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隨著電子商務(wù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)對自動化倉儲管理的需求日益增加。倉儲管理系統(tǒng)能夠快速運作的關(guān)鍵在于高效地運送且準確搬運倉庫中的物品。將可以進行多目標點導(dǎo)航的倉儲物流移動機器人引入倉儲空間中，不僅可以代替人工搬運貨物，有效地減少工人的勞動強度，還能提高工作效率[1]，因此室內(nèi)定位與導(dǎo)航是倉儲物流移動機器人研究的重點方向。

如今倉儲物流移動機器人常用的導(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，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，原理簡單可靠，但施工時間長、費用高；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)計了基于UWB定位的倉儲物流移動機器人系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)研究倉儲物流機器人的實時定位、多目標點導(dǎo)航功能[9]。該方案具有布置簡單、成本低、精度高、抗干擾性強、定位范圍廣，適用于室內(nèi)外復(fù)雜環(huán)境等優(yōu)點[10,11]。

本系統(tǒng)主要由定位基站、定位標簽、目標點生成器和移動機器人4部分構(gòu)成。定位基站用于幾何邊緣區(qū)域信號覆蓋；定位標簽用于與定位基站進行測距，從而對移動機器人進行精確定位；目標點生成器與定位標簽結(jié)合，根據(jù)標簽定位信息存儲的多個目標點實時對移動機器人進行路徑規(guī)劃。將定位標簽放置于移動機器人之上，移動機器人運行目標點導(dǎo)航子系統(tǒng)對多個目標點依次導(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

定位基站與定位標簽均采用UWB mini3plus射頻模塊。該模塊以STM32F103T8U6單片機為主控芯片。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，還可以作為標簽，通過USB連接電腦，接收電腦發(fā)送的AT+SW指令進行切換。

目標點生成器由UWB基站An、UWB標簽Tn+1、STM32F103C8T6單片機、ESP8266WiFi模塊4部分組成（參見圖1）。

目標點生成器以STM32F103C8T6為核心，采用射頻模塊UWB mini3plus標簽Tn+1和基站An進行實時測距，通過UART串行通信采集標簽與基站的距離信息并解算標簽坐標，使用ESP8266 WiFi模塊對移動機器人進行坐標信息傳輸。ESP8266采用串口與單片機通信，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，工作在STA+AP模式的ESP8266使用TCP/IP透傳傳輸數(shù)據(jù)方式與移動機器人進行坐標信息傳輸，滿足局域網(wǎng)無線控制的需求。目標點生成器設(shè)置好目標點之后存入EEPROM，供下一次使用，等待移動機器人連接，在連接成功之后發(fā)送坐標給移動機器人。目標點生成器的工作流程如圖2所示。

圖2 目標點生成器工作流程圖   下載原圖

移動機器人的硬件由UWB基站An、UWB標簽Tn、STM32F103C8T6單片機、運動控制部分、ESP8266 WiFi模塊5部分組成。

UWB標簽Tn用作與UWB基站An測距定位。STM32F103C8T6是移動機器人的核心。移動機器人通過ESP8266接收目標點生成器設(shè)置好的目標路徑點。移動機器人與定位標簽結(jié)合，利用STM32F103C8T6解算的坐標信息和目標點生成器設(shè)置好的目標路徑點進行目標點導(dǎo)航。運動控制部分主要通過光電編碼器M/T法測速[13]，從而控制兩驅(qū)動電機的速度，實現(xiàn)機器人的直線行駛和原地轉(zhuǎn)彎功能[9]。

移動機器人目標點導(dǎo)航子系統(tǒng)的坐標信息來源于單片機三維定位算法[14]解算標簽與基站的測距信息。

單片機使用三邊測量法[15]進行坐標解算，設(shè)基站A1、A2、A3、A4圓心坐標為：

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

式中，r1、r2、r3、r4分別表示標簽到基站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新坐標系的坐標軸。

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，前兩個球面是同心的，則方程無解；如果j=0，則三個球在同一直線上。

使用三個變量h、i、j和在原點處三個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：

如果方程有多個解，則取與A4球面距離最近的那個解為最優(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。目標點生成器依次記錄標簽位置坐標，并將其存儲到EEPROM，等待移動機器人連接。移動機器人使用ESP8266連接目標點生成器WiFi熱點。移動機器人目標點導(dǎo)航子系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖4 目標點導(dǎo)航子系統(tǒng)原理圖   下載原圖

圖5 目標點導(dǎo)航子系統(tǒng)工作流程圖   下載原圖

在目標點生成器與移動機器人通過ESP8266連接成功之后，目標點生成器發(fā)送EEPROM存儲的坐標信息給移動機器人。移動機器人接收信息并解碼，根據(jù)當前所在位置進行目標點導(dǎo)航。假設(shè)目標點的位置坐標為Enm X(nm,Ynm），其中n為目標點生成器設(shè)置的目標點坐標，m為目標點En和E(n+1）之間細分的目標點。設(shè)D為目標點細分的距離（單位為cm),v為移動機器人的運動速度，Δt為坐標更新間隔時間。其計算公式為：

移動機器人直線移動依次記錄N(N≥2）個坐標信息，該坐標信息用來確認當前移動機器人行駛方向。設(shè)移動機器人直線移動記錄的第一個坐標為起點坐標A X(a,Ya），最后記錄的坐標設(shè)置為終點坐標B（Xb,Yb），則當前移動機器人的方向為向量。移動機器人當前坐標B與目標點Enm的方向為向量，由此可以得出：

若當前移動機器人實際坐標與第一個目標點Enm之間的距離大于D，則按照每隔距離D取新的目標點。坐標B與目標點Enm的距離為：

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

若，則移動機器人需要向左調(diào)整角度Δθ；若，則移動機器人需要向右調(diào)整角度Δθ；若，則進行下一步判斷：

式中，r為目標點圓心Enm的半徑。

當滿足式（32）時，移動機器人沿著當前的方向繼續(xù)直線前行；當滿足式（33）時，移動機器人向右轉(zhuǎn)180°；當式（32）和式（33）均不滿足、但式（34）滿足時，表示移動機器人已經(jīng)到達該目標點，此時移動機器人判斷該目標點是否是所有目標點的終點，若是則停止，否則即進行下一目標點的導(dǎo)航（移動機器人判斷是否到達生成器目標點Enm，若是則n+1、m=0，否則m+1）。

本實驗場地設(shè)定在室外20m×30m寬敞區(qū)域。設(shè)置4個基站坐標分別為（0,0,1.65）、（30,0,1.65）、（0,20,1.65）、（30,20,1.36），以m為單位。使用目標點生成器設(shè)置5個目標點，移動機器人使用目標點導(dǎo)航子系統(tǒng)對多個目標點進行導(dǎo)航。實驗過程記錄移動機器人運行軌跡如圖6所示。該運行軌跡數(shù)據(jù)分析如圖7與圖8所示。實驗結(jié)果表明，移動機器人成功地依次對目標點生成器設(shè)置的多目標點進行導(dǎo)航。由表1可知，標簽靜態(tài)定位精度在20cm以內(nèi)。由圖7可知，移動機器人在進行導(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 標簽靜態(tài)定位精度     下載原表

圖6 機器人運行軌跡   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

本文提出了一種倉儲物流移動機器人多目標點導(dǎo)航設(shè)計思想和具體使用方法。實驗測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠為移動機器人實現(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)成為未來機器人應(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，結(jié)合不同的定位導(dǎo)航將可以實現(xiàn)更好的導(dǎo)航效果。