粮食筒仓自适应多感知人工智能清仓机器人的研究

◎ 温宏杰，王 磊，史纬琦，闫发宣，高绪明，李金蔚，吕晗恺，张 星

（山东港口集团青岛港董家口分公司，山东 青岛 266000）

1 研究目的、意义和国内外发展概况

1.1 研究意义

我国是粮食生产及消费大国，每年产出和进口量巨大，因此，做好粮食储存的工作具有十分重要的战略意义。随着社会发展，粮仓的规模越来越大，仓内堆积层也越来越厚，而我国目前粮食储存业的清仓工作，大部分还保留着人工作业方式，不仅速度慢、劳动强度大，且清仓效率低。同时，当粮仓内局部粮食发热或异常时，需要做深挖处理，如果依靠人工，既不安全，劳动强度又大，效率极低。此外，受到粮食收获期限的限制，每年的入库时间较为集中，如果不能在短时间内完成粮仓的清仓工作，就容易错过粮食的最佳存储时间，还会导致其发热、潮湿、生虫，影响存储安全及品质。因此，迫切需要设计一种替代人工进行清仓的机器人[1]。

1.2 研究目的

本研究目的在于降低清仓作业时人工的劳动强度、降低作业成本，确保人员安全作业生产，提高作业效率。通过远程遥控技术能够实时操控机器人的走位，杜绝因为清仓带来的安全隐患；通过在机器人上增加氧传感器、有毒气体检测等传感器，可避免人员因为毒气造成人身伤害。

1.3 国内外发展状态

国外许多发达国家，例如美国在设计粮仓时奉行自动化理念，在入粮过程中将粮食倒入地漏，传送带将粮食传送至谷仓上方，通过谷仓内管道落入粮仓中，入粮时实现自动平整。目前，几乎没有平仓机器人相关的文献。对于粮仓的研究主要集中在远程监控、粮仓温度检测、害虫防治、精确的粮食储量测量方面。有相关文献总结了国外粮仓自动化的研究方向，并提到了一种在偏远地区离线模式下的自动化粮仓方案。

国内对于粮仓机器人的研究，相较于其他领域而言还较少。大部分研究成果大同小异，主要分为固定式和移动式两种。固定式粮仓机器人主要用于大型粮仓，相对来说成本和效率更高一些；移动式粮仓机器人主要用于小型粮仓。

综合国内外粮仓机器人发展现状，二者既有优点又有缺点，如果能将二者结合使用，效果会更好[2]。

2 研究主要技术路线

2.1 自适应螺旋车轮以及车体

传统的机器人行走都是依靠轮子或者履带，但在不平整的粮食面上，采用履带或者轮子无法行走，或者因为粮食洒落在履带内造成履带损坏。本研究依托于螺旋齿轮的运动原理，在车体上增加8组大扇形结构，分别安装于机器人车体的上方和下方，机器人正常行进的时候采用下方4个扇轮驱动，当机器人侧翻或者完全翻转后采用上方4个扇轮驱动前进。扇轮由8个伺服电机进行驱动，通过差速控制可以实现车体的旋转、前进与后退功能。8个扇轮前端都配有一个可以伸缩的螺旋钻头，用于破损体积较大的粮食块，同时，这8个螺旋钻头都具有前后移动的功能，并且结合小型空气锤的原理，再配合螺旋钻头的高速旋转，以确保平仓机器人在粮仓内可以进行平仓或者清仓等工作。

车体由铝合金外壳上下装配而成，内部主要集成了磷酸铁锂电池、机器人控制器、电机、无线模块、陀螺仪等装置，车体外部装配有氧浓度传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器、硫化氢传感器、氮气传感器等气体检测传感器及摄像头，车体暂估尺寸为68 cm×42 cm×45 cm，后期详细计算尺寸可能略有变化。

2.2 自动避障系统

因为粮仓内布置了大量的光纤测温传感器，在机器人清理粮仓或者平仓过程中会出现碰撞光纤的现象，在螺旋扇轮前进的过程中有可能破坏测温光纤或者清仓机器人。为了避免该问题，本研究在车体四周布置多个传感器集群，当检测到在碰撞范围内有光纤时可以自动避让，从而确保机器人在粮仓内能够正常、安全的作业。避障系统可以利用遥控器手动关闭或者自动关闭，自动避障系统要求机器人具备一定的自动智能导航功能，导航地图可以根据粮仓内的实际情况进行预存储。自动避障系统采用的是磁性传感器，用于检测金属或者塑料，防止机器人无法进行粮食预埋。

