基于四足履帶機(jī)器人的危險環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計

馬玉光 籍 芳 黃 輝 吳淑霞 李冠豪

（1. 五邑大學(xué)，廣東 江門 529000；2. 江門出入境檢驗檢疫局，廣東 江門 529000）

基于四足履帶機(jī)器人的危險環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計

馬玉光1籍 芳2黃 輝1吳淑霞1李冠豪1

（1. 五邑大學(xué)，廣東 江門 529000；2. 江門出入境檢驗檢疫局，廣東 江門 529000）

本文提供了一項由四足履帶機(jī)器人在危險環(huán)境下進(jìn)行有毒氣體、溫度檢測、樣品提取以及對危險設(shè)備的簡單操作的相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計采用HT32F1656系列微處理器作為核心處理器，配以遠(yuǎn)距離藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控機(jī)器人的目的，同時配以機(jī)械手臂來完成對故障設(shè)備上的按鈕的操控。檢測有毒氣體部分使用多種氣體傳感器，全方位檢測有毒氣體。檢測溫度部分使用紅外攝像頭，用于感受設(shè)備表面溫度；采集樣品試用機(jī)械手遙控完成；另外使用可見光攝像頭監(jiān)測實時路段；及時將溫度、氣體、路況圖像等信息傳回到上位機(jī)，通過上位機(jī)控制四足機(jī)器人對危險設(shè)備、危險環(huán)境做出處理。本設(shè)計綜合利用四足履帶機(jī)器人以履帶前行克服復(fù)雜路況的優(yōu)勢，第一時間檢測與處理危險環(huán)境現(xiàn)場，解決了人工檢測的安全性問題，大大地提高了工作效率。

微處理器；四足履帶機(jī)器人；擬形手臂；數(shù)字舵機(jī)；PID

在類似高壓變電站等強(qiáng)電場所或化工場所發(fā)生故障時人們需要判斷故障類型及故障具體區(qū)域，若以人力檢測的方式則風(fēng)險極大，倘若不進(jìn)行故障檢測則可能做出錯誤的維修檢測方案使故障無法有效接觸甚至擴(kuò)大危害范圍。本文敘述一種可在危險環(huán)境中代替人類進(jìn)行探測的四足形式的履帶機(jī)器人。采用無線控制，搭載可見光攝像頭和熱紅外攝像頭，用于觀察周邊環(huán)境及對應(yīng)溫度分布情況，以便快速判斷出故障區(qū)域；無線擬形機(jī)械臂控制機(jī)器人上的機(jī)械臂用于采集樣品及簡單操作設(shè)備（如操作電箱按鈕）。除此之外，機(jī)器人還帶有可燃?xì)怏w傳感器及溫度傳感器并通過無線通信將采集的可燃?xì)怏w濃度及溫度數(shù)據(jù)返回上位機(jī)進(jìn)行環(huán)境狀態(tài)判斷。四足履帶運動方式相對四輪探測車及傳統(tǒng)履帶探測車具有更為優(yōu)越的跨障能力，是完成探測任務(wù)的重要保障。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本裝置主要用于強(qiáng)電或其他危險環(huán)境下代替人類，通過對環(huán)境的溫度，可燃?xì)怏w的檢測及環(huán)境實時圖像及熱圖進(jìn)行環(huán)境的檢測，預(yù)判環(huán)境危險程度，為決策者做出決策提供可靠的環(huán)境依據(jù)，并可通過擬形機(jī)械臂對一些設(shè)備進(jìn)行簡單操作。下面對各個功能做簡要介紹

1.1 擬形手臂同步控制

圖1是擬形手臂實物圖，使用亞克力板根據(jù)機(jī)器人搭載的六自由度機(jī)械臂按比例1∶1制作。擬形機(jī)械臂使用電位器代替機(jī)械臂每個關(guān)節(jié)上的舵機(jī)。通過采集電位器的電壓模擬量計算出電位器旋轉(zhuǎn)的角度，將角度數(shù)據(jù)通過無線傳輸，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程同步控制四足履帶機(jī)器人的機(jī)械手臂。需要控制機(jī)械臂時，只需要人操作模型手臂，通過實時視頻就能遠(yuǎn)程進(jìn)行操控，與傳統(tǒng)的按鍵遙控控制比較更為靈活實用，可用于樣品采集帶回分析及簡單的按鍵操作（如高壓電箱上的按鈕操作）。

