边长和坐标方位角，经解算三角形和坐标方位角推算可得到三角形各边的边长和坐标方位角，进而由直角坐标正算公式计算定位标签的平面坐标(x，y)。

相应地，本发明HIA提供的一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1)MC9S12XDT256微处理器通过串口(TTL)通讯方式与定位标签进行实时通讯，从而得到定位标签与各基站的实时距离信息，数据信息经数字滤波处理后，再经Trilateration三边测量定位算法计算后，从而得出定位标签所处坐标，即位置信息。

2)MC9S12XDT256微处理器将解算后得到的实际位置信息与目标位置进行PID运算处理后，计算得出四个电机的控制信号，电机的控制信号经电机驱动器放大后最终控制四个电机的相应动作。

3)MSP430G2553处理器通过TTL电平信号与四个超声波雷达实现数据交换，再经数据处理运算后，通过串口通讯方式将四个超声波雷达信号的测距信息实时传输至MC9S12XDT256控制器，当检测到机器人与障碍物距离低于设置值时，机器人将作出相应动作。

4)触摸屏(LCD显示屏)通过串口通讯方式实现与MC9S12XDT256控制单元进行数据交换，从而实现设定基站坐标、设定目的地、显示定位标签实时位置等功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，

1.本发明采用双处理器分布式控制方式，以MC9S12XDT256微处理器作为机器人控制系统的控制核心，以MSP430G2553单片机作为避障测距单元，这种分布式控制在数据处理上减小了计算误差，增加数据处理精度，简化了数据运算过程，从而降低了核心处理器的负担，使控制系统变得更加安全、稳定；

2.MC9S12XDT256微处理器包含256KBbyte的Flash，32Kbyte的RAM，4Kbyte的EEPROM，具有多种外设通讯接口，如SCI，MSCAN，SPI，IIC等。在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。

3.本发明定位方式采用UWB定位技术，与WIFI、ZigBee、蓝牙等定位技术相比具有以下优势：1)传输速率高。UWB的传输速率可以达到500Mbit/s。2)设备简单。鉴于UWB是无载波通信，其发射器只需用脉冲小型激励天线即可，省去了一般无线通信的变频器，也不需与放大器、混频器等结合使用。同样接收端也免去了中频处理装置，整个系统的结构实现起来较为简单。3)功耗低。同样因为UWB的无载波特性，使得其在传输信号时是通过发送超短非正弦窄脉冲，脉冲持续时间短，且占空因数低，使得耗电很低，在电池寿命和电磁辐射方面都有很大的优势。4)保密性好。一方面，UWB采用的是跳时扩频，接收器只有在己知发送端扩频码时才能解出发射数据；另外，由于UWB功率极低，信号散布在极宽的频带范围内，对于其他通信系统而言，可能这只是个白噪声，使得信号隐蔽性很好，用传统的接收机也无法正确解析出，因此UWB的保密性也比较高。5)定位准确。超宽带采用冲击脉冲来传输信息，具有较高的时间分辨率，对应的定位精度可以达到厘米级，可以很容易的将定位与通信结合，这是其他无线通信技术很难做到的。

4.本发明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。

5.本发明提供了一个友好的人机交互界面，800*600分辨率，可通过其设置定位基站坐标、设置目的地、显示定位标签实时位置等功能。

附图说明

图1所示为本发明所涉及的系统硬件框图。

图2所示为本发明所涉及的机器人控制单元软件结构框图。

图3所示为本发明所涉及的机器人控制单元串口接收数据中断软件流程图。

图4所示为本发明所涉及的机器人控制单元定位标签位置解算处理程序软件流程图。

图5所示为本发明所涉及的避障单元中T0中断服务程序软件流程图。

图6所示为本发明所涉及的避障单元中外部中断0服务程序软件流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统，包括：基站电源(220V)、电平转换模块2、电平转换模块3、电平转换模块4、UWB基站1、UWB基站2、UWB基站3、锂电池(12V)、电平转换模块1、UWB定位标签、超声波雷达测距模块1、超声波雷达测距模块2、超声波雷达测距模块3、超声波雷达测距模块4、避障检测单元、机器人控制单元、电机驱动器模块、电机1、电机2、电机3、电机4、电平转换模块5及人机操作界面组成。

其中，基站电源由AC220V提供，连接至空开2的输入端，空开2的输出端连接至接线端子的输入端，接线端子的输出端out1连接至电平转换模块2的输入端，接线端子的输出端out2连接至电平转换模块3的输入端，接线端子的输出端out3连接至电平转换模块4的输入端；电平转化模块2的输出端连接至UWB基站1的电源输入端，电平转化模块3的输出端连接至UWB基站2的电源输入端，电平转化模块4的输出端连接至UWB基站3的电源输入端。

