楊久紅 ，王小增 ，2，李明庭 ，劉祖強 ，黃澤鵬

（1.嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州514018；2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，陜西 西安 710072）

在對人類具有威脅、環(huán)境惡劣的場合中，移動機器人發(fā)揮著重要的作用。目前國內(nèi)外研制的機器人驅(qū)動方式以輪式或履帶式居多,在爬越坡面、跨越障礙、壕溝以及在濕地、碎石路面、泥濘地面上行走時，履帶式機器人具有一定的優(yōu)越性[1-3]。定位和導(dǎo)航技術(shù)是移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)，移動機器人必須準(zhǔn)確獲取自身位置信息以有效完成指定功能。采用差分GPS系統(tǒng)或者慣性制導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航，但成本高昂，目前多用于軍事、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域[4-5]。低成本的定位導(dǎo)航技術(shù)仍然是阻礙移動機器人推廣應(yīng)用的瓶頸。本文設(shè)計并制作的機器人可以解決此問題。

1 工作原理

GPS自動導(dǎo)航探測機器人總體原理框圖如圖1所示，是以履帶式移動機器人作為機器人底盤，利用機器人的行駛功能并加以改造。在機器人上搭載GPS、電子羅盤、溫濕度傳感器作為信息采集單元；搭載紅外傳感器與驅(qū)動電路作為機器人控制單元。信息采集單元與機器人控制單元都由單片機實現(xiàn)。LabVIEW編寫的上位機程序構(gòu)成了導(dǎo)航計算單元，通過無線通信模塊與信息采集單元、機器人控制單元形成一個自動導(dǎo)航探測系統(tǒng)，機器人上載有數(shù)字?jǐn)z像機，可以對機器人周圍環(huán)境進行直觀地探測。

2 硬件電路設(shè)計

GPS自動導(dǎo)航探測機器人硬件電路包括車載的信息采集單元電路、控制單元電路以及上位機無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路。硬件電路的主要功能是將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機；接收來自上位機的數(shù)據(jù)控制自動導(dǎo)航機器人的運行。

2.1 信息采集單元電路

本設(shè)計采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，定位采用絕對定位法[6]。方位角的獲得采用GY-26平面數(shù)字羅盤模塊，此羅盤以 RS232協(xié)議與其他設(shè)備通信，具有重新標(biāo)定的功能，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，其輸出的波特率為 9 600 b/s，具有磁偏角補償功能，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境[7]。

采集單元電路使用兩塊單片機作為信息采集處理器，如圖2所示。一塊為STC89C52，作從處理器，用于對GPS傳來的多種NMEA語句中“GPRMC”語句的提取，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機串口2的接收口，以及對溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)進行采集；另一塊為STC12C5A60S2雙串口單片機，串口1用于對電子羅盤的控制與信息獲取，串口2的發(fā)送口用于對從機上傳的“GPRMC”語句再次篩選以及把所有信息(經(jīng)度、緯度、速度、方位角、濕度、溫度)打包后通過無線通信模塊APC220發(fā)給上位機。同時將經(jīng)緯度、時間、方位角在LCD12864液晶屏上顯示出來。

2.2 控制單元電路

控制單元采用STC89C52作為處理器，如圖3所示。機器人通過數(shù)據(jù)無線接收模塊APC220接收上位機發(fā)來的角度和距離數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由字符型轉(zhuǎn)換成整型，執(zhí)行相對應(yīng)的動作，達到對機器人的比例控制，向目標(biāo)點前進。單片機的I/O口接驅(qū)動電路的輸入端，在L298的兩個使能端的控制下，機器人直流電機可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而使機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。機器人驅(qū)動部分采用的L298N是專用驅(qū)動集成電路，其輸出電流為2 A，最高電流為4 A，最高工作電壓為50 V。機器人采用的電機工作電壓為7.2 V，工作電流為160 mA～180 mA。

避障功能采用紅外傳感器實現(xiàn)，傳感器集發(fā)射器和接收器于一體，DATA端接單片機的I/O口，單片機通過掃描I/O口可以判斷前方是否有障礙物。當(dāng)有障礙物時，物體將發(fā)射器發(fā)射足夠量的光線反射到接收器，接收器即產(chǎn)生了開關(guān)信號，信號線低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出。檢測有效距離為0 cm～80 cm，自動避障后，繼續(xù)按照原來的路徑前進。

2.3 上位機無線收發(fā)單元電路

上位機無線收發(fā)單元由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及無線收發(fā)模塊APC220構(gòu)成。APC220接收GPS自動導(dǎo)航探測機器人采集的GPS信號，經(jīng)過MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成PC端能識別的232電平。上位機根據(jù)收到的GPS信號為GPS自動導(dǎo)航探測機器人規(guī)劃好路徑，通過無線收發(fā)模塊APC220，向GPS自動導(dǎo)航探測機器人控制單元發(fā)出控制指令，從而使GPS自動導(dǎo)航探測機器人運動到指定目標(biāo)，如圖4所示。

圖4 上位機無線收發(fā)單元電路圖

3 自動導(dǎo)航軟件設(shè)計

上位機程序在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)，下位單片機程序采用C51開發(fā)。下位機數(shù)據(jù)處理軟件用于接收GPS、電子羅盤、溫度等數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機，下位機控制軟件負責(zé)接收上位機控制指令并控制機器人的運行。上位機程序用來接收下位機數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并規(guī)劃機器人的運行路徑。