圖1 擬形手臂

1.2 周邊環(huán)境監(jiān)測及熱紅外成像對設(shè)備健康性的檢測

本裝置環(huán)境監(jiān)測主要使用：

1）NI120溫度傳感器獲取當(dāng)前環(huán)境溫度。

2）MQ系列氣體傳感器獲得可燃?xì)怏w濃度。

3）當(dāng)前實時監(jiān)控圖像和對應(yīng)熱紅外圖像。

機(jī)器人一旦開始工作便時刻進(jìn)行當(dāng)前所在環(huán)境的溫度以及可燃?xì)怏w濃度的檢測，并將環(huán)境溫度及可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)無線發(fā)送給PC上位機(jī)，上位機(jī)在檢測溫度超出安全溫度或可燃?xì)怏w濃度過高時進(jìn)行報警，獲取環(huán)境溫度及可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行初步判斷當(dāng)前環(huán)境的安全狀況。準(zhǔn)確檢測故障或危險區(qū)域可使用機(jī)器人搭載的熱紅外成像儀。

利用紅外熱成像儀檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，通過硬件電路和軟件算法轉(zhuǎn)換成可供人視覺分辨的圖像和圖形，并可以進(jìn)一步計算出溫度值從而得出物體表面的溫度分布狀況；通過對溫度分布數(shù)據(jù)，可以對設(shè)備的健康性進(jìn)行檢測，不僅能夠檢測出故障還可以排查存在的安全隱患，比如設(shè)備局部溫度過高，可能發(fā)生線路短路引起電流驟升等，通過攝像頭模塊可直觀的表現(xiàn)出當(dāng)前環(huán)境狀況及當(dāng)前環(huán)境是否存在溫度異常的區(qū)域（如高壓設(shè)備是否存在設(shè)備過熱或設(shè)備溫度異常的問題）。通過攝像頭模塊幫助工作人員預(yù)判環(huán)境狀況實施正確措施。

圖2 熱紅外成像圖

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)由PC端上位機(jī)，擬形機(jī)械臂及無線發(fā)射模塊向機(jī)器人發(fā)送動作指令或獲取檢測數(shù)據(jù)。機(jī)器人使用HT3F1656單片機(jī)作為主控芯片，實現(xiàn)獲取上位機(jī)控制數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機(jī)指令控制機(jī)械臂及機(jī)器人行動或檢測環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。機(jī)器人載有可見光攝像頭和熱紅外檢測攝像頭，通過2自由度云臺的運動控制進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。系統(tǒng)的整體模型框圖如圖3所示。

2.2 硬件架構(gòu)

本裝置硬件結(jié)構(gòu)由電源模塊、核心控制模塊、傳感器模塊、機(jī)械臂模塊、攝像頭模塊和遙控模塊六大部分組成。

圖3 系統(tǒng)的整體模型框圖

圖4 系統(tǒng)整體實物圖

機(jī)械臂模塊使用LD_2015數(shù)字舵機(jī)組成六自由度機(jī)械臂，操作者通過視頻監(jiān)控并采用無線擬形控制，攝像頭模塊由可見光攝像頭和熱紅外攝像頭組成，兩個攝像頭通過同一個云臺控制調(diào)整觀測區(qū)域。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1）電源模塊

機(jī)器人由7.4V和12V兩塊鋰電池提供電量。電源模塊將7.4V輸入電壓轉(zhuǎn)換成5V和3.3V輸出電壓用于主控芯片和電路的供電；將12V輸入電壓轉(zhuǎn)換成9V輸出電壓用于機(jī)械臂的舵機(jī)以及履帶底盤的直流電機(jī)的供電。將動力和控制模塊的供電分為兩塊獨立的電池，主要是為了避免行走阻力較大時引起電壓電流波動大對主控電路穩(wěn)定性造成影響。

2）核心控制模塊

本裝置核心控制模塊主要有兩部分：

（1）由HT32F1656單片機(jī)構(gòu)成的主控電路

主控電路主要任務(wù)為接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，根據(jù)指令操作氣體傳感器進(jìn)行采集環(huán)境氣體，檢測溫度，對PWM控制器進(jìn)行控制（既對底盤和機(jī)械臂以及云臺進(jìn)行控制），以及數(shù)據(jù)的上傳。

