基于AprilTag识别的物料自动搬运系统

基于AprilTag识别的物料自动搬运系统

刘城旭,武志涛,张云浩

辽宁科技大学 电子与信息工程学院 :114051

摘要：人类的进步在于工具的使用，随着时代的发展，大量工业机器人的使用，不仅降低了劳动成本，而且大大提高了劳动生产效率，尤其是在制造业领域。在日常生活中，人们也避免不了对大型且重量较大的物品进行搬运，随着人口老龄化的日益加剧，物体的搬运问题日益凸显，尤其是在没有电梯的居民区，搬运更成为问题需要大量人力资源。所以本论文推出一种基于AprilTag识别物料的自动搬运系统，此系统可以实现对物料的捕捉定位，并利用机械臂抓取物体，实现物品搬运的省时省力，并进行自动运输、避障，系统方便快捷，成本较低。系统的运行模式可以根据工作场景进行切换，在显示器上可以实时观测系统的运行数据。

关键词：AprilTag；捕捉定位；自动搬运

引言：

随着技术的发展，越来越多的先进装置运用在物料搬运环节中，国外先进的搬运机器人如OTTO、Kiva、PowerBot等等，国内也研制出了仓储搬运机器人。可技术虽然先进，但其应用场景受到极大限制且造价较高，不适合广泛推广。而工业上流水线作业的运输装置多使用输送机，但输送机占地面积大，只能在固定路线上进行工作，灵活性较差，维修难度大。相比输送机，有轨穿梭车则显得灵活，轻巧，但是有轨穿梭车无法自主规划路径和自主避障，需要预先铺设轨道，工程量大。本装置是以自动导引小车为基础，并通过应用场景改变车体尺寸和承重能力且具有智能导航与搬运功能的智能化设备。该智能化设备可以应用于日常生活也可用于制造工厂内各个环节之间物料搬运工作，解放人工，降低成本，提高利润率。

一、系统的工作原理

系统主要包括自动跟随捕捉系统、控制系统、感知系统三部分，利用图像处理技术和AprilTag识别定位对所需搬运物体进行捕捉定位。控制系统以单片机为主，通信线路实现整个系统的连接，传送相关数据。单片机是系统的核心控制装置，实现软件仿真后再进行硬件上的搭配设计。本装置的硬件组成包括控制单元、运行单元以及人机交互单元。系统运行时，机械臂夹取到物体后使用麦克纳姆轮作为万向轮，利用人工蜂群算法规划最优路径，用超声波和雷达对障碍物进行判断，提前进行避让，利用按键控制进行模式切换。对于路况极其复杂的位置，利用相同局域网进行无线控制或者由操作人员佩戴印有 AprilTag 的腰带进行指引，系统运行数据显示在LCD屏幕上。

二、系统主要工作结构

本装置的功能模块主要包括自动跟随捕捉系统、感知系统、通信传输模块、报警装置以及显示模块。

（一）主要控制系统

系统采用stm32f1系列开发板进行开发，主控芯片为stm32f103zet6。芯片功能全面，引脚多，内存大，处理速度快，非常适合开发模块丰富的系统。连接系统的各个模块和电路，采用stm32f103zet6核心板，其功能与开发板相同，且与其他模块的连接性好，方便操作。此板还能将各类模块发送的信息进行整合转化，并且其体积较小，可以节省较大空间。

（二）自动跟随捕捉系统

系统利用AprilTag进行识别定位。识别定位的过程中，摄像头获取前方图像，并将图像传递给树莓派。树莓派对接收到的图像做灰度化处理，再对图片进行高斯滤波，最后对图片采用Canny边缘检测算法进行边缘检测。通过 AprilTag 识别算法进行识别时同时计算 AprilTag 的像素面积和中心点坐标从而确定目标物料的距离和相对位置，之后树莓派根据这两个参数产生两路不同占空比的脉冲宽度调制来控制运输车转速，从而使得搬运车以不同的速度和方向前进。在找到物体时，用机械臂抓取，到达指定位置改变AprilTag的ID将物料车停止。

（三）感知系统

本装置用超声波传感器HC-SR04进行避障，HC-SR04超声波距离传感器的核心是两个超声波传感器。其中发射器可以将电信号转换为40 KHz超声波脉冲。接收器监听发射的脉冲，接收后将产生一个输出脉冲，其宽度可用于确定脉冲传播的距离。该传感器体积小，并提供2cm至400cm之间出色的非接触范围检测，精度为3mm。避障过程使用麦克纳姆轮作为万向轮，由于麦克纳姆轮的四周的辐子外轮廓为非规则圆形，会产生震动，辐子在与地面接触时会产生随机滑动，导致编码器数据无法准确描述电机运行状态，为了得到精确的里程信息，在移动平台底层硬件系统添加了陀螺仪，陀螺仪可以利用mpu6050陀螺仪得到较为精准的角度信息，最后利用人工蜂群算法规划最优线路。

（四）通信传输

利用ESP8266WiFi模块，在远程服务器的交互界面中可以进行建图、定位、以及遥控与任务分发等操作。这些操作均是通过TCP网络通信传输给机器人内部的工控机系统，工控机系统根据不同的任务指令，执行不同的功能模块，实现功能交互。

（五）报警装置

采用led灯和蜂鸣器两种报警方式，其结构为在发光二极管上加一个电阻，这样可以减小电流，起到保护作用。并且当单片机执行报警功能时，由于电阻的作用，可以使之输出为低电平。报警时灯管与蜂鸣器同时工作，完成报警任务。

（六）屏幕显示

系统采用LCD显示屏， LCD屏幕具有成本低、使用简单、系统稳定等优点。在传输数据时并行传输数据，具有速度快、程序简单等特点。可以将操作模式、电量、速度、时间等在显示屏上显示出来，方便观察与调整。

结语：

近年来，我国出台了多项政策以鼓励支持物联网技术的发展，来促进生产生活的高效化、智能化和网络化，这对于提高国民经济和生活水平大有裨益。物联网作为新一代的信息技术与制造业深度融合的产物，是我国在实现数字化转型的重要途经，也是实现新旧动能转化的强大力量。

参考文献：

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[2]孙海英,王晓云,张航.基于改进Canny算子的齿轮边缘检测研究[J].装备制造技术,2022(06):67-70+74.

[3]焦传佳,江明.基于AprilTag图像识别的移动机器人定位研究[J].电子测量与仪器学报,2021,35(01):110-119.

[4]王若萱,吴建平,徐辉.自动驾驶汽车感知系统仿真的研究及应用综述[J].系统仿真学报,2022,34(12):2507-2521.

项目作者：刘城旭 武志涛 张云浩

基金项目:辽宁科技大学大学生创新创业计划专项经费资助项目(项目编号:  X202210146054）。

作者简介:刘城旭(2001-)，男，大学本科，专业测控技术与仪器，研究方向嵌入式系统应用。