沈亞運(yùn) 李琨 吳旭

摘 要：三部委關(guān)于印發(fā)的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》通知一文中，充分闡述了大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，對(duì)于打造中國(guó)制造新優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)，改善人民生活水平具有重要意義。目前，雖然我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大差距。尤其在民用小型機(jī)器人中，我們還有很長(zhǎng)的路要走。而在機(jī)器人發(fā)展中，移動(dòng)機(jī)器人的避障問(wèn)題尤為重要。為此，我們就機(jī)器人避障問(wèn)題展開(kāi)了研究。本文研究了低成本激光在移動(dòng)機(jī)器人避障中的設(shè)計(jì)等問(wèn)題。介紹了移動(dòng)機(jī)器人避障原理，結(jié)合了市面上應(yīng)用的低成本激光技術(shù)，提出了在有限條件下對(duì)機(jī)器人性能充分利用的思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該思路在低成本情況下有著極好的潛力與結(jié)果。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 低成本激光 移動(dòng)機(jī)器人 避障

0 引言

十九大報(bào)告明確指出，要加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)近年來(lái)正經(jīng)歷前所未有的快速發(fā)展階段，在技術(shù)研發(fā)、本體制造、零部件生產(chǎn)、系統(tǒng)集成、應(yīng)用推廣、市場(chǎng)培育、人才建設(shè)、產(chǎn)融合作等方面取得豐富成果，為我國(guó)制造業(yè)提質(zhì)增效、換檔升級(jí)提 供了全新動(dòng)能。與此同時(shí)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也在全民心目中有了極高的地位，因?yàn)榇蠹叶家庾R(shí)到了隨著工業(yè)信息化水平的快速發(fā)展，機(jī)器人將在未來(lái)的社會(huì)發(fā)展中有著重要作用。

對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，采用激光避障有著較為穩(wěn)定的探尋行走性能，并且其通用性也比較強(qiáng)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅需要考慮其體積、成本、質(zhì)量，還需要考慮其實(shí)際的可操控性能和該機(jī)器人的功耗程度。因此，選擇合適的硬件結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的操作系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)中最為重要的環(huán)節(jié)。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示，該避障機(jī)器人由主控制單元、驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線遙控模塊、電源模塊、LED以及最重要的激光雷達(dá)模塊。另外，這個(gè)結(jié)構(gòu)中使用的是RS232串行接口。激光雷達(dá)的作用主要是采集所遇到的障礙信息，并在信息單元進(jìn)行處理后發(fā)送到主控制單元中，然后主控制單元將傳輸來(lái)的結(jié)果進(jìn)行處理，并且反饋到機(jī)器人系統(tǒng)中，進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人的形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)避障效果。LED則顯示機(jī)器人的所處狀態(tài)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)。

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊提供了整個(gè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的基本需要。我們主要采用了2576和7805兩種形式的穩(wěn)壓電源。前者具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該穩(wěn)壓電源電路可提供高效的電壓輸出。后者具有熱過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)以及使用方便的優(yōu)點(diǎn)。這兩種穩(wěn)壓管的存在可以基本實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)電壓電流的需求。

1.3 控制單元模塊

機(jī)器人控制單元采用ST公司的32位處理器STM32F407 VGT6作為激光雷達(dá)控制單元和主控制單元的控制器。該處理器具有高達(dá)196K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM和高達(dá)1M字節(jié)的片上內(nèi)存，以168 MHz高速運(yùn)行時(shí)可達(dá)到210 DMIPS的處理能力，可以保障移動(dòng)機(jī)器人的正常運(yùn)行和處理激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)。STM32F407 VGT6具有先進(jìn)的Cortex -M4內(nèi)核，專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位微控制器，它能滿足mbed操作系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件，設(shè)計(jì)時(shí)處理器移人mbed操作系統(tǒng)，可以加快處理器的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。通過(guò)將系統(tǒng)的功能進(jìn)行模塊化劃以及分成不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)避障移動(dòng)機(jī)器人的多任務(wù)控制。

