基于慧魚技術(shù)的小型偵察機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

鄧成軍， 何 俊， 李 鋒

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)、隧道、地鐵等建設(shè)的不斷增多，化學(xué)危險(xiǎn)品泄漏以及燃燒、爆炸等事故隱患的增加，事故概率提高[1]。一旦發(fā)生危險(xiǎn)災(zāi)害事故，經(jīng)常會(huì)遇到情況不明、救援人員面對(duì)高溫、輻射、有毒和濃煙等危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)，根本無法接近事故現(xiàn)場(chǎng)。基于以上綜合考慮，本文設(shè)計(jì)一款小型偵察機(jī)器人，代替救援人員進(jìn)入情況不明或難以進(jìn)入的事故場(chǎng)合去查明現(xiàn)場(chǎng)情況、則可大大減小人員傷亡，提高保障能力和工作效率。

慧魚創(chuàng)意組合模型是技術(shù)含量很高的工程技術(shù)類智趣拼裝模型[2-3]。它由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動(dòng)構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)等不同模塊組成[4]；以機(jī)械傳動(dòng)為核心,融傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)于一體的教學(xué)及仿真模型[5]。對(duì)于學(xué)生直觀、快速地掌握各知識(shí)點(diǎn)，具有良好的促進(jìn)作用，同時(shí)能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[6-8]。本文設(shè)計(jì)并制作拼裝了小型偵察機(jī)器人，主要對(duì)偵察機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

偵察機(jī)器人一般要求具有體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好、轉(zhuǎn)向靈活，可以方便攜帶進(jìn)入偵察地點(diǎn)，并且能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)備就緒并投入工作[9]。

根據(jù)以上功能目標(biāo)，小型偵察機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要有行走動(dòng)力及輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、攝像頭的角度升降機(jī)構(gòu)兩大部分組成，實(shí)物模型如圖1所示。

圖1 小型偵察機(jī)器人模型

1.1 行走動(dòng)力及輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

偵察車的常規(guī)行走動(dòng)力由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)來完成，再通過齒輪傳動(dòng)來增大其扭矩，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)可以為車輛的行駛提供足夠的動(dòng)力，保證行駛速度，并且可以通過兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的互相配合達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的[10]。車輛的驅(qū)動(dòng)前輪采用越野橡膠輪胎，保證車輪和路面有良好的附著性，以提高偵察車的牽引力、制動(dòng)性和通過性。后輪采用兩個(gè)萬向車輪，以保證車輛在兩個(gè)前輪的互相配合下，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎，以及原地掉頭等功能。

1-電動(dòng)機(jī)M1，2-車輪，3-齒輪，4-電動(dòng)機(jī)M2

圖2 行走動(dòng)力及輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 攝像頭的角度升降機(jī)構(gòu)

在偵察機(jī)器人前方和攝像頭支臂之間安裝了蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，主要用于傳遞空間交錯(cuò)兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，交錯(cuò)角一般為90°，在彼此既不平行又不相交的情況下，通常蝸桿是主動(dòng)件，蝸輪是被動(dòng)件。使其相互配合可以實(shí)現(xiàn)支臂的角度升降調(diào)整。在本設(shè)計(jì)中，小型偵察車的攝像頭角度升降由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且通過多級(jí)齒輪減速來驅(qū)動(dòng)蝸桿，如圖3所示，蝸輪與攝像頭的支臂相聯(lián)接，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)攝像頭與車體本身90°范圍內(nèi)的任意角度升降調(diào)整，以此來擴(kuò)大攝像頭的視覺范圍。

1-蝸桿，2-蝸輪，3-齒輪箱，4-電動(dòng)機(jī)M3

圖3 攝像頭角度升降機(jī)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

偵察機(jī)器人一般工作在未知的環(huán)境里[11]，它要求偵察機(jī)器人具有局部的環(huán)境感知、自動(dòng)檢障和避障、局部自主移動(dòng)導(dǎo)航等能力，能夠自主完成操作員規(guī)劃好的任務(wù)，而復(fù)雜環(huán)境分析、任務(wù)規(guī)劃、路徑選擇等工作由操作指揮人員來完成。因此，結(jié)合有關(guān)機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)體系[12-14]，采用了人機(jī)交互方式的半自動(dòng)進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)了手動(dòng)遙控遠(yuǎn)程控制和自主偵察移動(dòng)控制兩種模式，在本設(shè)計(jì)中，首先通過繪制出偵察機(jī)器人的控制方案流程圖，結(jié)合流程圖利用慧魚ROBO PRO軟件進(jìn)行程序和人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。