锂电池(12V)的电源输出端连接至空开1的输入端，空开1的输出端out1、out2分别连接至DC12V接线端子及电平转换模块1的输入端，电平转换模块1的输出端连接至DC5V接线端子的输入端；DC5V接线端子的输出端out1、out2、out3、out4、out5、out6、out7分别连接至超声波雷达1、超声波雷达2、超声波雷达3、超声波雷达4模块、MSP430控制器、UWB定位标签以及MC9S12XDT256控制器的电源输入端；DC12V接线端子的输出端out1、out2、out3、out4及out5分别连接至电机1、电机2、电机3、电机4及电机驱动器的电源输入端；DC12V接线端子的输出端out6连接至电平转换模块5的电源输入端，电平转换模块5的输出端连接至人机操作界面的电源输入端。

超声波雷达1、超声波雷达2、超声波雷达3、超声波雷达4的输入端口分别对应连接MSP430G2553单片机的信号输出端P2.0/P2.1/P2.2/P2.3端口，超声波雷达1、超声波雷达2、超声波雷达3、超声波雷达4的输出端口分别对应连接MSP430G2553单片机的信号输入端P2.4/P2.5/P2.6/P2.7端口。

MSP430G2553单片机P1.1、P1.2端口分别连接MC9S12XDT256微处理器的PS2、PS3端口；UWB定位标签的输入端、输出端分别连接MC9S12XDT256控制器的PS1、PS0端口；电机驱动器的输入端、输出端分别连接至MC9S12XDT256控制器的PJ1、PJ0端口；人机操作界面的的输入端、输出端分别连接至MC9S12XDT256控制器的PM7、PM6端口。

上述所说锂电池(12V)为DC12V 60AH可充电锂电池提供，所述电平转换模块1为DC12V转DC5V模块，电平转换模块2为AC220V转DC5V模块，电平转换模块3为AC220V转DC5V模块，电平转换模块4为AC220V转DC5V模块，电平转换模块5为DC12V转DC5V模块。

上述所说的机器人控制单元MC9S12XDT256为NXP公司生产的具有高性能的16位微控制器，CPU内核具有高达40MHz总线频率，包含256KBbyte的Flash，32Kbyte的RAM，4Kbyte的EEPROM，具有多种外设通讯接口，如SCI，MSCAN，SPI，IIC等。

上述所说的避障检测单元MSP430G2553是美国德州仪器(TI)一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器，具有超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、方便高效的开发环境等特性。它通过TTL电平信号与超声波雷达1-4实现数据交换，再经数据处理运算后，通过串口通讯方式将四个超声波雷达信号的测距信息实时传输至机器人控制单元MC9S12XDT256控制器。

上述所说的UWB基站1-3以及UWB定位标签是基于DecaWave公司开发的DW1000芯片开发的，定位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机器人控制单元MC9S12XDT256控制器。

上述所说的人机操作界面由一个8英寸的触摸液晶屏实现，分辨率：800*600，背光方式：LED，功耗：2.2W，通过串口通讯方式与机器人控制单元MC9S12XDT256实现数据交换，从而通过其设置定位基站坐标、设置目的地、显示定位标签实时位置等。

另外，本申请基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统的控制方法详细包括如下步骤：

1)定位标签与各定位基站通过无线通讯方式计算得出与各基站间的距离，之后利用串口(TTL)通讯方式与MC9S12XDT256微处理器进行实时通讯，从而将定位标签与各基站的实时距离信息传输至MC9S12XDT256微处理器，MC9S12XDT256微处理器将数据信息经数字滤波处理后，再经Trilateration三边测量定位算法计算后，从而得出定位标签所处坐标，即位置信息。

2)MC9S12XDT256微处理器将解算后得到的实际位置信息与目标位置进行PID运算处理后，计算得出四个电机的控制信号，电机的控制信号经电机驱动器放大后最终控制四个电机的相应动作。

3)MSP430G2553处理器通过定时(500ms)控制超声波雷达1-4的控制信号，从而计算得出与障碍物间的距离，再经数据处理运算后，通过串口通讯方式将四个超声波雷达信号的测距信息实时传输至MC9S12XDT256控制器，MC9S12XDT256控制器当检测到机器人与障碍物距离低于设置值时，机器人将作出相应动作。

4)触摸屏(LCD显示屏)通过串口通讯方式实现与MC9S12XDT256控制单元进行数据交换，可实现设定基站坐标、设定目的地、显示定位标签实时位置等功能。

本发明所涉及的系统软件流程如下：

本系统软件由机器人控制单元、避障单元两大部分组成，其中机器人控制单元MC9S12XDT256主要完成对定位部分、导航部分、控制部分以及人机交互部分等功能实现，避障单元MSP430G2553控制器主要完成对超声波雷达的测距及数据上传等功能。

