一種共協(xié)式超聲波消毒定位機器人的控制研究

譚子怡，李超逸，佟金宇，薄佩玉，倪笑宇

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

0 引言

消毒機器人作為機器人的一種，主要應(yīng)用于廚房的餐具消毒、醫(yī)院科室紫外線消毒、集裝箱等長期密閉空間消毒等大范圍繁重的工作中，極大減輕了人工的工作量［1］。本文主要研究一種共協(xié)式超聲波消毒定位機器人。機器人使用超聲波傳感器可以自動避障和規(guī)劃路線。機器人使用單片機和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能運輸、自動消毒和控制消毒的功能。

1 控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

依據(jù)共協(xié)式超聲波消毒定位機器人的系統(tǒng)需實現(xiàn)的具體功能，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

對于公共場所的無接觸式噴灑消毒，設(shè)計者需要考慮到避障和完整的區(qū)域規(guī)劃，防止撞擊到移動物以及防止被踩踏。對于消毒區(qū)域的規(guī)劃，設(shè)計者需要考慮噴灑區(qū)域不可重復(fù)，以避免浪費以及遺漏消毒的范圍。系統(tǒng)設(shè)計使用紅外線傳感器、超聲波傳感器等組成循跡和避障模塊［2］。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要有工控機、Android移動客戶端和機器的下層控制單元等。工控機和主控制器組成云端交互系統(tǒng)，實現(xiàn)將機器采集的數(shù)據(jù)在更大的運行處理器上運行處理，降低機器搭載的處理器的工作負荷；實現(xiàn)無人操縱時的自動管理控制機器運行；實現(xiàn)將Android移動客戶端的人工遠程控制進行解析并發(fā)送給機器，以及將機器的實時狀態(tài)反饋給Android移動客戶端。Android移動客戶端使用自帶Spinner，TextView和toolbar等控件實現(xiàn)一些簡易的人機交互、輸入一些可實現(xiàn)的人為控制命令?？刂破髂K和無線傳輸模塊組成的機器下層控制單元，實現(xiàn)將被控單元所采集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換并傳輸給云端上層交互系統(tǒng)進行處理；實現(xiàn)接受和處理云端上層交互系統(tǒng)所發(fā)來指令并發(fā)送給相應(yīng)的被控單元［3］。

1.2 被控單位

控制器模塊選擇MCS-51單片機和3塊繼電器，模塊的系統(tǒng)性能可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求。驅(qū)動模塊由PWM調(diào)速、4個減速馬達和L293D芯片組成。電機采用634JSX31ZY蝸桿減速電機。尋跡模組包含一組紅外發(fā)射接收管、LM324尋跡模塊、滑動變阻器。無線傳輸模塊采用型號為E16-01-00的GPRS模塊，并使用HTTP通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。消毒噴灑模塊由水箱、水泵、管道和噴嘴組成。

1.3 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)作業(yè)流程如圖2所示，云端系統(tǒng)根據(jù)錄入的需要消毒的場所的平面結(jié)構(gòu)等，來規(guī)劃消毒機器人預(yù)定的行進路線，然后將指令下達給消毒機器人，消毒機器人開始作業(yè)；在作業(yè)過程中，消毒機器人將遇到的循跡和避障過程交由云端控制器處理并做出正確行動；消毒機器人依據(jù)實際情況將作業(yè)過程和結(jié)果儲存并傳輸在云端，包括是否遇到死角等；系統(tǒng)檢驗報告單是否已儲存且可以正常調(diào)取后，消毒機器人開始清洗管路，防止設(shè)備被腐蝕。在完整工作過程中，Android端用戶可以檢測運行狀態(tài)以及下達新的需求給云端處理器，云端會重新規(guī)劃用戶要求路線，之后發(fā)送指令給消毒機器人，來完成新的需求。

圖2 系統(tǒng)工作流程

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

控制系統(tǒng)采取主從結(jié)構(gòu)設(shè)計，上下位機之間采用RS232串口連接，TCP協(xié)議通信，實現(xiàn)GPRS公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸。安裝有GPRS的工控機為云端主控制器，負責(zé)人機交互，接收人工操作命令，并與下位機和安卓端實時通信；Android端則使用基于TCP協(xié)議傳輸層的HTTP協(xié)議；基于MCS-51單片機的主控制器為下位機，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行。同時，采用在工控機掛載模擬量采集模塊的方式，彌補主控制器端口不夠的缺點。系統(tǒng)工作時上位機按照設(shè)定的時間間隔查詢下位機狀態(tài)，人機交互操作命令則實時發(fā)送至下位機。

3 硬件控制

在系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)上，上機位使用嵌入式工控機，該機型可以錄入Win10系統(tǒng)以兼容MCGS通用版工控組態(tài)軟件，可大限度提升產(chǎn)品設(shè)計效率。

下機位主要包括控制模塊和驅(qū)動模塊。控制模塊主要選擇MCS-51系列單片機80C52。雖然該芯片系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，但是板卡驅(qū)動力不足。故而，該設(shè)計增加了單獨了驅(qū)動電路板。

紅外傳感器和超聲波傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳入單片機，單片機將數(shù)據(jù)傳至型號為E16-01-00的GPRS模塊，并采用HTTP通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至云端進行解析。

4 程序控制

4.1 主程序設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要在單片機開發(fā)板、云端工控機上進行編程。實現(xiàn)功能主要為，云端依據(jù)消毒區(qū)域的地形規(guī)劃路線，機器人在行進過程中依靠超聲波傳感器檢測是否遇到路障，循跡模塊則需要實時檢測機器人行進路線是否與最新規(guī)劃路線相符并及時做出調(diào)整，驅(qū)動模塊需要依據(jù)指令做到轉(zhuǎn)向、前進、后退和停止。

4.2 自動控制模式

在較為空曠且無人的場所，為了減少數(shù)據(jù)傳輸和解析時間成本，機器人可以在接收云端的路線規(guī)劃后，中斷與上機位云端之間的數(shù)據(jù)交互而獨立完成消毒作業(yè)。機器人只需要單片機完成初步線路接受、循跡模塊的循跡與及時調(diào)整、驅(qū)動模塊正確移動的糾偏以及消毒模塊正常消殺工作。

5 結(jié)語

本文可以實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)交互和機器人的避障循跡功能以及多機器分別操控的功能。筆者提出了利用云端解析運算大部分數(shù)據(jù)，利用云端所處的強運算能力和散熱來降低機器人制造中的控制器成本。移動Android客戶端不與機器人直接進行數(shù)據(jù)交互，而是先通過云端使用HTTP協(xié)議的傳送方式，可以提高Android用戶的數(shù)據(jù)安全性且降低了數(shù)據(jù)傳輸成本。