金泓旭，李紅雙

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

0 引言

目前我國(guó)有70多個(gè)縣區(qū)受到泥石流的威脅，發(fā)生泥石流之后，對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活造成了極大影響。首要任務(wù)就是精確、高效地發(fā)現(xiàn)被大碎石阻斷的交通道路并盡快清理阻障為救援人員開(kāi)通路線。傳統(tǒng)的清障救援機(jī)器人需要人為設(shè)計(jì)前進(jìn)路線，在工作過(guò)程中需要人工干預(yù)。機(jī)器人本身存在定位精度低及實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致其救援效率低，救援進(jìn)展慢。目前由我國(guó)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的中國(guó)北斗一號(hào)衛(wèi)星高空導(dǎo)航系統(tǒng)具有定位功能、授時(shí)功能，短報(bào)文通信功能可全天候、全天時(shí)地提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息和短信息輸送服務(wù)[1]，此外還有很強(qiáng)大的自主判斷能力，具有處理速度快、準(zhǔn)確性高、覆蓋面積最廣、高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[2]，在軍事、救援等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代作用。

針對(duì)現(xiàn)階段清障救援機(jī)器人救援效率低、救援進(jìn)展慢的問(wèn)題，結(jié)合北斗系統(tǒng)特點(diǎn)，提出了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的智能救援清障機(jī)器人，通過(guò)北斗導(dǎo)航的精確定位和高效的視頻信息輸送效率，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新網(wǎng)聯(lián)地圖，利用CPU的運(yùn)算與模糊控制理論相結(jié)合去尋找去往目的地的最優(yōu)解，并將其規(guī)劃好的路線發(fā)送至救援人員的移動(dòng)端。通過(guò)自動(dòng)篩選系統(tǒng)，將信號(hào)傳給中央處理器，再由處理器發(fā)出清障指令來(lái)控制機(jī)械爪完成清障作業(yè)，提高救援效率。圖1所示為智能小車整體設(shè)計(jì)。

圖1 整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，北斗GPS定位系統(tǒng)在智能清障領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，由我國(guó)自主設(shè)計(jì)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已初步具備區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ?、授時(shí)的能力，其所具備的短報(bào)文通信系統(tǒng)通信實(shí)時(shí)性高、覆蓋范圍廣、傳輸安全可靠[3]，通過(guò)短報(bào)文通信裝置可以實(shí)現(xiàn)每次560比特的定位終端和北斗地面服務(wù)站雙向通信，以此可以減少裝入通信系統(tǒng)，提高中央處理器的運(yùn)算效率。

我們將基于STM32的高精度北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)模塊加裝入機(jī)身?？紤]到在受災(zāi)環(huán)境下工作，機(jī)體可能會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)定位不準(zhǔn)或者模糊定位的現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中在定位模塊旁加裝舵機(jī)，通過(guò)舵機(jī)推算進(jìn)行輔助定位。首先小車內(nèi)置定位發(fā)射模塊，同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)射出信號(hào)來(lái)測(cè)量小車與衛(wèi)星之間的距離，再由小車定位模組接收衛(wèi)星的感知信號(hào)。中央處理器將通過(guò)接收這兩段信號(hào)，來(lái)開(kāi)啟模糊定位，此時(shí)小車已獲得自身模糊位置。中央處理器再次調(diào)控定位模塊與舵機(jī)，讓發(fā)射器向第三顆衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，找到3個(gè)半徑交點(diǎn)的位置，確定小車的精確位置。中央處理器通過(guò)基于北斗短報(bào)文通信模塊，將交點(diǎn)的位置以經(jīng)緯度坐標(biāo)的形式通過(guò)服務(wù)器發(fā)送至遠(yuǎn)程控制單位及救援人員移動(dòng)端上，實(shí)時(shí)更新網(wǎng)聯(lián)地圖。圖2為定位系統(tǒng)工程流程圖。

圖2 定位系統(tǒng)工程流程

2 自動(dòng)篩選功能設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)系統(tǒng)概述

智能篩選（如圖3），主要是指能夠感知周圍環(huán)境并利用其對(duì)外界信息進(jìn)行處理，從而做出相應(yīng)動(dòng)作并且執(zhí)行特定作業(yè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工作。本功能采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為智能避障小車的自動(dòng)識(shí)別模塊，該技術(shù)是基于定位與機(jī)器人控制，具有高精度、低價(jià)格和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。其基本組成包括：外部傳感器——超聲波傳感器，篩選攝像頭，小車上安裝的障礙物角測(cè)量電路及其輔助探測(cè)元件。

