無(wú)軌巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

文/劉科明 辛炤龍 趙成龍 譚秋月 郝楚堂 姚進(jìn)玲 莫燦苗

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)新興事物的探索研究越來(lái)越深入，智能巡檢機(jī)器人是近年來(lái)新興的一種智能巡檢工具。與人工巡檢相比較，它可以創(chuàng)建全方位的盲點(diǎn)監(jiān)控，全天準(zhǔn)確無(wú)休息地巡查檢測(cè)，在緊急情況下可以及時(shí)地處理報(bào)警，預(yù)防災(zāi)難發(fā)生，甚至可以通過(guò)溫度傳感器預(yù)測(cè)火災(zāi)或爆炸的發(fā)生。無(wú)軌巡檢機(jī)器人適用于多種場(chǎng)景，無(wú)論是高壓變電站、煤礦廠區(qū)等都可以有效監(jiān)控，做到及時(shí)避免意外的發(fā)生。

1.巡檢機(jī)器人功能

（1）自主巡檢。智能自動(dòng)巡檢及導(dǎo)航智能機(jī)器人還將通過(guò)搭載的包括紅外激光雷達(dá)、毫米波紅外跟蹤雷達(dá)、超聲波紅外檢測(cè)雷達(dá)、組合型衛(wèi)星空間慣導(dǎo)儀系統(tǒng)（GPS）及接收機(jī)模塊等功能模塊，結(jié)合機(jī)器人的深度感知智能深度學(xué)習(xí)智能算法模塊的設(shè)計(jì)理念和智能機(jī)器人的多尺度智能傳感器數(shù)據(jù)技術(shù)有機(jī)融合，讓這些智能機(jī)器人可以做到在任何一特定的環(huán)境狀況相互作用下都能完全獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)其自主的路徑規(guī)劃、自主的定位及導(dǎo)航、自動(dòng)的巡檢。（2）室內(nèi)室外復(fù)雜環(huán)境精準(zhǔn)定位。綜合運(yùn)用超寬帶無(wú)線基站自動(dòng)組網(wǎng)定位儀模塊、激光接收器雷達(dá)陣列系統(tǒng)、慣性組件系統(tǒng)以及輪速計(jì)模塊等多信號(hào)源的傳感器系統(tǒng)，通過(guò)深度數(shù)據(jù)交叉融合集成的新方式可進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度的SLAM 圖像解算，解決各種室內(nèi)外等復(fù)雜信號(hào)環(huán)境作用下出現(xiàn)的高精度主動(dòng)定位問(wèn)題。（3）全域障礙物避障。激光雷達(dá)陣列可同時(shí)與環(huán)向式的超聲波傳感器陣列及云臺(tái)相機(jī)陣列等器件共同組合，運(yùn)用起來(lái)作為對(duì)自動(dòng)點(diǎn)位障礙物區(qū)的主動(dòng)檢測(cè)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡檢機(jī)器人的當(dāng)前位置智能識(shí)別，讓自動(dòng)巡檢的機(jī)器人真正實(shí)現(xiàn)其在進(jìn)行自主巡檢作業(yè)的整個(gè)過(guò)程，具備對(duì)靜態(tài)點(diǎn)位障礙區(qū)障礙物的智能識(shí)別避障等，變得更加靈活方便安全穩(wěn)定且控制精準(zhǔn)和高效。（4）超前的軌跡預(yù)測(cè)能力。DA-M 100A不具備但又具有的避障識(shí)別能力及對(duì)目標(biāo)深度的感知跟蹤能力（立體感知）如臺(tái)階障礙物探測(cè)、高度障礙物，同時(shí)系統(tǒng)還能快速對(duì)目標(biāo)周圍環(huán)境內(nèi)隱藏的各種障礙物信息進(jìn)行跟蹤檢測(cè)分析和動(dòng)態(tài)跟蹤，同時(shí)還預(yù)測(cè)目標(biāo)障礙物在未來(lái)的一段時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生的主要運(yùn)動(dòng)、位置信息，如行進(jìn)方向、速度分布及運(yùn)動(dòng)的軌跡等。（5）手勢(shì)指揮的人機(jī)交互體驗(yàn)。綜合利用雙光相機(jī)采集圖像并智能處理及分析圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器人自建強(qiáng)大的圖像手勢(shì)語(yǔ)音識(shí)別和數(shù)據(jù)庫(kù)，與機(jī)器人之間實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的語(yǔ)音手勢(shì)語(yǔ)音交流或互動(dòng)方式來(lái)直接對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)作控制。（6）全區(qū)域通信覆蓋。合理有效布置巡檢通信，實(shí)現(xiàn)了巡檢通信區(qū)域的通信全區(qū)域覆蓋，保證了巡檢傳輸信息的實(shí)時(shí)有效性。