2.3 车体自平衡系统以及自行走系统

车体自动平衡系统是在8个螺旋扇轮的轴承处安装自由伸缩的减震装置，配合陀螺仪，如此一来，当机器人爬坡或者进行深度清仓时，可防止机器人侧滑影响作业。自动行走功能主要是系统内置导航地图，配合避障系统可以进行自动行走或者预设轨迹的行走方式。内置的磷酸铁锂电池支持8 h的自动连续作业，当电池电量低于安全阈值时，机器人自动返航，由人工进行充电。

2.4 基于5G的无线数传系统

为实现机器人在远程端操控，需要内置一个5G芯片，通过筒仓外的天线配合远程端进行操控。5G数传系统包含一个远程端和一个本地端，具有手机端操控功能和上位机软件操控功能。其中，手机端可以显示各种传感器的测量数据、车体的前进后退和旋转功能，以及一键返回功能；远程端的上位机软件可以实现多台机器人的控制和信息回传功能，包括但不限于传感器状态、电池电量、导航地图、机器人位置、视频等功能[3]。

2.5 基于人工智能AI的自动学习系统

虽然在车体上设计了8组螺旋扇轮，但是为了预防清仓过程中机器人倾倒的问题，本研究设定车体上的摄像头进行自学习，该摄像头可采用PYTHON人工智能软件，对所有的作业环境进行预学习功能。如此一来，在倾斜的作业面清仓时，通过机器人反复的智能学习，具备一定的高度智能性，能够根据作业环境提前规划作业路径，在提高作业效率的同时，降低机器人的电耗，提升机器人的整体作业能力。

2.6 机器人控制系统

机器人控制系统应该具备远程控制功能和相关数据收发功能。同时，要兼容导航地图、车体运转控制、视频AI学习等功能，以控制机器人在预定的作业环境内自由快速运行，从而保证机器人安全稳定的运行，有效提高作业效率。

2.7 气体传感器集成系统

气体传感器集成系统要求同时具备多种传感器的测量，通过机器人控制系统和5G传输系统，将信息传递给上位机软件。同时，根据测得的数据进行相关粮仓的维护和保养，从而避免其他安全隐患。

粮食筒仓智能清仓机器人的核心是通过双行走机器人实现无人高效系统清仓。对此，本研究基于图像基本原理，建立了清仓机器人路径规划导航模型，基于差速驱动、自适应螺旋车轮以及车体、增量式PID控制理论，建立了双机同步导航模型，在车体的四周布置多个传感器集群，从而确保机器人在粮仓内能够正常、安全作业[4]。

3 系统实施方案

本项目的主要目标是实现对大型筒仓内壁粮食残留的清扫。系统主要有3个组成部分：

（1）粮仓清扫系统。在粮食出仓时，清扫系统沿着仓壁及圆锥面行走，进行粮食残留的清扫。

（2）粮仓支持系统。建立粮仓内部清扫机器人的运行环境，为其工作提供数据传输、位置确定等支持。

（3）远程监控系统。实现对粮仓内部清扫过程的数据传输、远程监控，其系统结构如图1所示。

图1 系统实施方案图

3.1 系统工作过程

在粮食出仓时，清扫机器人根据粮食的出仓速度，通过摄像机判断粮仓内的积料情况，启动系统开始仓壁和锥面的清理工作。

通过监控摄像头，查找仓壁的挂料位置，控制轨道圆环下降到合适位置，清扫机器人在轨道上进行仓壁残留的清扫。监控有2种方式：一种是手持式便携控制，方便近程测试、查看清扫机器人状态；一种是计算机远程监控，用于清扫过程的远程监控。

当轨道圆环下降到锥面转接处时，清扫机器人启动锥面清扫程序，自动沿轨道运行，利用下方的绞龙（或刷子）进行锥面残留的清扫。此外，清扫机器人在工作中，可根据传感器信息及控制算法，自动进行姿态调整、障碍判断等辅助性操作，方便人工控制清扫。

3.2 粮仓清扫系统

粮仓清扫系统主要包括运行导轨和清扫机器人2大部分，来完成仓壁和锥面粮食残留的清扫工作。其主要结构如图2所示。

图2 清扫机器人结构组成示意图

3.2.1 机械结构

清扫系统在结构上分为轨道系统和清扫机器人本体2个系统。轨道采用吊装形式，可上下运动；清扫机器人采用轮式结构，能实现清扫机器人的移动、清扫、破碎等功能。

（1）轨道系统：轨道系统为清扫机器人运动提供横向路径，采用上下结构，上面是固定装置，下面是轨道装置。轨道系统使用吊装机构从筒仓顶端固定，可在电机的控制下进行上下运动；轨道固定装置上装有固定装置、滑轮等，用以固定轨道。

