旅游機器人的設計

西北民族大學　洪淼淼　蔡　寧

旅游機器人的設計

西北民族大學洪淼淼蔡寧

當前的中國經濟發展迅速，中國內地和中國與世界各地的物流系統都需要大量的人力和物理。如果實現自動運輸，貨物的自動裝載，可以極大的增加物流的速率和人力的釋放。當前世界各國包括中國在內的很多國家都在研究自動化運輸，讓運輸車自動把貨物從一處裝運到另一處，整個過程都不需要人為控制。該設計旅游機器人具有模擬自動行走找到對應運輸地點的特點。

機器人；運輸；自動化

1　機器人的設計任務及意義

設計的機器人是一個外形似一個人站在一輛小車上，并能夠實現沿著白線到達預先給定的網咖平臺，要求其盡量在規定的時間內到達盡可能多的旅游景點，拿到較多的分數，最后回到自己的“家”（旅游機器人所在的起始位置）。整個過程中不能出現較大的偏差，能夠平穩的爬坡巡線過減速板順利完成。

旅游機器人的設計實現了對自動化運輸的探索，整個過程要求對于沿線方式的探索，如何在速度和穩定間找到最佳路線，提高了機器人自動化控制的高要求，這些都是實際的自動化運輸過程中會遇到的問題，這整個模擬的過程中提高參與的學子對自動化控制的興趣，有利于學科的提高，增強學生解決實際問題的能力。

2　機器人的實現功能及組成部分

2.1總體功能

本次設計的機器人主要實現以下一些功能：能夠完成基本的尋白線的功能，按照綠地毯上的白線完成所有景點的游歷；在模擬網咖平臺上實現自動旋轉對應角度的功能；有較強的穩定性，能夠在有一定坡度的蹺蹺板和上平臺的坡度上穩定上行和下行；能夠判定景點，并且揮動模擬手臂示意；能夠自動識別門，并檢驗回“家”的門是否打開。

2.2組成部分

該旅游機器人由主控制器、電池、舵機、灰度傳感器、舵機傳感器、電機驅動等組成，以下是對這些部分作一些簡單的介紹：

（1）主控制器：使用高性能32位ARM12內核的主控制器，運算速度高達120MHZ。主控器擁有1M程序存儲空間，128k內存。擁有6路DO數字輸出和伺服電機輸出，有6路電機驅動信號輸出，還有22路模擬信號輸入端。

（2）供電電池：使用的是21V的5芯的鋰電池，重量輕，能量力比高，使用壽命長，并具有高功能承受力。

（3）舵機：使用數字金屬舵機，精確度更高。

（4）灰度傳感器：使用抗干擾8通道地面灰度傳感器，輸入電壓最大5V，RS485波特率937500bps。

（5）電機驅動：使用2/3通道電機驅動，電機電源輸入電壓12 至25V，輸出電流最大值：20A，PWM頻率1000至7500HZ，PWM占空比0%至100%。信號輸入電壓3.3至5V。

3　結構與外觀

所設計的旅游機器人在外觀和結構上也各有特色。其結構是使用黃色的環氧樹脂板制作整體車架，具有高強度、強韌性的特點，使用大功率的電機，并且使用的是單邊的驅動，即同一邊的電機是同一個驅動，一邊的電機同時并轉同時停。在前后輪子約一厘米處為八通道地面灰度檢測，根據地面的反光值的不一樣，判斷車體位置。并且在灰度的下方有兩條保護的弧形金屬帶，用于保護八通道灰度，在巡線、爬坡、過蹺蹺板時不會造成損害。主電池位于車體的正中心，保證車體的穩定性，轉彎時能夠實現以車體中心為支點的旋轉。車體的前方是四個紅外距離傳感器，用于檢測與景點的距離等。舵機電池位于車體的后方，與舵機位置對應，同樣保證重心位于中心。車體小人使用的三個12g的金屬舵機，模擬的手臂是使用鋁合金，強度較高，配合著金屬舵機，可以保證推動景點的觸動板時不會折斷，并且使觸碰開關打開。固定車體小人之間使用銅柱，四根銅柱連接金屬架子，金屬架子上固定舵機小人。使用激光距離傳感器為于舵機小人下方，時事在地面反應一個紅色激光小點，用于檢測白線進行轉彎。在主電池上方是主控板，方便燒錄軟件和使用各類測試與反饋。

