白巖松 竇英東 馬超 韓子軒 于通

【摘要】隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷迭代，以及智能化無人化的發(fā)展。社會(huì)有了新的需求，據(jù)資料顯示，安保從業(yè)人員不足需求量的80%，需求缺口不少于112萬人，需求即安保智能化，因此團(tuán)隊(duì)希望能夠?qū)崿F(xiàn)一種智能門衛(wèi)機(jī)器人。智能門衛(wèi)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、路線規(guī)劃、動(dòng)態(tài)決策、行為控制以及報(bào)警裝置于一體的多功能綜合系統(tǒng)。路線尋跡是其中重要的一個(gè)功能。本次簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)智能門衛(wèi)機(jī)器人的底部巡線功能塊，采用arduino單片機(jī)作為小車底盤的控制核心;采用六路電磁傳感器來檢測(cè)軌跡線，傳感器把信號(hào)反饋到單片機(jī)，使底部巡線功能塊按照內(nèi)部的程序跟蹤軌跡線完成預(yù)定功能。

【關(guān)鍵詞】智能門衛(wèi);路線循跡;電磁傳感器;灰度傳感器;arduino單片機(jī)

一、引言

智能化、無人化技術(shù)在時(shí)代發(fā)展中逐漸展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，并且隨著社會(huì)的發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛。本文主要設(shè)計(jì)了一種智能門衛(wèi)機(jī)器人的底部巡線功能塊，總結(jié)概括了出現(xiàn)并存在的主要問題以及解決方案;另外，對(duì)智能安保機(jī)器人底部巡線功能塊的基本結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行了闡述。

二、整體設(shè)計(jì)

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)底盤，使其具有負(fù)重、移動(dòng)（包括前行，轉(zhuǎn)彎，修正，掉頭等組合運(yùn)動(dòng)）以及良好的穩(wěn)定性。在實(shí)驗(yàn)室中團(tuán)隊(duì)對(duì)要設(shè)計(jì)的智能門衛(wèi)機(jī)器人進(jìn)行了模型搭建，對(duì)其比例團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了2：1的縮小。首先是負(fù)重，在材料上可移動(dòng)底盤總體使用鋁合金材料，使其在保證足夠強(qiáng)度的條件下，還能保證整體的重量不會(huì)偏高，提高底盤的負(fù)載能力和靈活性。其次是保證整體的移動(dòng)，可移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立輪作為前驅(qū)，由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，保證底盤可以進(jìn)行正常的直行及轉(zhuǎn)彎，在后面由一個(gè)萬向輪保證其移動(dòng)穩(wěn)定。最后是穩(wěn)定性，由于智能門衛(wèi)機(jī)器人的設(shè)計(jì)環(huán)境是在室外對(duì)來往人員及車輛進(jìn)行登記，并且需要保持一定的高度，所以其底盤必須具有穩(wěn)固、不易傾倒的特點(diǎn)，因此團(tuán)隊(duì)將其設(shè)計(jì)成為圓形底盤，以保證其整體為一圓柱形，其作用可以極大的降低風(fēng)阻，以保證其在室外環(huán)境的正常運(yùn)行。

2.檢測(cè)傳感設(shè)計(jì)

可移動(dòng)底盤需要在充電點(diǎn)與檢測(cè)登記點(diǎn)之間自行往返，在充電點(diǎn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行充能，在檢測(cè)登記點(diǎn)對(duì)來往行人和車輛進(jìn)行登記。而其中最重要的就是檢測(cè)傳感模塊的正常運(yùn)行，這也是最容易受到干擾的模塊。檢測(cè)傳感模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)可移動(dòng)底盤的位置進(jìn)行檢測(cè)，使其保證循跡線之上。檢測(cè)傳感模塊分為兩部分，其中主要模塊為電磁傳感模塊，電磁傳感模塊又分為傳感器和引導(dǎo)電磁線，引導(dǎo)電磁線淺埋于地下，減少了對(duì)環(huán)境的依賴性，脫離了傳統(tǒng)光電傳感器對(duì)于光源的依賴。但是電磁傳感模塊也同樣存在缺點(diǎn)，出現(xiàn)問題時(shí)需要更長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)維護(hù)。所以作為備用模塊，檢測(cè)傳感模塊還采用了光電模塊對(duì)主要的電磁模塊存在的問題進(jìn)行彌補(bǔ)，而光電模塊同樣分為兩部分，光電傳感器和黑色引導(dǎo)線。備用模塊的好處是當(dāng)電磁模塊出現(xiàn)問題，或者是當(dāng)路線需要臨時(shí)改變時(shí)，可以快速部署。檢測(cè)傳感部分采用主模塊和備用模塊結(jié)合提高了系統(tǒng)整體的兼容性，對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境有了更好的適應(yīng)性。