3.1 自動導(dǎo)航算法

通過無線數(shù)據(jù)采集模塊，上位機獲取機器人所在位置的經(jīng)緯度、方位角等數(shù)據(jù)；由于目標(biāo)點經(jīng)緯度已知，所以可以通過高斯-克呂格投影變換法得到目標(biāo)點與出發(fā)點的直角坐標(biāo)；由電子羅盤檢測機器人的指向角來規(guī)劃機器人路徑。由于機器人受重心以及各種外界因素的影響，行駛過程可能出現(xiàn)偏差。因此，采用反饋校正的方式，即發(fā)送給機器人指令前一瞬間當(dāng)作機器人的起始位置，再次與目標(biāo)點進行路徑規(guī)劃。自動校正指令發(fā)送的周期可以根據(jù)實際情況加以設(shè)置。當(dāng)機器人與目標(biāo)點非常接近時（3 m～6 m），上位機發(fā)送最后一次指令給機器人(即上位機不再發(fā)送指令給機器人)，避免由GPS模塊精度不高而帶來的機器人在目標(biāo)點打轉(zhuǎn)的問題。

3.2 GPS數(shù)據(jù)提取程序設(shè)計

數(shù)據(jù)提取程序流程如圖5所示，當(dāng)數(shù)據(jù)幀頭為$GPRMC時，提取并顯示目標(biāo)點經(jīng)緯度、速度、時間和溫濕度。

3.3 上位機程序

上位機對機器人控制有自動和手動兩種模式。自動導(dǎo)航適用于遠距離導(dǎo)航，在上位機輸入指定一個目標(biāo)點的經(jīng)緯度，通過轉(zhuǎn)換，最后發(fā)給機器人的是一個角度和距離，機器人接收到數(shù)據(jù)后向目標(biāo)點前進。在行駛過程中可以對行駛路線進行若干次自動校正，以提高導(dǎo)航能力。手動控制通過上位機發(fā)送響應(yīng)指令控制機器人的前后左右動作，適合短距離位置調(diào)整和探測。上位機程序流程圖如圖6所示。

4 機器人系統(tǒng)測試

對硬件電路制作的GPS自動導(dǎo)航探測機器人進行了試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析。

自動導(dǎo)航試驗地點選于某地一廣場，首先運行LabVIEW開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件，先采集目標(biāo)位置，并顯示到上位機監(jiān)控軟件中；然后把GPS自動導(dǎo)航探測機器人拿到出發(fā)位置；最后在上位機監(jiān)控軟件界面上點擊自動導(dǎo)航按鈕，機器人自動向目標(biāo)點進發(fā)。其中，試驗的出發(fā)點經(jīng)緯度為(E11607.45785、N2419.88293)，目標(biāo)點經(jīng)緯度為（E11607.45931、N2419.88526），實際距離為 25 m。通過10次機器人自動導(dǎo)航試驗，測得機器人最后停止位置與目標(biāo)點的距離如表1所示。測試結(jié)果的絕對誤差平均值為1.085 m，相對誤差平均值為4.34%。

圖6 上行機指令流程圖

表1 實測機器人停止位置與目標(biāo)點距離

本文介紹的GPS自動導(dǎo)航履帶式探測機器人對地面的適應(yīng)能力強，可以在對人體有害的環(huán)境中代替人運動到指定位置，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，完成一些危險的工作。在前往目標(biāo)點的途中機器人能實時測量并發(fā)送當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、溫濕度、有害氣體濃度、機器人的方位角、速度等，數(shù)字?jǐn)z像機能實時反映機器人周圍的環(huán)境，并在上位機主界面上，直觀地顯示出所采集的各種信息；導(dǎo)航的平均誤差為1.086 m，最大數(shù)據(jù)采集間間隔為3 s，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220的無線傳輸距離為1 000 m，能夠通過計算機實現(xiàn)機器人的遠距離監(jiān)控。

[1]LIU J G，WANG Y C，MA S G，et al.Analysis of stairs climbing ability for a tracked reconfigurable modular robot[C].Proceedings of the 2005 IEEE International Workshop on Safety，Security and Rescue Robotics Kobe.Japan：IEEE，2005：36-41.

[2]姜紅娟，孟慶鑫.城市主排水管道穿纜檢測機器人結(jié)構(gòu)及其運動特性的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)機電工程學(xué)院，2006.

[3]LI Y W，GE S R，F(xiàn)ANG H F，et al.Effects of the fiber releasing on step-climbing performance of the articulated tracks robots[C].Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Guilin，China：IEEE，2009：818-823.

[4]賈銀山，賈傳熒，魏海平，等.基于 GPS和電子海圖的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2003，29(1)：194-195，255.

[5]劉晶，劉鈺，陸雨花.基于FPGA+ARM的視覺導(dǎo)航輪式機器人[J].計算機工程，2010，36(21)：194-195，198.

[6]田學(xué)軍.非差分GPS在移動機器人位點導(dǎo)航中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2009，31(6)：78-81.

[7]于日平，王德興.基于GPS與電子羅盤的定向天線自動定向裝置[J].微計算機信息，2009(25)：121-122.