基于體感控制的智能工程車

周玉林 張雅達(dá) 趙秋陽(yáng) 范翔宇

摘 要：針對(duì)市面上智能機(jī)器人行動(dòng)不靈活，價(jià)格高昂的現(xiàn)狀，文中設(shè)計(jì)了一款基于體感控制的智能工程車。該智能工程車由運(yùn)動(dòng)底盤、攝像設(shè)備、多軸機(jī)械手臂和姿態(tài)手套組成。利用手勢(shì)姿態(tài)控制，消除了多按鍵復(fù)雜操作的弊端;底盤采用麥克納姆輪在有限空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)最大程度的運(yùn)動(dòng);攝像設(shè)備可為操作人員實(shí)時(shí)傳輸?shù)匦螆D像并連接VR眼鏡，具有更好的視覺效果;利用多軸機(jī)械手臂排除不利因素。該工程車的使用大大提高了人員施工的安全性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能工程車;麥克納姆輪;攝像設(shè)備;多軸機(jī)械手臂

1 項(xiàng)目產(chǎn)品

目前，許多國(guó)家都在積極進(jìn)行智能工程車的研究和開發(fā)，并已將其應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。文中設(shè)計(jì)了一種基于體感控制的智能工程車，此智能工程車主要由運(yùn)動(dòng)底盤、攝像設(shè)備、多軸機(jī)械手臂和姿態(tài)手套組成。工程車?yán)檬謩?shì)姿態(tài)控制，消除了多按鍵復(fù)雜操作的弊端，使其在復(fù)雜的環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的作業(yè);底盤采用的特殊輪子結(jié)構(gòu)—麥克納姆輪在有限空間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)最大程度的運(yùn)動(dòng);工程車上裝載的攝像設(shè)備可為操作人員實(shí)時(shí)傳輸回地形圖像，并連接VR眼鏡，具有更好的視覺效果;利用多軸機(jī)械手臂排除不利因素。此工程車的應(yīng)用可以大大提高危險(xiǎn)作業(yè)人員的安全性，有力保障他們的人身安全。

2 項(xiàng)目介紹

2.1 創(chuàng)意背景

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的快速發(fā)展，一些消費(fèi)類產(chǎn)品逐漸呈現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢(shì)，如今高科技含量的電子類產(chǎn)品儼然成了發(fā)展主流，越來越受人們的喜愛。顯然傳統(tǒng)的系統(tǒng)控制觀念無法完全滿足人們的需求，因此將智能控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)完美結(jié)合在科學(xué)研究、智能救援等方面具有極高的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 技術(shù)創(chuàng)意

體感控制工程車底盤安裝的麥克納姆輪使工程車的轉(zhuǎn)彎半徑大大減小，能夠全向移動(dòng)，增加靈活度，在狹窄環(huán)境中自由行駛。工程車采用人手姿態(tài)控制，省去了遙控多按鍵控制的繁瑣步驟，并且降低了遙控設(shè)備的攜帶不便性，遙控只作為備用操作選擇，使操作更加便捷。工程車上的多軸機(jī)械臂能夠穩(wěn)定移動(dòng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速處理。

2.3 可行性

工程車采用STM32F4系列芯片，使用陀螺儀矯正工程車姿態(tài)，配合麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)。STM32F4作為處理器，接收傳感器傳回的數(shù)據(jù)之后能夠通過算法控制工程車四個(gè)麥克納姆輪的速度。

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量守恒理論實(shí)現(xiàn)功能。陀螺儀由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量，陀螺儀表現(xiàn)出抗拒方向改變的趨向，判斷工程車的行駛方向，配合單片機(jī)隨時(shí)矯正工程車的運(yùn)行軌跡。

麥克納姆輪是一種全方位移動(dòng)方式，基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪原理，這些成角度的周邊輪軸把一部分機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上，依靠各自機(jī)輪的方向和速度使這些力最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量來保證平臺(tái)在最終的合力矢量方向上自由移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。

PID是一種基于反饋的自動(dòng)控制技術(shù)，測(cè)量的關(guān)鍵是被控變量的實(shí)際值和期望值的比較，用該偏差來糾正系統(tǒng)響應(yīng)，由比例單元P，積分單元I和微分單元D組成，PID能夠使系統(tǒng)的輸出值趨向于理想狀態(tài)，確保對(duì)工程車的控制更加穩(wěn)定。

