鄧成軍， 何 俊， 李 鋒

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等建設(shè)的不斷增多，化學(xué)危險品泄漏以及燃燒、爆炸等事故隱患的增加，事故概率提高[1]。一旦發(fā)生危險災(zāi)害事故，經(jīng)常會遇到情況不明、救援人員面對高溫、輻射、有毒和濃煙等危險環(huán)境時，根本無法接近事故現(xiàn)場。基于以上綜合考慮，本文設(shè)計一款小型偵察機器人，代替救援人員進入情況不明或難以進入的事故場合去查明現(xiàn)場情況、則可大大減小人員傷亡，提高保障能力和工作效率。

慧魚創(chuàng)意組合模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型[2-3]。它由機械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)等不同模塊組成[4]；以機械傳動為核心,融傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、機器人技術(shù)于一體的教學(xué)及仿真模型[5]。對于學(xué)生直觀、快速地掌握各知識點，具有良好的促進作用，同時能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[6-8]。本文設(shè)計并制作拼裝了小型偵察機器人，主要對偵察機器人的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 機械系統(tǒng)設(shè)計方案

偵察機器人一般要求具有體積小、質(zhì)量輕、機動性好、轉(zhuǎn)向靈活，可以方便攜帶進入偵察地點，并且能夠在短時間內(nèi)準備就緒并投入工作[9]。

根據(jù)以上功能目標，小型偵察機器人的機械系統(tǒng)主要有行走動力及輪式移動機構(gòu)、攝像頭的角度升降機構(gòu)兩大部分組成，實物模型如圖1所示。

圖1 小型偵察機器人模型

1.1 行走動力及輪式移動機構(gòu)

偵察車的常規(guī)行走動力由兩臺伺服電動機來完成，再通過齒輪傳動來增大其扭矩，其傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，兩臺電動機可以為車輛的行駛提供足夠的動力，保證行駛速度，并且可以通過兩臺電動機的互相配合達到轉(zhuǎn)向的目的[10]。車輛的驅(qū)動前輪采用越野橡膠輪胎，保證車輪和路面有良好的附著性，以提高偵察車的牽引力、制動性和通過性。后輪采用兩個萬向車輪，以保證車輛在兩個前輪的互相配合下，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎，以及原地掉頭等功能。

1-電動機M1，2-車輪，3-齒輪，4-電動機M2

圖2 行走動力及輪式移動機構(gòu)示意圖

1.2 攝像頭的角度升降機構(gòu)

在偵察機器人前方和攝像頭支臂之間安裝了蝸輪蝸桿機構(gòu)，主要用于傳遞空間交錯兩軸之間的運動和動力，交錯角一般為90°，在彼此既不平行又不相交的情況下，通常蝸桿是主動件，蝸輪是被動件。使其相互配合可以實現(xiàn)支臂的角度升降調(diào)整。在本設(shè)計中，小型偵察車的攝像頭角度升降由電動機進行驅(qū)動，并且通過多級齒輪減速來驅(qū)動蝸桿，如圖3所示，蝸輪與攝像頭的支臂相聯(lián)接，該機構(gòu)可以實現(xiàn)攝像頭與車體本身90°范圍內(nèi)的任意角度升降調(diào)整，以此來擴大攝像頭的視覺范圍。

1-蝸桿，2-蝸輪，3-齒輪箱，4-電動機M3

圖3 攝像頭角度升降機構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

偵察機器人一般工作在未知的環(huán)境里[11]，它要求偵察機器人具有局部的環(huán)境感知、自動檢障和避障、局部自主移動導(dǎo)航等能力，能夠自主完成操作員規(guī)劃好的任務(wù)，而復(fù)雜環(huán)境分析、任務(wù)規(guī)劃、路徑選擇等工作由操作指揮人員來完成。因此，結(jié)合有關(guān)機器人控制結(jié)構(gòu)體系[12-14]，采用了人機交互方式的半自動進行控制。設(shè)計了手動遙控遠程控制和自主偵察移動控制兩種模式，在本設(shè)計中，首先通過繪制出偵察機器人的控制方案流程圖，結(jié)合流程圖利用慧魚ROBO PRO軟件進行程序和人機交互界面的設(shè)計。

2.1 控制流程方案設(shè)計

2.1.1手動遙控遠程控制功能

為了使機器人能夠在人不能及的環(huán)境中進行偵察任務(wù)，必須采用遙控操作，實現(xiàn)機器人前進、后退、轉(zhuǎn)彎和越障以及攝像頭裝置運動等動作[15]，操作員通過攝像頭實時采集的現(xiàn)場圖像來實現(xiàn)視覺導(dǎo)航并觀察前方情形,其控制功能流程圖4所示。按照機器人的控制功能方式通過慧魚ROBO PRO軟件設(shè)計出上位機的人機操作控制界面，如圖5所示。

圖4 手動操作功能流程圖

圖5 人機遠程遙控操作界面及視頻圖像

2.1.2無線遙控遠程控制功能

為了實現(xiàn)遠程控制功能，就要求偵察機器人的控制命令的發(fā)出和接收以及視頻圖像的傳輸必須使用無線通信的方式。本文中，無線通信方式是通過下位機ROBOTICS TXT控制器自身內(nèi)置的WiFi模塊發(fā)出的信號與上位機的人機操作界面進行無線通信，來實現(xiàn)視頻圖像傳輸和控制命令的發(fā)送和接收。