圖3 篩選系統(tǒng)原理圖

2.2 自動(dòng)工作原理

中央處理器通過(guò)對(duì)周圍聲波信號(hào)中的矢量函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，來(lái)確定周圍任何障礙物的方向，以及判斷周圍區(qū)域是否還存在其他障礙物，使中央處理器發(fā)出相應(yīng)情況的指令，使小車實(shí)現(xiàn)正確篩選、避障等多種功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)在每臺(tái)小車的前方甲板上裝有超聲波傳感器。當(dāng)傳感器開(kāi)始進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)探測(cè)小車前面1 m左右范圍，若在這個(gè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，超聲波將會(huì)在障礙物表面發(fā)生反射，將會(huì)由接收端開(kāi)始接收反射聲波信號(hào)，再由中央處理器通過(guò)處理超聲波離開(kāi)和返回超聲波探頭的渡越[4]，來(lái)計(jì)算小車與障礙物之間距離，在線篩選攝像頭，物體捕捉攝像頭發(fā)出工作指令。

2.3 自動(dòng)工作方案

CPU先控制篩選攝像頭開(kāi)始運(yùn)作，篩選攝像頭將開(kāi)始拍攝并判斷前方物體是否定性為障礙物。確定為障礙物后，物體捕捉攝像頭將向中央處理器上傳圖像。中央處理器會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟抓取模式，通過(guò)圖像來(lái)判斷物體的大小并控制機(jī)械爪的開(kāi)合。再通過(guò)機(jī)械爪的定位模塊向處理器提供石塊具體位置，中央處理器將控制機(jī)械爪精準(zhǔn)抓取下面石塊，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)一次工作周期。

3遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)采用的是以單片機(jī)作為核心控制器件實(shí)現(xiàn)控制操作平臺(tái)系統(tǒng)的操控和管理功能及模塊化設(shè)計(jì)。當(dāng)中央處理器無(wú)法準(zhǔn)確作出判斷時(shí)，此時(shí)操作系統(tǒng)發(fā)出提示，并進(jìn)行人工操作將原自動(dòng)化操作系統(tǒng)變?yōu)榘胱詣?dòng)化，進(jìn)行人為遠(yuǎn)程操作來(lái)完成相關(guān)救援作業(yè)。

3.2 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)工作原理

當(dāng)開(kāi)始進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，控制端的顯示器上會(huì)顯示環(huán)境信息和機(jī)器人姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)用戶操作指令等功能[5]，小車先通過(guò)超聲波傳感器和篩選攝像頭這兩種傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)判斷現(xiàn)場(chǎng)情況。先通過(guò)超聲波傳感器來(lái)判斷前方存在物體，向中央處理器傳遞信息。處理器再控制篩選攝像頭，捕捉攝像頭開(kāi)啟，通過(guò)對(duì)物體視覺(jué)信號(hào)的分析，將前方物體的體積、輪廓等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制端，將前方障礙物圖像顯示在屏幕上，在圖像旁邊有顯示機(jī)械爪開(kāi)合度、升降高度等相關(guān)操作建議的小窗口。相關(guān)操作人員會(huì)通過(guò)控制操作指令來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪開(kāi)合、機(jī)械臂升降，完成相關(guān)作業(yè)，圖4為遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)原理圖。

圖4 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)原理圖

4 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

4.1 清障裝置設(shè)計(jì)

機(jī)械爪是機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，機(jī)器人手爪既是一個(gè)主動(dòng)感知工作環(huán)境信息的感知器，又是最后的執(zhí)行器，是一個(gè)高度集成的、具有多種感知功能和智能化的機(jī)電系統(tǒng)[6]，可以代替人類完成一些生產(chǎn)作業(yè)。智能機(jī)械爪具有以下特點(diǎn)：1）實(shí)用性強(qiáng)，一般用在軍事上和科研領(lǐng)域；2）可替代人畜做農(nóng)業(yè)搬運(yùn)工作或進(jìn)行搜救等任務(wù)。

4.1.1 機(jī)械爪工作原理

我們?cè)O(shè)計(jì)在機(jī)身前面板安裝兩個(gè)機(jī)械臂并在前端配備機(jī)械爪來(lái)實(shí)現(xiàn)清障功能，在進(jìn)行清障工作時(shí)，車身的超聲波傳感器可以快速確定前方障礙物的方位。通過(guò)中央處理器向主機(jī)發(fā)送清障信號(hào)，當(dāng)中央處理器將會(huì)控制第三電動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，控制雙軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行清障機(jī)器人的橫向移動(dòng)，待到達(dá)障礙物處時(shí)，物體捕捉攝像頭，鎖定障礙物相對(duì)于機(jī)器人的具體方位。中央處理器發(fā)送信號(hào)控制雙軸電動(dòng)機(jī)和第三電動(dòng)機(jī)對(duì)小車自身的方位進(jìn)行微調(diào)，直至機(jī)械爪對(duì)準(zhǔn)障礙物。