2.1 控制流程方案設(shè)計(jì)

2.1.1手動(dòng)遙控遠(yuǎn)程控制功能

為了使機(jī)器人能夠在人不能及的環(huán)境中進(jìn)行偵察任務(wù)，必須采用遙控操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和越障以及攝像頭裝置運(yùn)動(dòng)等動(dòng)作[15]，操作員通過攝像頭實(shí)時(shí)采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像來實(shí)現(xiàn)視覺導(dǎo)航并觀察前方情形,其控制功能流程圖4所示。按照機(jī)器人的控制功能方式通過慧魚ROBO PRO軟件設(shè)計(jì)出上位機(jī)的人機(jī)操作控制界面，如圖5所示。

圖4 手動(dòng)操作功能流程圖

圖5 人機(jī)遠(yuǎn)程遙控操作界面及視頻圖像

2.1.2無線遙控遠(yuǎn)程控制功能

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，就要求偵察機(jī)器人的控制命令的發(fā)出和接收以及視頻圖像的傳輸必須使用無線通信的方式。本文中，無線通信方式是通過下位機(jī)ROBOTICS TXT控制器自身內(nèi)置的WiFi模塊發(fā)出的信號(hào)與上位機(jī)的人機(jī)操作界面進(jìn)行無線通信，來實(shí)現(xiàn)視頻圖像傳輸和控制命令的發(fā)送和接收。

2.1.3自主偵察控制功能

要實(shí)現(xiàn)自主偵察功能，這就要求機(jī)器人能夠?qū)χ車h(huán)境的感知來檢測(cè)判斷障礙，從而自動(dòng)避開障礙。通過自動(dòng)軌跡追蹤，實(shí)現(xiàn)沿著操作指揮人員規(guī)劃的路徑進(jìn)行偵察。本文中，通過利用光敏傳感器、軌跡傳感器、超聲波傳感器，熱敏傳感器、攝像頭等來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的感知，采用局部路徑規(guī)劃方法，讓移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行定位，同時(shí)通過傳感器對(duì)行走路線不斷的修正，最后達(dá)到目標(biāo)[16]。此類方法對(duì)未知環(huán)境表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)能力，已有針對(duì)未知環(huán)境中路徑規(guī)劃問題的研究也多集中于此類方法[17],其控制功能流程如圖6所示。

2.2 控制程序設(shè)計(jì)

結(jié)合偵察機(jī)器人的功能控制流程圖，使用慧魚ROBO PRO軟件進(jìn)行程序的編制，其自主偵察及手動(dòng)遙控偵察控制程序分別如圖7、圖8所示。

圖6 自主偵察控制功能流程圖

圖7 自主偵察移動(dòng)控制程序

2.3 各分支機(jī)構(gòu)控制方案

偵察機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作都是由程序進(jìn)行控制，各元件的名稱與對(duì)應(yīng)的功能如表1所示。

圖8 手動(dòng)遙控遠(yuǎn)程控制程序

元件實(shí)現(xiàn)功能元件實(shí)現(xiàn)功能M1驅(qū)動(dòng)左邊車輪電動(dòng)機(jī)I2攝像頭角度上限位M2驅(qū)動(dòng)右邊車輪電動(dòng)機(jī)I3軌跡追蹤功能M3驅(qū)動(dòng)攝像頭升降電動(dòng)機(jī)USB?A連接攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控I1攝像頭角度下限位I4檢測(cè)環(huán)境的光敏度I5檢測(cè)障礙物距離O8光線不足時(shí)，用于照明