（2）机器人本体：清扫机器人本体采用全封闭结构，整体防尘、防爆。其本体主要有轨道轮、传感器、电池等装置。

（3）工作结构：清扫机器人下端设置有清扫装置和破碎装置。清扫装置是通过电机带动清扫器旋转，在机器人沿仓壁运行时进行仓壁清扫工作；在锥面时会自动弯曲，对锥面进行仿形，通过旋转等操作对锥面残留进行清扫。

3.2.2 控制模块

控制模块具有对轨道和清扫机器人的数据处理、动作控制及数据传输等具体功能，其主控模块硬件包含以下2个部分：

（1）电机驱动模块：采用ARM处理器作为核心控制器，实现对系统的检测，其主要包含4个滑轮吊轨控制、1个清扫电机控制、1个破碎电机控制。其中，电机驱动模块采用CAN总线与主控模块通信；电机采用24 V直流减速电机。

（2）主控模块：采用ARM Cortex-A53系列CPU，针对传感器、视频、传输等模块进行控制。同时，主控模块设置有CAN、RS485、USB、WiFi等接口，与传感器、控制模块等相连。

3.2.3 算法上主要功能

在算法上的主要功能有：①运动控制：通过对电机控制，实现轨道的上升、下降、锁定，清扫机器人的前进、后退、清扫、破碎等动作。②传感器信息融合：根据位置、姿态、视频等传感器的信息，计算合适的控制参数，保证清扫机器人安全工作。

3.2.4 传感器模块

传感器模块主要包括：①姿态传感器，给出机器人的水平状态。②视频摄像头，用于观察机器人周围景象。③位置传感器，用于轨道和清扫机器人定位。④气体传感器，用于感知筒仓内气体含量。

3.2.5 通信模块

通信模块可实现清扫机器人与粮仓支持系统、远程监控系统的数据交换。其中，控制数据、传感器数据通过TCP/IP协议进行传输，视频数据通过UDP协议进行传输。此外，通过仓顶部的无线模块直接对接原有系统的光纤，可实现粮仓的全局监控和管理。

3.2.6 电源模块

系统电池采用锂电池，系统电压直流24 V。电机工作电压直流24 V；主板供电24 V，主板上设置有电源转换模块，将24 V电源转换为12 V、5 V、3.3 V等，供不同模块使用。电池容量能保证清扫机器人至少工作一个出粮周期（4 h），同时，当电池容量低于设定时，会自动进行报警提示。

3.3 粮仓支持系统

粮仓支持系统安装于粮仓顶部，提供远程监控的数据链路和清扫机器人的定位计算，包含以下2个模块[5]。

3.3.1 定位模块

在粮仓顶部设置定位基站，在移动机器人上安装定位模块，根据定位算法，实时判断清扫机器人位置，定位精度在cm级，可满足粮仓内机器人行走要求。

3.3.2 通信模块

采用无线通信方式，可实现清扫机器人与远程监控系统的数据通信。此外，无线模块通过无线连接定位模块、清扫机器人和远程监控系统，可对定位模块进行远程数据更新。

3.3.3 供电模块

系统主供电采用220 V（或380 V），主要为导轨吊装系统电机控制系统供电。另外，直流电源模块为24 V，主要用于为系统无线充电、通信模块、定位模块、传感器等供电。

3.3.4 远程监控系统

远程监控系统可在监控室内对清扫机器人进行远程操作。其包含以下几个模块。

（1）显示模块

显示模块用于显示清扫机器人工作过程中的信息状态，其采用数字孪生技术，将清扫机器人的工作在显示器上同步展示，主要显示的信息包括工作视频、状态信息（姿态、电池、位置等）、报警信息等。

（2）中继通信

中继通信采用防雷无线通信模块，为数据通信提供桥接，可实现数据的远距离传输。

（3）遥控模块

遥控模块采用工业遥控器，方便对圆环滑轨、清扫机器人的操作进行控制，其操作界面如图3所示。

图3 遥控模块图

3.4 吊装系统

吊装系统采用六点吊装，配备防爆变频电机驱动，电机侧带有速度反馈和位置反馈，能够及时检测电机的运行状态和整体清仓机器的下方高度；内孔嵌套高耐磨塑料材质，可防止钢丝绳断裂。其结构安装形式如图4所示。

图4 吊装系统图

4 经济效益分析

（1）本设计能够实现全过程粮系统清仓无人化、自动化作业，完全解决安全问题和作业效率问题；能够有效解决筒仓环境恶劣、人工成本高、工作强度大等问题，年度可节约人力成本300万元，节约设备设施维护费20万元。

（2）本设计可有效解决机器人动力爬坡能力不足、易下陷等问题，且具有较好的续航能力，能够适应长时间恶劣作业环境。同时，本设计采用人工智能、无线摄像头、路径规划等技术，可实现效率最大化，提升生产效率60%以上。