李曉波

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第一研究所，山西 太原 030024)

0 引言

目前，機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人因能代替人工作，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及技術(shù)要求，并能提高產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)定性，而廣受歡迎[1，2]。本文設(shè)計(jì)了一種能自主避障的機(jī)器人。

1 技術(shù)方案

避障機(jī)器人具備自主移動(dòng)、自動(dòng)避障、自動(dòng)巡航、位置檢測(cè)、速度控制等基本獨(dú)立運(yùn)動(dòng)功能。主要技術(shù)性能如下：

避障機(jī)器人總體重量：小于100 kg

避障機(jī)器人最大移動(dòng)速度：45 km/h

連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)：2 h

輪轂尺寸：10～15英寸

避障機(jī)器人主要由：控制系統(tǒng)、傳感器、底盤(pán)、電池組等部分組成。其組成框圖如圖1所示。

圖1 避障機(jī)器人組成簡(jiǎn)圖

如圖1所示，控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人的核心，它負(fù)責(zé)處理信息和數(shù)據(jù)并對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制；傳感器是機(jī)器人的眼睛，負(fù)責(zé)收集各類(lèi)數(shù)據(jù)；底盤(pán)是避障機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，主要由電機(jī)、減速器、輪胎等組成；電池組是避障機(jī)器人最重要的部分之一，負(fù)責(zé)提供動(dòng)力和能量。

避障機(jī)器人在接收到上位機(jī)的目標(biāo)指令后，控制機(jī)器人向目標(biāo)方向運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)障礙物，則采用避障策略繞過(guò)障礙物。到達(dá)目標(biāo)位置后向上位機(jī)上報(bào)結(jié)果。其工作流程如圖2所示。

圖2 避障機(jī)器人工作流程圖

下面對(duì)避障機(jī)器人各主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)一些部件的型號(hào)進(jìn)行了選擇。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人的核心，它負(fù)責(zé)處理檢測(cè)裝置收集來(lái)的信息和數(shù)據(jù)。根據(jù)接收的數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動(dòng)部件，繼而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作。例如當(dāng)遇到障礙物后，控制機(jī)器人按照避障策略繞過(guò)障礙物?？刂葡到y(tǒng)也可以將機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)、行進(jìn)方向等數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，以便于跟蹤、調(diào)試。

避障機(jī)器人采用ST公司的STM32F7IGT6來(lái)做主控芯片。STM32F7IGT6提供Cortex-M7內(nèi)核性能(具有浮點(diǎn)單元)，工作頻率高達(dá)216MHz，同時(shí)具有較低靜態(tài)功耗。其內(nèi)置多達(dá) 21個(gè)通信接口(4個(gè)UART，4個(gè)USART， 5個(gè)SPI、4個(gè)I2C接口、1個(gè)CAN接口、2個(gè)SDIO接口、1個(gè)USB接口)，以便與其他不同接口的設(shè)備進(jìn)行連接。內(nèi)置2個(gè)12位DAC，3個(gè)12位ADC，多達(dá)18個(gè)16位和32位定時(shí)器，最高工作頻率216 MHz，可方便地對(duì)車(chē)輛底盤(pán)的車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度、扭矩、姿態(tài)等模擬量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集?？刂葡到y(tǒng)與各傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 控制系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖

1.2 傳感器

避障機(jī)器人安裝了碰撞傳感器、避障傳感器、姿態(tài)傳感器、速度傳感器等。下面主要介紹避障機(jī)器人的碰撞傳感器和避障傳感器。

碰撞傳感器主要用來(lái)檢測(cè)避障傳感器檢測(cè)不到的障礙物，輔助避障傳感器一起更好完成避障檢測(cè)的功能。碰撞傳感器的種類(lèi)繁多，有機(jī)電結(jié)合式、電子式和水銀開(kāi)關(guān)式等。種類(lèi)不一樣，價(jià)格和性能也各有差異。都能達(dá)到檢測(cè)碰撞的目的?；诋a(chǎn)品的可靠性要求，我們選擇機(jī)電結(jié)合式的碰撞傳感器。

避障傳感器是避障機(jī)器人的眼睛，避障傳感器可以提前發(fā)現(xiàn)障礙物，并把障礙物的信息報(bào)告給控制器，以便避障機(jī)器人可以提前調(diào)整前進(jìn)方向，重新規(guī)劃路徑，迅速到達(dá)指定位置，高效完成上級(jí)指令。避障傳感器工作簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