3.動(dòng)力能源設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室模型中，動(dòng)力部分采用42步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用A4988驅(qū)動(dòng)對(duì)電壓調(diào)壓接入電機(jī)，通過電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制;能源部分采用兩大容量12V鋰電池為主要供電源，其能源補(bǔ)充部分采用無線充電模式，當(dāng)?shù)妆P移動(dòng)至充電點(diǎn)，通過重力開關(guān)使得充電裝置開啟，電源進(jìn)入充電模式。

4.主控程序設(shè)計(jì)

底盤主控程序通過檢測(cè)傳感部分傳回信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，由程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析處理然后負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控以實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤移動(dòng)的控制。底盤主控程序由底盤arduino單片機(jī)負(fù)責(zé)，但是底盤功能塊理論上可以受上位機(jī)指控。

上位機(jī)在充電點(diǎn)進(jìn)行對(duì)外界環(huán)境的監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到外人及未登記車輛進(jìn)入登記點(diǎn)，上位機(jī)發(fā)出檢測(cè)指令，底盤功能塊接收到檢測(cè)指令，執(zhí)行循跡指令，到達(dá)檢測(cè)登記點(diǎn)后停止，在檢測(cè)登記點(diǎn)由頂部觸控板完成登記后，由行人發(fā)布結(jié)束指令或者20秒內(nèi)無人操作后，由上位機(jī)發(fā)出結(jié)束指令，底部功能塊執(zhí)行掉頭及循跡回到充電點(diǎn)的指令，在充電點(diǎn)再一次掉頭直到下次接收到檢測(cè)指令。上位機(jī)還負(fù)責(zé)對(duì)障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到障礙物由上位機(jī)發(fā)出停止指令，高于底盤功能塊任何命令，直到障礙物消失，底部功能塊繼續(xù)執(zhí)行指令。

底盤功能塊程序需要設(shè)計(jì)從充電點(diǎn)出發(fā)至檢測(cè)登記點(diǎn)的啟動(dòng)，到檢測(cè)登記點(diǎn)之前的正常循跡，到達(dá)檢測(cè)登記點(diǎn)的停止，完成檢測(cè)后的掉頭，回到充電點(diǎn)的循跡，到達(dá)充電點(diǎn)的掉頭停止，直到下次需要檢測(cè)指令的發(fā)出。故主要設(shè)計(jì)循跡程序，然后和其它指令的循環(huán)嵌套，首先是障礙物停止指令，在所有程序之上，其次是啟動(dòng)及完成，最后是循跡。循跡程序采用卡位方案，當(dāng)左側(cè)三路傳感器檢測(cè)到數(shù)值超過預(yù)定正確區(qū)間證明需要整體向右轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)程序控制電機(jī)原地轉(zhuǎn)向直至測(cè)量值進(jìn)入合理區(qū)間，右側(cè)同理，不斷完成對(duì)底盤的位置矯正。其它程序需要對(duì)主控核心發(fā)出的指令接入串口，底部對(duì)串口接受的命令進(jìn)行識(shí)別，完成底部功能塊所有程序設(shè)計(jì)。

三、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種智能門衛(wèi)機(jī)器人的底盤，經(jīng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了充電點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)之間的自動(dòng)循跡與避障等功能，有助于安保管理員提高工作效率，同時(shí)本文設(shè)計(jì)思路為智能門衛(wèi)機(jī)器人的底盤提供了一個(gè)可行性的選擇，具有一定的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曙光.移動(dòng)機(jī)器人原理與設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2016.

[2]黃海明，楊雷，宋躍，賴思沉.智能保安巡邏機(jī)器人[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009（10）.

[3]薛金言，張斌，武瀚.智能校園巡邏安保機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2017（16）.

[4]吳俊杰，劉志毅，高昌洪，楊桂華.校園巡邏機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大眾科技，2019（04）.