創(chuàng)新型搜救機(jī)器人的設(shè)計與制作

梁雨鳳等

摘要：該文針對新型搜救機(jī)器人的緊湊型機(jī)械結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)介紹，采用迷宮算法優(yōu)化了機(jī)器人的搜救程序，并指出了搜救機(jī)器人在特殊場地中的應(yīng)對方法，改進(jìn)后的新型搜救機(jī)器人在搜救速度和搜救效率上有了大幅度提高。

關(guān)鍵詞：搜救機(jī)器人；迷宮算法

中圖分類號：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）22-0115-02

Abstract： This paper particularly describes the Compact mechanical structure based on the new search and rescue robot， adopts the maze algorithm to optimize the robot rescue program，and points out the response method of the search and rescue robot in the in a particular field.The improved new search and rescue robot has increased.

Key words： Search and rescue robot，Maze algorithm

1 引言

搜救機(jī)器人是移動機(jī)器人的重要分支，移動機(jī)器人的重要研究技術(shù)均可用在搜救機(jī)器人上面。移動機(jī)器人自60年代初問世以來，經(jīng)歷40多年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步，并正在制造業(yè)、裝配業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。創(chuàng)新型搜救機(jī)器人則是在普通搜救機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，通過對整個機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、程序算法等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得機(jī)器人在運(yùn)行速度、智能化程度等方面都有較大的優(yōu)勢，所以能夠在比賽中脫穎而出。

2 創(chuàng)新型搜救機(jī)器人的系統(tǒng)框架設(shè)計

3 系統(tǒng)控制方案

創(chuàng)新型搜救機(jī)器人的硬件控制系統(tǒng)如圖2所示。采用玻纖板雕刻而成的雙層結(jié)構(gòu)底盤來加強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電機(jī)、電池等“重量級”器件安裝在雙層玻纖板之間，芯片控制盒、驅(qū)動板則平行固定在上層板上，這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)既降低了整個機(jī)器人的重心，又使得機(jī)器人能夠在運(yùn)動中穩(wěn)定行進(jìn)。紅外測距傳感器有序的安裝在上層玻纖板周圍，灰度傳感器安裝在下層底板上，兩個火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄋ追Q“復(fù)眼”）以前后對稱的方式安裝在搜救機(jī)器人頂部。通過三種傳感器的聯(lián)合作用，讓機(jī)器人能夠智能的避開禁區(qū)和障礙，順利找到光源。

4 軟件設(shè)計

機(jī)器人搜救問題可以近似的看成迷宮求解問題，故機(jī)器人采用一種基于右手法則來實現(xiàn)向心搜索迷宮算法。算法中采用（X，Y，Z）的三維模型，其中X、Y表示坐標(biāo)，Z表示機(jī)器人在該坐標(biāo)時行進(jìn)的方向。根據(jù)右手法則，右轉(zhuǎn)的優(yōu)先級最高，當(dāng)前方不能通行，機(jī)器人可以同時向左或向右轉(zhuǎn)時，則統(tǒng)一選擇向右轉(zhuǎn)；若不能順利通行則進(jìn)入下一個優(yōu)先級判斷。

4.1算法實現(xiàn)

4.1.1避禁區(qū)算法

當(dāng)灰度傳感器檢測到禁區(qū)時，根據(jù)前方PSD是否檢測到障礙分為有障禁區(qū)和無障禁區(qū)兩種情況分析。

1）有障禁區(qū) 本算法主要采用右手法則來實現(xiàn)向心搜索，當(dāng)前方PSD檢測到障礙，如果機(jī)器人左右兩側(cè)都檢測到禁區(qū)時，機(jī)器人退出禁區(qū)后右轉(zhuǎn)一個較大角度，按新方向擺正后繼續(xù)前進(jìn)再檢測是否有障礙禁區(qū)；如果機(jī)器人左側(cè)灰度傳感器檢測到禁區(qū)時，機(jī)器人退出禁區(qū)后右轉(zhuǎn)，相反則左轉(zhuǎn)。

2）無障禁區(qū) 當(dāng)前方PSD未檢測到障礙，但左右兩側(cè)出現(xiàn)障礙時，讓機(jī)器人一直退到左右兩側(cè)PSD檢測不到障礙的位置，若此時有光，機(jī)器人向光的方向轉(zhuǎn)向、前行，若此時無光，向右側(cè)轉(zhuǎn)向、前行。若左右兩側(cè)沒有障礙，其處理方法與有障禁區(qū)相同。

4.1.2避障礙算法

避開障礙的算法與避開禁區(qū)的算法類似，但在實際情況中前方障礙物的位置是不定的，如果用避禁區(qū)的算法來避障礙雖然可行，但其得出來的路徑往往不是最短的，為了提高搜索的有效性，應(yīng)根據(jù)前方障礙物的位置對避障的方法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在此就障礙物可能出現(xiàn)的位置以及是否有光分別做以下幾點(diǎn)討論：

1）若障礙物僅出現(xiàn)在機(jī)器人的正前、左前或右前方時，算法與有障禁區(qū)相同。

2）機(jī)器人的左前方和正前方均有障礙物時，若無光該機(jī)器人會右轉(zhuǎn)繞開障礙物，若有光則向有光的方向轉(zhuǎn)向；右前方和正前方均有障礙物時，若無光機(jī)器人左轉(zhuǎn)繞過障礙物，若有光則向有光的方向轉(zhuǎn)向

3）機(jī)器人的正前方、左前方和右前方均有障礙物時，若無光，該機(jī)器人會后退一段距離再右轉(zhuǎn)，若有光，該機(jī)器人將會后退一段距離再向有光的方向轉(zhuǎn)向[3]。