2.設(shè)計(jì)方案

根據(jù)機(jī)器人實(shí)際使用中的各種限制與需求，設(shè)計(jì)智能機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人底盤使用由雙面覆銅硬化板，以防止因底盤質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的形變、斷裂、短路等問(wèn)題；在電機(jī)方面選擇使用TT馬達(dá)，該馬達(dá)可防止由于電機(jī)突然啟動(dòng)引起火花干擾，導(dǎo)致信號(hào)錯(cuò)誤觸發(fā)的情況，并可有效減小噪音；輪胎方面則使用了不易變形、表面平整的航模水平防滑橡膠輪胎，能夠讓機(jī)器人更穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，減少在行走和制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的打滑現(xiàn)象。此外，專門用馬達(dá)鎖在底盤上固定馬達(dá)，車輪也是用軸連接馬達(dá)的。包括電池模塊、視頻監(jiān)控模塊等，其余硬件部分都固定在智能機(jī)器人的機(jī)箱上。

3.工作原理

為了保證智能機(jī)器人始終嚴(yán)格按照軌跡正常運(yùn)行，盡量避免外界光線環(huán)境對(duì)智能機(jī)器人行駛的干擾，在智能機(jī)器人車輛的左底盤上放置好了道路信號(hào)檢測(cè)模塊電路板，智能機(jī)器人車的左右側(cè)端上放置好了紅外傳感器和循跡監(jiān)測(cè)模塊，智能機(jī)器人車輛的最左側(cè)端上放置好了超聲波避障模塊，智能機(jī)器人車輛的最上面端放置好了單片機(jī)控制板，以有效保持智能機(jī)器人的平衡。采用紅外光作為偵測(cè)光源，從而避免在光線不足的環(huán)境下工作時(shí)對(duì)機(jī)器人偵測(cè)的干擾與影響。

4.機(jī)器人硬件

機(jī)器人的主模板芯片為以STM 32F103系列單片機(jī)為主模板控制器，由一個(gè)32位的ARM 微控制器，該系列芯片是由德國(guó)意法半導(dǎo)體（ST），其核心是架構(gòu)M 3。

5.軟件部分

超聲波傳感器模塊選擇的使用了HC-SR04超聲波模塊，該傳感器模塊是可實(shí)時(shí)將被檢測(cè)信號(hào)到傳感器的位置信息直接傳輸?shù)街骺刂破?，?lái)進(jìn)行超聲波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在主控制器模塊內(nèi)可通過(guò)檢測(cè)高低電平信號(hào)來(lái)進(jìn)行超聲波智能檢測(cè)判斷。使用PWM 脈沖進(jìn)行信號(hào)輸出，直流電動(dòng)機(jī)的功率控制方式是要通過(guò)改變輸入PWM 波信號(hào)的頻率占空比值來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。在驅(qū)動(dòng)該機(jī)器人運(yùn)行的單片機(jī)主控制器單元內(nèi)至少具有兩個(gè)16位的定時(shí)器，并且對(duì)于每個(gè)定時(shí)器至少有多達(dá)4個(gè)輸出信道，每個(gè)輸入信道還會(huì)各自產(chǎn)生可控制左右兩側(cè)馬達(dá)速度方向的兩個(gè)PWM 輸出。TC89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)中內(nèi)置的定時(shí)器的輸入信號(hào)捕獲處理功能是用以產(chǎn)生處理速度的脈沖信號(hào)，可自動(dòng)計(jì)算和得到驅(qū)動(dòng)機(jī)器人車輛的平均行駛的速度。技術(shù)參數(shù)在智能機(jī)器人本體內(nèi)還預(yù)留設(shè)計(jì)處預(yù)留了一個(gè)串口通信的接口，可方便通過(guò)主控制器內(nèi)部的一個(gè)串行數(shù)據(jù)通信的接口來(lái)與機(jī)器人其余所有設(shè)備接口進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的傳輸轉(zhuǎn)換與串行通信。