圖4 避障傳感器工作簡(jiǎn)圖

避障傳感器采用激光雷達(dá)測(cè)距傳感器A0602產(chǎn)品參數(shù)如下：

量程：0.13m～8m(白墻)掃描頻率：6.2 Hz采樣率：4 k/s激光波長(zhǎng)：780 nm激光功率：3 mW(最大功率)

精度：<2%通訊接口：RS232(TTL)電壓：5 V功耗：1.5 W啟動(dòng)電流：600 mA重量：175g±2g

通訊方式為串行通信，波特率為115200bps( 8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn))。

A0602外觀如圖5所示。

圖5 避障傳感器

1.3 底盤(pán)

底盤(pán)是避障機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主體，是由電機(jī)、減速器、輪胎組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

避障機(jī)器人是一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人，最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由四個(gè)同樣大小的越野輪胎實(shí)現(xiàn)的，示意圖見(jiàn)圖6.

圖6 底盤(pán)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右四個(gè)輪子運(yùn)動(dòng)。其中一臺(tái)伺服電機(jī)控制左側(cè)兩個(gè)輪子，另一臺(tái)電機(jī)控制另一側(cè)兩個(gè)輪子。每一側(cè)的輪子通過(guò)高性能高精度的伺服驅(qū)動(dòng)裝置精確地控制兩側(cè)輪子行進(jìn)的速度。通過(guò)內(nèi)置的高精度GPS(用于提供分米級(jí)的相對(duì)定位)結(jié)合IMU實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置和速度檢測(cè)，實(shí)時(shí)修正輪子的打滑和地形等引起的位置和速度的誤差。

輪胎與路面滾動(dòng)摩擦系數(shù)(50km/h)：良好的瀝青或混凝土路面：0.010～0.018;一般的瀝青或混凝土路面：0.018～0.020;碎石路面：0.020～0.025;良好的卵石路面：0.025～0.030;坑洼的卵石路面：0.035～0.050;避障機(jī)器人重量：≤100 kg；;移動(dòng)速度：≥45 km/h(平坦路面)；實(shí)心輪胎直徑：10英寸

根據(jù)上述參數(shù)(假定減速器減速比為k，假定減速器傳動(dòng)效率為90%)：

綜合選擇(選取最大滾動(dòng)摩擦系數(shù))輪胎與路面間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05。

電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)和公式(2)

(1)

(2)

式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，v為速度，C為輪胎圓周長(zhǎng)，k為減速比，T為電機(jī)扭矩，m為對(duì)應(yīng)的機(jī)器人質(zhì)量，g為重力加速度，r為輪胎半徑，η為減速器傳動(dòng)效率。帶入相應(yīng)的數(shù)值，可得：

n=940k(rpm).

根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，并參考相關(guān)的電機(jī)手冊(cè),取k=5，帶入上式計(jì)算結(jié)果可得：

n≥4 700(rpm)

T(額定)≥0.691(Nm)

對(duì)照電機(jī)選型手冊(cè)，選擇的電機(jī)參數(shù)為：

額定電壓V：48 V

額定轉(zhuǎn)速n：4 960 rpm

額定轉(zhuǎn)矩T(最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩)：747 m/Nm

額定電流I：9.38 A

1.4 電池組

電池組為避障機(jī)器人提供動(dòng)力和能量，是避障機(jī)器人最重要的部分之一。安全高效的電池組才能保證避障機(jī)器人的正常運(yùn)行。

在整個(gè)避障機(jī)器人中耗電量最大的是電機(jī)，這個(gè)部件的耗電量會(huì)占到總的電能的80%以上。

在2 h的連續(xù)工作時(shí)間中，預(yù)估電機(jī)運(yùn)行時(shí)間1.5 h。

選擇48 V的電池組，那么電池組容量的計(jì)算公式見(jiàn)公式(3)。

Q=(2×I×t)×80%.

(3)

式中Q為電池組容量，I為電機(jī)的額定電流，t為電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。帶入相應(yīng)的數(shù)值得：

Q=35.17Ah .

綜上，應(yīng)當(dāng)選擇電量大于35.17Ah的48V電池組。

2 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)避障機(jī)器人各主要組成部件的器件選擇及其主要參數(shù)的分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了避障機(jī)器人主體的設(shè)計(jì)。該機(jī)器人可完成基本的避障功能，對(duì)避障類(lèi)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)具有較好的指導(dǎo)意義。