4.1.2 機(jī)械爪定位系統(tǒng)原理

機(jī)械爪在障礙物上方后，機(jī)械爪內(nèi)部的定位系統(tǒng)開(kāi)始工作。首先通過(guò)中央處理器按預(yù)定開(kāi)合程度指令控制機(jī)械爪。同時(shí)機(jī)械爪定位模組開(kāi)始工作，在機(jī)械爪中央安裝有抽動(dòng)桿，當(dāng)定位到石塊后抽動(dòng)桿抵住物體，此時(shí)抽動(dòng)桿開(kāi)始向內(nèi)抽動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的閉合，機(jī)械爪閉合抱緊物體。隨即篩選攝像頭開(kāi)始對(duì)障礙物進(jìn)行工作，發(fā)送圖像信號(hào)給中央處理器。處理器便開(kāi)始控制第二電動(dòng)機(jī)的輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)，將障礙物移動(dòng)至車體翻斗內(nèi)上方，機(jī)械爪松開(kāi)障礙物掉入翻斗中，圖5所示為機(jī)械爪結(jié)構(gòu)。

圖5 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)

4.2 減震底盤設(shè)計(jì)

4.2.1 減震裝置概述

減震裝置是機(jī)器人小車的一個(gè)重要組成部分，在智能清障小車中，避障和躲避時(shí)采用超聲波傳感器來(lái)進(jìn)行路面凹凸情況探測(cè)。當(dāng)前方有障礙物時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)到反射回來(lái)的信號(hào)并做出相應(yīng)反應(yīng)；同時(shí)單片機(jī)通過(guò)計(jì)算判斷出與障礙物之間距離后發(fā)出指令給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及轉(zhuǎn)向器上移機(jī)構(gòu)（即車輪轉(zhuǎn)動(dòng)），調(diào)節(jié)至正常工作所需達(dá)到的高度，進(jìn)而控制小車實(shí)現(xiàn)躲避障礙、循跡等動(dòng)作。圖6所示為底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖6 底盤結(jié)構(gòu)

4.2.2 減震工作裝置原理

由于本文研究的機(jī)器人要探測(cè)障礙物，必須在傳感器上安裝減震裝置。車身通過(guò)調(diào)節(jié)底座高度來(lái)進(jìn)行減震進(jìn)而穩(wěn)固機(jī)身，以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地勢(shì)的行駛?？烧{(diào)底座由車輪、調(diào)節(jié)杠、超聲波探測(cè)儀及減震底座構(gòu)成。底座前面板裝有一顆超聲波探測(cè)儀，超聲波探測(cè)儀時(shí)刻發(fā)射聲波信號(hào)，當(dāng)在其前方10 cm范圍內(nèi)有聲音信號(hào)被阻擋時(shí)，底座控制器先使車輛停止，開(kāi)始通過(guò)拉伸桿調(diào)節(jié)底座使底座升高，底座升高到前方10 cm無(wú)信號(hào)阻擋時(shí)，底座控制器開(kāi)始控制小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。在遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)，減震底座中加入的空氣減震彈簧將調(diào)節(jié)機(jī)身的穩(wěn)定性，使小車穩(wěn)定運(yùn)行。圖7所示為底盤工作原理流程圖。

圖7 底盤工作原理

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本文設(shè)計(jì)的清障救援機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，可以獲得如下結(jié)論：

1）基于北斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定位導(dǎo)航與北斗短報(bào)文通信功能，可以使得小車快速精確地將交點(diǎn)的位置通過(guò)服務(wù)器發(fā)送到遠(yuǎn)程控制端及救援人員移動(dòng)端，提高救援效率。

2）在篩選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采用兩種圖像傳感器共同工作，彌補(bǔ)了單一傳感器的不準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了高精度物體篩選，避免了在救援過(guò)程中出現(xiàn)判斷失誤，提高系統(tǒng)容錯(cuò)率，提高救援效率。

3）采用機(jī)械手爪設(shè)計(jì)，可以大幅度提高清障速度，節(jié)省救援時(shí)間。

4）考慮到小車行駛道路狀況不佳，采用了傳感器與機(jī)械裝置相配合設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)高度底盤，來(lái)時(shí)刻保持行駛過(guò)程中車身穩(wěn)定，使得傳感器元件可以正常工作。