（2）由STM32F103單片機(jī)構(gòu)成的光耦隔離PWM控制模塊

光耦（英文縮寫OC），即為光電耦合器或光電隔離器。它是低電壓控制高電壓通斷的無觸點隔離器件。輸入端由控制信號控制紅外線發(fā)光二極管（發(fā)光器）的通斷；發(fā)光二極管被點亮?xí)r輸出端光敏半導(dǎo)體（受光器）導(dǎo)通，反之關(guān)斷，實現(xiàn)弱電流控制強(qiáng)電流的目的。對比傳統(tǒng)繼電器光耦具有有壽命長，電磁干擾小，通斷頻率高等優(yōu)點，并且可以使弱電和強(qiáng)電的電氣隔離更為完全。STM32 PWM控制模塊使用光耦隔離輸出PWM波，光耦隔離電路如圖6所示。

圖6 光耦隔離電路

PWM1為PWM信號輸入端，當(dāng)PWM1為高電平時光耦不導(dǎo)通相應(yīng)輸出端由于上拉電阻作用使得輸出為高電平；當(dāng)PWM1為低電平時光耦導(dǎo)通，輸出端與地短接輸出為低電平。為了光耦可靠導(dǎo)通及防止過流R31阻值為300Ω，R3選用470Ω。舵機(jī)驅(qū)動使用的PWM為50Hz周期為20ms，TLP521光耦開關(guān)頻率最大頻率為10kHz滿足需求。使用光耦隔離輸出PWM主要為了防止機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定輸出PWM方波，防止電磁干擾，提高機(jī)械臂穩(wěn)定性及擬形精度。

3）遙控模塊

圖7所示為遙控示意圖。遙控模塊由上位機(jī)（編號4），單片機(jī)構(gòu)成的無線發(fā)射器（編號5）及擬形機(jī)械臂（編號32）組成。

圖7 遙控示意圖

上位機(jī)指令通過電腦串口發(fā)送給無線發(fā)射器，無線發(fā)射器再將指令以藍(lán)牙形式發(fā)送給機(jī)器人實現(xiàn)無線控制。無線模塊通過AD采集擬形機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)電位器并轉(zhuǎn)換成角度發(fā)送給機(jī)器人實現(xiàn)擬形控制。

電路模型手臂的每個關(guān)節(jié)都使用一個電位器，當(dāng)任意轉(zhuǎn)動這個模型手臂時，電位器抽頭位置會改變則“ADC”處電壓會隨之改變，單片機(jī)通過自帶的6路ADC通道去采集各個關(guān)節(jié)的“ADC”模擬電壓值。單片機(jī)ADC采集的電壓值，數(shù)據(jù)最大對應(yīng)4095，電位器最大可轉(zhuǎn)動300°，將4095/300得出13.65（即每轉(zhuǎn)過1°時電壓的改變值），通過測試取為14.5可獲得更準(zhǔn)確的角度，再將角度數(shù)據(jù)通過無線傳輸，從而實現(xiàn)機(jī)械臂擬形控制。

2.3軟件架構(gòu)

本裝置軟件分為上位機(jī)軟件及機(jī)器人CPU程序。1）上位機(jī)軟件架構(gòu)

上位機(jī)程序開始檢測是否連接串口、WiFi、圖傳，若連接了串口無線發(fā)射器則開啟定時器，每20ms更新一次指令并發(fā)送給機(jī)器人。程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件程序結(jié)構(gòu)

2）機(jī)器人程序框架

機(jī)器人程序開始，檢測無線控制是否正常連接，正常則等待指令，否則機(jī)器人為初始狀態(tài)。機(jī)器人程序流程圖如圖9所示。

圖9 機(jī)器人程序流程圖

3 綜合調(diào)試方法及測試結(jié)果

3.1 Pt100鉑電阻Matlab曲線擬合

為了更為精準(zhǔn)地獲取Pt100鉑電阻阻值與溫度的關(guān)系，在Matlab中輸入Pt100分度表的數(shù)據(jù)，通過Matlab對這些數(shù)據(jù)分析整合，擬合出一條最接近實際的溫度曲線，溫度曲線的擬合情況如圖10所示。