4.1.3趨光算法

由復(fù)眼中紅外接收管的分布特點(diǎn)可知，當(dāng)前方復(fù)眼最中央的一對紅外接收管接收到的光值為最大時，可以認(rèn)為此時機(jī)器人正對著光源方向。要實現(xiàn)趨光，只需在行進(jìn)過程中不斷讀取14個端口的光值，確定光值最大值以及最大值所對應(yīng)的端口，然后依此調(diào)整擺正機(jī)器人的運(yùn)動方向，最終使機(jī)器人正對著光源行駛。

4.2主程序流程

任意時刻復(fù)眼接收到的光值的最大值為EM，光源滅時環(huán)境光值為L1，光源亮?xí)r，離光源較遠(yuǎn)時的光值參數(shù)設(shè)為L2，當(dāng)檢測到的光值大于L2時機(jī)器人調(diào)用有光走的函數(shù)；離光源近時的光值參數(shù)設(shè)為L3，當(dāng)檢測到的光值大于L3時，光源亮則減速前進(jìn)，光源滅則停止前進(jìn)，防止撞上目標(biāo)；當(dāng)距目標(biāo)2.5cm處的光值參數(shù)設(shè)為L4，當(dāng)檢測到的光值大于L4時，機(jī)器人找到目標(biāo)，停止運(yùn)動并報警。主程序流程圖如圖3所示。

4.3算法優(yōu)化以及智能化程度測試

通過對未知場地的適應(yīng)性來測試機(jī)器人的智能化程度是一項極為重要的性能指標(biāo)。在復(fù)雜多變的場地中，有些特殊區(qū)域是搜救機(jī)器人在普適的情況下不能逾越的，這種特殊區(qū)域俗稱為“死區(qū)”，機(jī)器人進(jìn)入“死區(qū)”后便不斷做重復(fù)運(yùn)動。

若機(jī)器人的右前方灰度傳感器檢測到右側(cè)有禁區(qū)，與此同時機(jī)器人的左前方擺設(shè)了障礙。假設(shè)此時無信號燈，機(jī)器人首先會向左偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)過后障礙進(jìn)入了左上 PSD的檢測范圍，機(jī)器人將向右偏轉(zhuǎn)。執(zhí)行完這些操作后機(jī)器人會前進(jìn)一段距離，等待1.2s后光源亮，機(jī)器人趨光運(yùn)動，機(jī)器人的右側(cè)灰度再次進(jìn)入禁區(qū)，如果機(jī)器人的搜索策略不進(jìn)行調(diào)整，這個過程會不斷循環(huán)，這就是“死區(qū)”。在“死區(qū)”中不僅耗費(fèi)時間，而且很容易碰大障礙，解決這類死區(qū)問題有兩種方法：

方法一：讀出小車在死區(qū)內(nèi)各傳感器的參數(shù)，然后利用這些參數(shù)編寫程序，使得這種特殊情況能夠被識別，然后再調(diào)用特殊函數(shù)處理這類情況。

方法二：引入一個參數(shù)，以編碼的形式自動記錄上一個狀態(tài)，經(jīng)與現(xiàn)在的狀態(tài)綜合處理后，得出下一時刻的操作。

算法的多面性是機(jī)器人行進(jìn)時靈活性、準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)，多重判斷和特殊情況處理的雙重結(jié)合讓創(chuàng)新型機(jī)器人在不同的場地中能夠迅速找到光源。通過對多種場地的適應(yīng)性測試，逐漸改進(jìn)創(chuàng)新性搜救機(jī)器人對各種地形的適應(yīng)性，從而提高機(jī)器人的智能化程度。

5 機(jī)器人的調(diào)試與優(yōu)化

創(chuàng)新型搜救機(jī)器人的調(diào)試是將程序通過USB數(shù)據(jù)線下載到AS-MF10控制器中，然后在場地試行，從而反映出存在的缺陷，再通過修改程序及參數(shù)逐步讓機(jī)器人能夠在短時間內(nèi)找到光源。參數(shù)設(shè)置的不合理時，前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)角度數(shù)值波動大時搜救機(jī)器人在行進(jìn)的過程中會產(chǎn)生較大的振動，經(jīng)過多次的參數(shù)設(shè)置與實際測試才能夠獲得一組最佳的參數(shù)。在比賽中，創(chuàng)新型搜救機(jī)器人的行走速度快、搜救時間短，以下是比賽前三名的搜救成績，如表1所示（A隊代表創(chuàng)新型搜救機(jī)器人隊，B、C隊代表傳統(tǒng)搜救機(jī)器人隊）。

在調(diào)試的過程中也反映出搜救機(jī)器人的一些不足。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，整體構(gòu)造偏大，不易通過較窄的通道，在較窄通道內(nèi)轉(zhuǎn)彎不靈活，若長方形的底盤改為圓形底盤會有更佳的效果，但是也將會降低整個機(jī)器人的穩(wěn)定性，降低行走速度。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的創(chuàng)新型搜救機(jī)器人是在傳統(tǒng)比賽用搜救機(jī)器人的基礎(chǔ)上對機(jī)械結(jié)構(gòu)、程序算法加以改進(jìn)，引入迷宮算法大大縮短了搜救時間。通過對整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊化以及特殊場地中的智能化，讓搜救機(jī)器人在比賽、演示等場合都能取得良好的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝愛珍. 搜救機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)完善與改進(jìn)[D]. 山東：山東大學(xué)，2011.

[2]上海未來伙伴機(jī)器人有限公司.未來伙伴杯公司AS-MF 10控制器使用手冊[z].

[3] 帥晨，余晶，胡慧. 比賽用搜救機(jī)器人的設(shè)計[J]. 科技廣場，2013（10）：247-248.