該機器人還有一個整體看上去像一輛黃色小車，前面站立一個小人的外觀結構。如圖1，是該設計的整體實物圖。

圖1　旅游機器人實物圖

4　系統設計方案

4.1硬件系統

使用高性能32位ARM12內核的主控制器，控制大功率驅動，實現雙驅動輸出，車體前后有8通道的灰度傳感器，實時反饋給主控器地面灰度情況用于矯正驅動輸出。車體前方有四個距離傳感器，檢測到景點時向主控反饋1。主控輸出PWM波，控制手部和頭部的舵機運動，在沒有檢測到時為主控反饋0。激光距離傳感器，用于檢測白線，當旋轉了180度時，因為白色和綠色的反光度的不一樣激光距離傳感器可以檢測到上平臺時的白線，反饋給主控，然后停止旋轉，達到正確的位置。電池使用了兩塊電池，分別給主控驅動供電，還有舵機供電。

圖2　硬件系統圖

4.2軟件系統

（1）編程語言

使用VJC-MF編譯軟件。JC語言是用于能力風暴智能機器人的專用開發語言。 VJC-MF的編程語言實現了標準C語言的一個子集，它包括控制語句（for，while，if else）、局部變量和全局變量、數組、指針、16位和32位整數以及32位浮點數。

（2）系統特點

在VJC-MF中，不僅可以用直觀的流程圖編程，也可以使用JC語言編寫更高級的機器人程序。流程圖和JC語言雙劍合壁，既能領讀者輕松入門，又能夠讓使用者在編程中發揮大的創造力。VJCMF操作簡便，有活潑明快的圖案和簡短的文字說明。可以使用形象化的模塊， 由頂向下搭建流程圖，搭建流程圖的同時，動態生成無語法錯誤的JC代碼。流程圖搭建完畢，程序就已經編寫完成，可以立即下載到機器人中運行。已入門的讀者可以直接在JC代 碼編輯環境中編寫程序。VJC-MF 能夠使我們在豐富多彩的機器人世界里，邊玩邊學，愉快地掌握許多有用的科技知識。

5　結語

本文根據比賽的任務要求使旅游小車完成了所要求任務，并且具有很多優化設計。小車的前后使用了不一樣硬度的橡膠輪子，保證了車體旋轉時車體不會彈的厲害，同時又保證在過蹺蹺板時小車打滑減弱，并在下蹺蹺板時起到一定的減震效果。避免對車體的強烈沖擊；舵機采用了金屬舵機，在對景點碰撞時減輕了舵機燒掉的風險，節約了設計成本；使用激光距離傳感器，根據反光度的不一樣，可以在高角度遠距離來判定白線的外置，從而在平臺上轉彎是也能夠依靠白線判定旋轉的角度，使小車的行進路線更加精確；直接將車體小人使用銅柱固定，雖然有一定的質量，但是強度高，固定住舵機小人，避免行進時前后的晃動，使其幾乎與主體車架結合為一體，在轉彎和過蹺蹺板時晃動的程度減少很多。

但是本次設計的機器人中比以往設計做了一些改進的地方。舵機的電源改為獨立供用，減少對主控電源的消耗，采用穩壓模塊輸出5.5v為舵機供電，電池采用航模專用7.4V 850mah鋰電池，電池經久耐用；舵機小人使用模擬的金屬手臂，強度更加的高，且為半螺旋狀不易彎折，在使用的過程中配合金屬舵機方便的多，相對之前的較長較重的手臂更為靈活；主電池由尾部橫放改進為中間豎放，把主控的位置升高，放于主控下，進一步的把車體中心與重心重合利于轉彎和上蹺蹺板等。使機器人更加性能更加優化。旅游機器人的設計多我們在生活中可以得到廣泛的應用，使運輸行業變得更加節省時間，耗費人力少，達到自動化運輸目的，使生活變得更加便捷。

［1］郭天祥.新概念51單片機C語言程序［M］.北京：電子工程出版社，2009：98-103.

［2］謝自美編著.電子線路設計.實驗.測試［M］.武漢：華中科技大學出版社，2000.

［3］黃大志，薛飛，王磊等.旅游比賽用尋跡機器人的設計［J］.機械與電子，2012（12）.

注：本文受 國家自然科學基金資助（項目編號：61263002）。