1.4 激光雷達(dá)模塊

此激光雷達(dá)模塊具有可探測(cè)距離相對(duì)較遠(yuǎn)，并且靈敏度較高的特點(diǎn)。在實(shí)時(shí)探測(cè)到前方障礙之后，激光模塊還要對(duì)信息進(jìn)行初步處理，所以在實(shí)現(xiàn)這種操作的情況下我們結(jié)合了光電對(duì)管傳感器作為雙重保護(hù)。

1.5 顯示模塊

根據(jù)需要，采用三塊LED板反饋機(jī)器人的狀態(tài)。分別用來(lái)顯示機(jī)器人的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、 障礙提醒以及等待狀態(tài)。同時(shí)還需要顯示一些基本數(shù)據(jù)，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、位移、位置狀態(tài)等。

1.6 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)與電機(jī)帶動(dòng)。通過(guò)電機(jī)接到的反饋系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)方面較為重要，因?yàn)樾枰刂聘鱾€(gè)方向的驅(qū)動(dòng)。就以機(jī)器人小車為例，則需要控制不同輪子的方向。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)模塊的編程和編碼器的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)不同模塊的功能。主要通過(guò)keil的系列編程來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的編程需求，其中部分重要實(shí)現(xiàn)類別，如：

1.假定：IN1=1，IN3=1時(shí)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，必須保證本條件

2.假定：遇到障礙輸出0，正常情況下輸出1；如果實(shí)際電路是：遇到障礙輸出1，正常情況下輸出0，這種情況下只需要將編程中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句改成：#define m0 1，#define m1 0即可。

3.說(shuō)明1：直行，轉(zhuǎn)彎，調(diào)頭時(shí)，速度f(wàn)ull_speed_left和full_speed_right

微小校正時(shí)，高速輪full_speed，低速輪correct_speed

4.lenth

5.width

這些都是整個(gè)編程實(shí)現(xiàn)的重要基本語(yǔ)言。

3 仿真與測(cè)試

該系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)激光在避障中的作用，整個(gè)仿真過(guò)程中，主要測(cè)試相關(guān)參數(shù)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。即：給激光開(kāi)關(guān)供電，前側(cè)放置不同顏色和形狀的障礙物，通過(guò)LED燈觀察狀態(tài)。移動(dòng)機(jī)器人（兩輪小車）在遇到規(guī)則性的障礙時(shí)，通過(guò)激光雷達(dá)的探測(cè)速度反應(yīng)比較靈敏，LED燈顯示狀況按照了預(yù)定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)模塊在相關(guān)編程下的反應(yīng)速度情況良好。在遇到不規(guī)則障礙時(shí)，激光雷達(dá)的掃描、處理、反饋速度較規(guī)則障礙慢些，但是在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，并未發(fā)生移動(dòng)機(jī)器人與障礙發(fā)生直接碰撞的問(wèn)題。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小車運(yùn)行穩(wěn)定，操作基本靈活，各項(xiàng)功能完成實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)低成本激光在移動(dòng)機(jī)器人避障中的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，簡(jiǎn)要的介紹了以兩輪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)了按照預(yù)定路線，合理規(guī)避不同形狀的障礙物的功能。同時(shí)，該過(guò)程結(jié)合了循跡小車與四軸飛行器系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)。通過(guò)本文機(jī)器人避障的基本設(shè)計(jì)，低成本激光在移動(dòng)機(jī)器人，尤其是在類似于兩輪小車，四軸飛行器的應(yīng)用中表現(xiàn)的極為良好，比較于光電系統(tǒng)的測(cè)試程序，激光實(shí)現(xiàn)避障反應(yīng)也很靈敏。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該課程的設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)低成本激光在移動(dòng)機(jī)器人避障的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)不僅僅在普通的移動(dòng)式機(jī)器人避障中得以應(yīng)用，并且在相關(guān)的工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)也可以應(yīng)用。隨著國(guó)家工業(yè)化水平的不斷提升，機(jī)器人的應(yīng)用有著一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)的前景，更有著急速發(fā)展的潛力，相信隨著機(jī)器人、無(wú)人駕駛的發(fā)展，在低成本激光的相關(guān)產(chǎn)業(yè)能夠得到良好的應(yīng)用前景。

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