2.1.3自主偵察控制功能

要實現(xiàn)自主偵察功能，這就要求機器人能夠?qū)χ車h(huán)境的感知來檢測判斷障礙，從而自動避開障礙。通過自動軌跡追蹤，實現(xiàn)沿著操作指揮人員規(guī)劃的路徑進行偵察。本文中，通過利用光敏傳感器、軌跡傳感器、超聲波傳感器，熱敏傳感器、攝像頭等來實現(xiàn)機器人對周圍環(huán)境的感知，采用局部路徑規(guī)劃方法，讓移動機器人通過傳感器對目標位置進行定位，同時通過傳感器對行走路線不斷的修正，最后達到目標[16]。此類方法對未知環(huán)境表現(xiàn)出較強的適應(yīng)能力，已有針對未知環(huán)境中路徑規(guī)劃問題的研究也多集中于此類方法[17],其控制功能流程如圖6所示。

2.2 控制程序設(shè)計

結(jié)合偵察機器人的功能控制流程圖，使用慧魚ROBO PRO軟件進行程序的編制，其自主偵察及手動遙控偵察控制程序分別如圖7、圖8所示。

圖6 自主偵察控制功能流程圖

圖7 自主偵察移動控制程序

2.3 各分支機構(gòu)控制方案

偵察機器人的每個動作都是由程序進行控制，各元件的名稱與對應(yīng)的功能如表1所示。

圖8 手動遙控遠程控制程序

元件實現(xiàn)功能元件實現(xiàn)功能M1驅(qū)動左邊車輪電動機I2攝像頭角度上限位M2驅(qū)動右邊車輪電動機I3軌跡追蹤功能M3驅(qū)動攝像頭升降電動機USB?A連接攝像頭實時監(jiān)控I1攝像頭角度下限位I4檢測環(huán)境的光敏度I5檢測障礙物距離O8光線不足時，用于照明

(1) 前進、后退功能。要求機器人前進時，操作人員可以通過人機交互界面按下“前進”按鈕，則M1、M2同步正轉(zhuǎn)，機器人直線前進。當(dāng)需要后退時，按下“后退”按鈕，則M1、M2反轉(zhuǎn)，機器人直線后退。由于兩伺服電動機通過ROBOTICS TXT控制器采用同步控制，能夠保證具有相同的速度。

(2) 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能。要求機器人左轉(zhuǎn)時，操作人員可以通過人機交互界面按下“向左”按鈕，則M2正轉(zhuǎn)，M1保持停止，機器人向左轉(zhuǎn)彎。當(dāng)需要右轉(zhuǎn)時，按下“向右”按鈕，則M1正轉(zhuǎn)，M2保持停止，機器人向右轉(zhuǎn)彎。

(3) 攝像頭角度升降調(diào)整功能。要求攝像頭角度上升時,按下“攝像頭向上”按鈕，則M3電動機正轉(zhuǎn)，攝像頭緩慢向上升起，直到最佳觀察位置，松開按鈕，M3電動機停止。要求攝像頭角度下降則按下“攝像頭向下”按鈕，則M3電動機反轉(zhuǎn)，攝像頭緩慢下降，直到最佳觀察位置，松開按鈕，M3電動機停止。本設(shè)計中，攝像頭角度調(diào)整的范圍為0°～90°。為了防止超程，設(shè)置了I1和I2兩個行程開關(guān)。

(4) 偵察機器人原地掉頭功能。本設(shè)計中，偵察機器人可以實現(xiàn)原地向左和原地向右兩種方式掉頭，同時也幫助攝像頭實現(xiàn)360°偵察功能。原地向左掉頭時，電動機M1反轉(zhuǎn)，電動機M2正轉(zhuǎn)。原地向右掉頭時，電動機M1正轉(zhuǎn)，電動機M2反轉(zhuǎn)。

(5) 實時視頻監(jiān)控功能。該功能采用USB-A攝像頭實時采集現(xiàn)場視頻圖像，通過ROBOTICS TXT控制器的WiFi信號傳輸視頻圖像，實時顯示在人機操作界面上，以幫助操作指揮人員實時了解現(xiàn)場情況，實現(xiàn)手動遙控操作的視覺導(dǎo)航功能，如圖9所示。

圖9 人機操作界面視頻圖像顯示

(6) 避障功能。偵察機器人根據(jù)自身攜帶的超聲波傳感器I5來檢測周圍的障礙物以及距離，從而自動避開障礙物，主要應(yīng)用在自主偵察模式。

(7) 自動照明功能。偵察機器人利用自身攜帶的光敏傳感器I4，自動檢測周圍環(huán)境的光線強弱，當(dāng)光敏傳感器檢測到周圍環(huán)境光線較暗時，自動打開照明燈，以輔助攝像頭傳回更加清晰的視頻圖像。光線明亮?xí)r，自動關(guān)閉照明燈，該功能主要應(yīng)在自主偵察模式。

(8) 軌跡追蹤功能。該功能主要應(yīng)用在自主偵察模式，利用I3軌跡識別傳感器的軌跡追蹤功能，讓偵察機器人沿著操作指揮員預(yù)先設(shè)定的軌跡路線進行偵察。

3 結(jié) 語

本設(shè)計完成的小型偵察機器人完成了對半自主偵察的整個過程的模擬，完成了偵察的整個流程。雖然該小型偵察機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計基于慧魚模型的特點，離具體的工程實際應(yīng)用還有很大的差距，但是該模型的設(shè)計方案及理念對實際偵察機器人的設(shè)計制造具有一定的指導(dǎo)意義。

此外，通過慧魚創(chuàng)意組合模型偵察機器人方案設(shè)計，使學(xué)生完成了從理論到具體實踐的跨越，彌補了在實踐環(huán)節(jié)中的一些不足，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的動手能力。

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