圖10 溫度曲線擬合圖

由溫度曲線擬合圖可以看出，Pt100溫度曲線近視一條直線，可得溫度-阻值的數(shù)學(xué)解析式為

式中，變量Temp為檢測溫度；Res為Pt100阻值。

實際溫度測量與理論值對比見表1。

表1 實際溫度與理論對比表

由實際溫度與理論對比表數(shù)據(jù)可得，實際測量的溫度與理論值誤差基本可以控制在1%以內(nèi)，驗證了Matlab曲線擬合的準(zhǔn)確性。

3.2 擬形手臂控制測試

通過手動擺動擬形手臂模型，觀察四足機(jī)器人身上的機(jī)械臂動作是否一致，多次遙控機(jī)械手臂，測量機(jī)械臂與模擬器各關(guān)節(jié)角度的偏差。

觀察測試得到的擬形手臂測試表發(fā)現(xiàn)，擬形手臂遙控機(jī)械臂的同步率與電壓-角度的比例系數(shù)很大關(guān)系，調(diào)整比例系數(shù)可以使得機(jī)械臂轉(zhuǎn)動角度與模擬臂更接近，角度計算公為

AD_value為單片機(jī)ADC采集的模擬電壓對應(yīng)的數(shù)字值，最大對應(yīng)4095，電位器最大可轉(zhuǎn)動300°，將4095/300得出Ratio=13.65（即每轉(zhuǎn)過1°時電壓數(shù)字值的改變值），通過測試取為Ratio=14.5可獲得更準(zhǔn)確的角度。

表2 擬形手臂測試表

綜上所述當(dāng)比例值選擇14.5時擬形臂與機(jī)械臂所旋轉(zhuǎn)的角度誤差最小。

4 結(jié)論

本文介紹的使用環(huán)境復(fù)雜，需要考慮強(qiáng)電帶來的磁場干擾，故在線路板的設(shè)計上給予充分考慮，例如信號線回路面積盡最大可能的減小以避免強(qiáng)磁力線穿過線路之間造成的感應(yīng)電流干擾；模擬采集使用的模擬地與單片機(jī)基準(zhǔn)地電壓相接不參與其他數(shù)字共地以實現(xiàn)電位相等并減小對數(shù)字地的干擾；利用光耦實現(xiàn)控制電路與動力電路的電氣隔離增強(qiáng)抗干擾性。運動方面大膽創(chuàng)新采用四足履帶結(jié)構(gòu)，既擁有傳統(tǒng)履帶探測車的跨障性能，又可克服履帶底盤低矮的問題。本文介紹的各項功能均能實現(xiàn)，完成了危險環(huán)境的探測任務(wù)，在實際運用中可適應(yīng)多種環(huán)境多種路況，操作靈活方便。

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The Design of Crawler Robot that based on Four Feet Detection System in the Dangerous Environment

Ma Yuguang1Ji Fang2Huang Hui1Wu Shuxia1Li Guanhao1
(1. WYU university, Jiangmen, Guangdong 529000;
2. Jiangmen Entry-Exit Inspection and Quarantine, Jiangmen, Guangdong 529000)

The four tracked robot is designed for toxic gases and temperature detection, sample extraction and simple operation of the dangerous equipment in hazardous environments. The design, with the series of HT32F1656 microprocessors as the core processor, uses the long-distance radio transmission technology to achieve the goal of the control of the robot, which make use of its mechanical arms to control the button of the trouble device. For detection of toxic gases in all domains, it uses different kinds of gas sensors for detection of toxic gases. Besides, it uses infrared camera to take the temperature of the surface and the mechanical arms to complete the task of sample collection. Moreover, PC gets the information of temperature, gas and traffic images, which the visible light camera monitor the real-time road, to control the four tracked robot to make a deal of dangerous equipment and environment. Taking the advantage of using track forward overcoming the complex road by using track forward, the four tracked robot will detect and handle hazardous environmental site at the emergency time, which solves the security problem in the manual inspection, greatly improving the efficiency of work.

microprocessor; four tracked robot; mimesis arm; digital servos; PID

馬玉光（1993-），男，廣東省惠州市惠東縣人，五邑大學(xué)在讀本科生，研究方向為電氣工程及其自動化。