6.模塊設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本次采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該芯片具有高壓、大電流的特點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可直接使用STM 32單片機(jī)控制器內(nèi)的PWM 驅(qū)動(dòng)功能，將其插入STM 32主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和PWM 的速度調(diào)節(jié)。首先，將定時(shí)器和與之對(duì)應(yīng)的IO口啟用；然后，初始化定時(shí)器，并設(shè)置向上計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)模式；最后，該驅(qū)動(dòng)芯片可使用定時(shí)器并通過(guò)更改比較值CCRX實(shí)現(xiàn)不同占空比。（2）紅外避障模塊。在紅外避障模塊，本次選擇HJ-IR2紅外傳感器。該傳感器可以減小光線對(duì)檢測(cè)情況的影響，在機(jī)器人內(nèi)起到電子開(kāi)關(guān)作用。在檢測(cè)到障礙時(shí)輸出低電平，無(wú)障礙時(shí)輸出高電平，該傳感器由發(fā)射管和接收管構(gòu)成。其紅外工作原理為運(yùn)用物體表面對(duì)紅外光線固有的反射吸收性質(zhì)，當(dāng)前方若無(wú)障礙物時(shí)，由紅外線發(fā)射管接收發(fā)出來(lái)的正紅外激光將射向前方，不會(huì)直接發(fā)生紅外反射，接收管一般不需工作；當(dāng)前方在規(guī)定波長(zhǎng)范圍內(nèi)如出現(xiàn)有障礙物，發(fā)射管上發(fā)出去的正紅外光也會(huì)直接經(jīng)此障礙物而反射信號(hào)至接收管。接收管也收到正紅外光線的反射信號(hào)，經(jīng)由比較器處理后，輸出低電平信號(hào)至單片機(jī)，并由單片機(jī)主控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。（3）控制終端模塊。該智能機(jī)器人支持PC端與Android端進(jìn)行控制，可通過(guò)控制終端模塊對(duì)智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制。（4）無(wú)線視頻監(jiān)控模塊。在無(wú)線視頻監(jiān)控模塊采用USB接口攝像頭，該攝像頭擁有高清畫(huà)質(zhì)，滿足機(jī)器人對(duì)外界狀況進(jìn)行捕捉和檢測(cè)的需求。視頻數(shù)據(jù)則可同時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸信號(hào)直接傳輸至接口的界面中顯示，以最終達(dá)到視頻實(shí)時(shí)在線監(jiān)控管理的效果。（5）溫度傳感器模塊。在該智能機(jī)器人的溫度傳感器部分，選用陶瓷制熱敏電阻。該電阻具有靈敏性高、響應(yīng)時(shí)間短、使用成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因其特性，所以該熱敏電阻在溫度不變時(shí)，會(huì)處于不動(dòng)作狀態(tài)；而當(dāng)溫度上升時(shí)，阻值會(huì)急劇減小，使得電路內(nèi)電流急劇增大，從而獲得溫度變化數(shù)據(jù)。

7.無(wú)軌巡檢機(jī)器人功能特點(diǎn)

（1）對(duì)于行進(jìn)路線的智能規(guī)劃能力：包括智能避障功能、規(guī)劃最優(yōu)路徑能力、定位功能、預(yù)警功能等。（2）24小時(shí)不間斷巡檢：該智能機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)在線，幫助減輕值守人員工作繁忙的難題，并可實(shí)現(xiàn)低電量自主回充，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化值守。（3）AI智能圖形分析：通過(guò)高清攝像頭對(duì)人臉、車輛、表盤等進(jìn)行圖像處理，自動(dòng)綜合研判，保證巡檢路段安全。（4）危險(xiǎn)預(yù)警：通過(guò)高清USB接口攝像頭進(jìn)行全景監(jiān)控，對(duì)危險(xiǎn)、可疑處進(jìn)行識(shí)別和預(yù)警，遇到險(xiǎn)情可及時(shí)向后臺(tái)報(bào)警，實(shí)時(shí)傳達(dá)數(shù)據(jù)，使得安全問(wèn)題可防可控。（5）終端協(xié)同能力：監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及視頻實(shí)時(shí)回傳終端，實(shí)現(xiàn)決策與行動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行。（6）定制設(shè)計(jì)：允許在機(jī)器人上加裝各種設(shè)備，以適應(yīng)不同場(chǎng)景需求。系統(tǒng)框架可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，對(duì)不同行業(yè)的需求可進(jìn)行定制化滿足。傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人采用大量預(yù)設(shè)坐標(biāo)來(lái)定位，耗費(fèi)大量的人員來(lái)維護(hù)，才能使機(jī)器人穩(wěn)定工作。無(wú)軌巡檢機(jī)器人采用視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，在系統(tǒng)中采用模糊識(shí)別的算法來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，在工作過(guò)程中，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備，自動(dòng)定位檢測(cè)，提高工作效率。

8.結(jié)語(yǔ)

關(guān)于智能巡檢機(jī)器人只有不斷地深入研究，才能探索更多的功能需求，使巡檢機(jī)器人更加智能化，應(yīng)用到人們的生活，提高大家的生活質(zhì)量。