(1) 前進(jìn)、后退功能。要求機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，操作人員可以通過人機(jī)交互界面按下“前進(jìn)”按鈕，則M1、M2同步正轉(zhuǎn)，機(jī)器人直線前進(jìn)。當(dāng)需要后退時(shí)，按下“后退”按鈕，則M1、M2反轉(zhuǎn)，機(jī)器人直線后退。由于兩伺服電動(dòng)機(jī)通過ROBOTICS TXT控制器采用同步控制，能夠保證具有相同的速度。

(2) 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能。要求機(jī)器人左轉(zhuǎn)時(shí)，操作人員可以通過人機(jī)交互界面按下“向左”按鈕，則M2正轉(zhuǎn)，M1保持停止，機(jī)器人向左轉(zhuǎn)彎。當(dāng)需要右轉(zhuǎn)時(shí)，按下“向右”按鈕，則M1正轉(zhuǎn)，M2保持停止，機(jī)器人向右轉(zhuǎn)彎。

(3) 攝像頭角度升降調(diào)整功能。要求攝像頭角度上升時(shí),按下“攝像頭向上”按鈕，則M3電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，攝像頭緩慢向上升起，直到最佳觀察位置，松開按鈕，M3電動(dòng)機(jī)停止。要求攝像頭角度下降則按下“攝像頭向下”按鈕，則M3電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，攝像頭緩慢下降，直到最佳觀察位置，松開按鈕，M3電動(dòng)機(jī)停止。本設(shè)計(jì)中，攝像頭角度調(diào)整的范圍為0°～90°。為了防止超程，設(shè)置了I1和I2兩個(gè)行程開關(guān)。

(4) 偵察機(jī)器人原地掉頭功能。本設(shè)計(jì)中，偵察機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)原地向左和原地向右兩種方式掉頭，同時(shí)也幫助攝像頭實(shí)現(xiàn)360°偵察功能。原地向左掉頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)M2正轉(zhuǎn)。原地向右掉頭時(shí)，電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)M2反轉(zhuǎn)。

(5) 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能。該功能采用USB-A攝像頭實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，通過ROBOTICS TXT控制器的WiFi信號(hào)傳輸視頻圖像，實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)操作界面上，以幫助操作指揮人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遙控操作的視覺導(dǎo)航功能，如圖9所示。

圖9 人機(jī)操作界面視頻圖像顯示

(6) 避障功能。偵察機(jī)器人根據(jù)自身攜帶的超聲波傳感器I5來檢測(cè)周圍的障礙物以及距離，從而自動(dòng)避開障礙物，主要應(yīng)用在自主偵察模式。

(7) 自動(dòng)照明功能。偵察機(jī)器人利用自身攜帶的光敏傳感器I4，自動(dòng)檢測(cè)周圍環(huán)境的光線強(qiáng)弱，當(dāng)光敏傳感器檢測(cè)到周圍環(huán)境光線較暗時(shí)，自動(dòng)打開照明燈，以輔助攝像頭傳回更加清晰的視頻圖像。光線明亮?xí)r，自動(dòng)關(guān)閉照明燈，該功能主要應(yīng)在自主偵察模式。

(8) 軌跡追蹤功能。該功能主要應(yīng)用在自主偵察模式，利用I3軌跡識(shí)別傳感器的軌跡追蹤功能，讓偵察機(jī)器人沿著操作指揮員預(yù)先設(shè)定的軌跡路線進(jìn)行偵察。

3 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)完成的小型偵察機(jī)器人完成了對(duì)半自主偵察的整個(gè)過程的模擬，完成了偵察的整個(gè)流程。雖然該小型偵察機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于慧魚模型的特點(diǎn)，離具體的工程實(shí)際應(yīng)用還有很大的差距，但是該模型的設(shè)計(jì)方案及理念對(duì)實(shí)際偵察機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造具有一定的指導(dǎo)意義。

此外，通過慧魚創(chuàng)意組合模型偵察機(jī)器人方案設(shè)計(jì)，使學(xué)生完成了從理論到具體實(shí)踐的跨越，彌補(bǔ)了在實(shí)踐環(huán)節(jié)中的一些不足，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和和創(chuàng)新能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

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