如图2所示，机器人控制单元软件部分主要由初始化程序、中断程序、定位解算程序、运动控制程序四大部分组成。初始化程序只在系统上电时执行一次，主要是对系统状态寄存器的设置、中断标志和允许的设置、看门狗的设置、定时器、外部晶振、捕获单元初始化、串口初始化、I/O口的设置等；中断程序主要由串口(1-4)中断服务程序以及定时中断服务程序组成，串口1中断服务程序主要接收来自UWB定位标签传输的标签与各基站的距离信息，串口2中断服务程序主要实现MC9S12XDT256控制器与MSP430控制器之间机器人与障碍物的测距数据的交换，串口3中断服务程序实现控制电机驱动器，从而实现对4台电机的相应控制动作，串口4中断服务程序实现与人机接口的数据交换；定位解算程序部分主要由定位数据滤波、三边测量定位算法以及数据存储等组成，从而实现对机器人所处位置进行实时定位；运动控制部分程序主要由PID控制算法以及电机控制信号生成等组成，从而实现对机器人的4台电机进行运动控制。

如图3所示，本发明所涉及的机器人控制单元中串口接收数据中断软件流程如下：

(1)中断接收标志置位，进入SCI中断服务子程序；

(2)清除接收中断标志；

(3)接收数据帧并置位接收标志；

(4)主程序中判断数据CRC校验状态：如果正确则进行后续数据处理。否则不执行数据处理操作，继续等待接收数据帧。

如图4所示，本发明所述机器人控制单元中定位标签位置解算处理软件流程如下：

(1)主程序判断接收数据标志，如为真则将定位标签与各基站间的距离放置数组中；

(2)当接收数据帧数达5组数据时，进行中位值平均滤波法对数据滤波处理；

(3)将上步滤波后得到的数据进行三边测量定位算法计算得出定位标签的坐标；

(4)返回

如图5所示，本发明所述避障单元中T0中断服务软件流程如下：

(1)定时器T0每隔56ms分别按照左前-----右前---左后-----右后顺序选通下一路超声波发射电路；

(2)调用超声波发生子程序，送出10kHz的超声波脉冲电压；

(3)定时器T1启动计时；

(4)打开外部中断0中断

(5)返回

如图6所示，本发明所述避障单元中外部中断0服务程序软件流程如下：

(1)单片机一旦接收到返回超声波信号，立即进入外部中断0服务程序；

(2)停止T1定时器，禁止外部中断0中断；

(3)读取T1定时器的数值，计算超声波往返所用的时间；

(4)根据超声波测距原理计算与障碍物间的距离；

(5)将距离信息存入缓冲区

(6)返回

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统，其特征在于，包括控制部分、定位部分、导航部分、避障部分及人机交互部分，

所述控制部分采用单片机作为核心控制单元；

所述定位部分采用UWB定位方式，定位标签与基站间通过无线方式通讯，所述单片机通过串口通讯方式与定位标签进行实时通讯，从而得到定位标签与各基站的实时距离信息，数据经计算后得出标签所处坐标，即位置信息；

所述导航部分用于单片机将目标位置与实际位置信息进行相应处理计算后得出四个电机的控制信号，电机控制信号经电机驱动放大后最终控制四个电机的相应动作；

所述避障部分采用超声波雷达测距方式实时检测机器人与障碍物间的距离，通过TTL电平信号与四个超声波雷达实现数据交换，再经数据处理运算后，通过串口通讯方式将四个超声波雷达信号的测距信息传输至单片机；

所述人机交互部分利用触摸屏通过串口通讯方式实现与所述控制部分进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统，其特征在于，所述触摸屏为LCD显示屏。

3.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统，其特征在于，所述得到的定位标签与各基站的实时距离信息经过数字滤波处理后，再经Trilateration三边测量定位算法计算后，得出标签所处坐标。

4.根据权利要求1所述的一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制系统，其特征在于，所述单片机为恩智浦半导体公司生产的MC9S12XDT256单片机。

5.一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)MC9S12XDT256单片机通过串口通讯方式与定位标签进行实时通讯，从而得到定位标签与各基站的实时距离信息，数据计算后，从而得出定位标签所处坐标，即位置信息；

2)MC9S12XDT256单片机将解算后得到的实际位置信息与目标位置进行PID运算处理后，计算得出四个电机的控制信号，电机的控制信号经电机驱动器放大后最终控制四个电机的相应动作；

3)MSP430G2553单片机通过TTL电平信号与四个超声波雷达实现数据交换，再经数据处理运算后，通过串口通讯方式将四个超声波雷达信号的测距信息实时传输至MC9S12XDT256单片机，当检测到机器人与障碍物距离低于设置值时，机器人将作出相应动作；

4)触摸屏通过串口通讯方式实现与MC9S12XDT256单片机进行数据交换，从而实现设定基站坐标、设定目的地、显示定位标签实时位置功能。

6.根据权利要求5所述的一种基于UWB定位的智能搬运机器人控制方法，其特征在于，所述得到的定位标签与各基站的实时距离信息经过数字滤波处理后，再经Trilateration三边测量定位算法计算后，得出标签所处坐标。