2.4 研究?jī)?nèi)容

體感智能工程車基于STM32F4芯片設(shè)計(jì)，工程車由底盤模塊、機(jī)械手臂、攝像設(shè)備和姿態(tài)手套組成。

底盤選用麥克納姆輪和伺服電機(jī)，通過全向移動(dòng)算法，可充分發(fā)揮麥克納姆輪的性能，大大縮小工程車的轉(zhuǎn)彎半徑，實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，使小車在更復(fù)雜的環(huán)境中也能行走自如。

工程車的底盤和機(jī)械臂通過九軸傳感器與柔性電阻共同配合來實(shí)現(xiàn)體感操作，當(dāng)手掌握拳時(shí)柔性電阻的阻值最小，這時(shí)螺陀儀將控制底盤運(yùn)動(dòng);當(dāng)手掌放松微開時(shí)柔性電阻的阻值變大，這時(shí)陀螺儀將控制機(jī)械臂的姿態(tài)變化。

將陀螺儀和柔性電阻集成于手套上，稱之為姿態(tài)手套。用戶通過自制的姿態(tài)手套利用nRF905無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

在復(fù)雜的環(huán)境中可以利用攝像設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸圖像，利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)清障維護(hù)等作業(yè)。

2.5 目的意義

姿態(tài)遙控相比傳統(tǒng)的遙控操作簡(jiǎn)便、靈活。數(shù)據(jù)顯示，很多勘測(cè)作業(yè)人員就是在進(jìn)行作業(yè)時(shí)發(fā)生了意外危險(xiǎn)而導(dǎo)致受傷或者死亡。基于體感的智能勘測(cè)工程車不僅操作方便，更大大保障了勘測(cè)人員的安全。

3 硬件組成

3.1 工程車底盤

工程車底盤實(shí)物。

3.2 機(jī)械手臂

車載的多軸機(jī)械手臂通過平行四邊形連桿和雙搖桿機(jī)構(gòu)可以將電機(jī)安裝在基座上，控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)范圍的最大化，并保持整體穩(wěn)定。用戶通過自制的姿態(tài)遙控利用nRF905無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控與簡(jiǎn)單的清障維護(hù)等操作。

3.3 麥克納姆輪

麥克納姆輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是一種應(yīng)用廣范的全方位輪。使用4個(gè)該新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。

基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。在此基礎(chǔ)上研制的全方位叉車及全方位運(yùn)輸平臺(tái)非常適合轉(zhuǎn)運(yùn)空間有限、作業(yè)通道狹窄的艦船環(huán)境，在提高艦船保障效率、增加艦船空間利用率以及降低人力成本方面具有明顯的效果。

3.4 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)（Servo Motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。

使用伺服電機(jī)控制速度，位置精度高，可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。電機(jī)分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是：當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

4 市場(chǎng)分析

基于體感控制的智能工程車也稱為無人車輛，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策和多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。智能車輛的主要特點(diǎn)是在復(fù)雜的道路情況下，能自動(dòng)操縱車輛進(jìn)行障礙清除等作業(yè)。系統(tǒng)將多重傳感器與控制器進(jìn)行了良好結(jié)合，該工程車的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣技術(shù)、電氣控制技術(shù)、智能控制等。該類小車的研究除了進(jìn)行勘測(cè)作業(yè)之外，還可應(yīng)用于科學(xué)研究，并且具有潛在的軍用價(jià)值。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有掃地、澆花、防盜巡查等運(yùn)用此類技術(shù)的智能小車，但是缺少一個(gè)為勘測(cè)人員進(jìn)行工作，減少他們傷亡率的智能機(jī)器人，并且大部分機(jī)器人都是用復(fù)雜的遙控按鍵控制極為不便，遙控在此只作為備用操作方式，本項(xiàng)目由此誕生。

開發(fā)的姿態(tài)遙控相比傳統(tǒng)的遙控操作簡(jiǎn)便、靈活。當(dāng)工程車作為勘測(cè)機(jī)器人時(shí)，代替人類實(shí)地勘察、搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移可疑物，減少不必要的人員傷亡，最大限度保護(hù)人員安全。

市場(chǎng)上遙控操作的智能車型機(jī)器人遙控按鍵多，操作復(fù)雜。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的類似機(jī)器人運(yùn)動(dòng)不靈活且成本高，而該智能工程車解決了這些問題，具有良好的發(fā)展前景。