自主導(dǎo)航巡邏機(jī)器人的行走系統(tǒng)研究及其實(shí)際應(yīng)用

趙麗 山西工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子工程系

采用CCD定位監(jiān)控系統(tǒng)以及依賴(lài)保安進(jìn)行巡邏，不符合當(dāng)前夜間保安需求。應(yīng)采用巡邏機(jī)器人行走進(jìn)行有效的定點(diǎn)監(jiān)控、定時(shí)巡邏從而解決了在一些公告場(chǎng)所保安巡邏的問(wèn)題。

1 自主導(dǎo)航巡邏機(jī)器人的行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際使用需求，設(shè)計(jì)巡邏機(jī)器人車(chē)架盤(pán)下方應(yīng)安裝同軸驅(qū)動(dòng)輪2個(gè)，電機(jī)減速比16、直流減速為24V電機(jī)驅(qū)動(dòng)，400r/min作為減速后轉(zhuǎn)速。應(yīng)安裝200脈沖／轉(zhuǎn)直流電機(jī)高速的軸端光電編碼器，根據(jù)光電編碼器逐漸完成檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。還應(yīng)該在機(jī)器人車(chē)架底盤(pán)四個(gè)角處布置無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)4個(gè)萬(wàn)向輪，具備一定的穩(wěn)定性。在運(yùn)行時(shí)如出現(xiàn)2個(gè)方向以及轉(zhuǎn)速都相同情況，導(dǎo)航巡邏機(jī)器人應(yīng)以直線(xiàn)進(jìn)行行走，如果出現(xiàn)電機(jī)速度相同，但是兩個(gè)方向不同運(yùn)動(dòng)，自主導(dǎo)航巡邏機(jī)器人進(jìn)行零半徑轉(zhuǎn)彎。

2 行走機(jī)器人的行走系統(tǒng)

2.1 機(jī)器人循線(xiàn)系統(tǒng)

針對(duì)巡邏機(jī)器人的行走場(chǎng)地，應(yīng)在地板上面進(jìn)行粘貼帶有白色PVC膠帶，在使用時(shí)一般會(huì)選擇日本歐姆龍公司的產(chǎn)品，具備光源反射時(shí)以及具備辨色差傳感器地面膠帶方向。其型號(hào)是E3XR-CE4，其中安裝的傳感器在巡邏機(jī)器人車(chē)架盤(pán)下，并使光電檢測(cè)方向頭朝在地面，當(dāng)出現(xiàn)地板上沒(méi)有進(jìn)行粘貼具備的白色膠帶情況，應(yīng)該進(jìn)行光電開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，作為低電平。如果地面上顯示白色顏色，應(yīng)該采用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行輸出信號(hào)并應(yīng)為高電平。針對(duì)主驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)輪置在巡邏機(jī)器人的中心，當(dāng)需要巡邏機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，巡邏機(jī)器人應(yīng)該進(jìn)行白線(xiàn)和中心進(jìn)行交叉重合。為了使巡邏機(jī)器人能夠在后退以及前進(jìn)時(shí)能夠保障沿著導(dǎo)航巡邏進(jìn)行行走，應(yīng)將光電傳感器安裝在巡邏機(jī)器人的前后。為了使巡邏機(jī)器人可以在準(zhǔn)確的位置，還應(yīng)將具備光電傳感器安裝在巡邏機(jī)器人的兩邊，還應(yīng)將具備光電的傳感器安裝在巡邏機(jī)器人的四周位置。將光電開(kāi)關(guān)應(yīng)安裝在巡邏機(jī)器人車(chē)架底盤(pán)下方，安裝數(shù)應(yīng)為14個(gè)。

在給機(jī)器人進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)該根據(jù)光電傳感器的實(shí)際使用需求進(jìn)行，應(yīng)注意傳感器之間距離，并保持光電傳感器的側(cè)頭與地面之間的距離。當(dāng)巡邏機(jī)器人進(jìn)行行走時(shí)候，導(dǎo)航巡邏機(jī)器人應(yīng)該在白線(xiàn)的上方，機(jī)器人的前后具備的光電傳感器應(yīng)該具備輸出高電平的光電傳感器。當(dāng)機(jī)器人前方具備的開(kāi)關(guān)的右側(cè)或者是左側(cè)作為光電傳感器的輸出高電平，表明了巡回機(jī)器人出現(xiàn)脫離了白線(xiàn)的情況，應(yīng)該及時(shí)的進(jìn)行相應(yīng)的減速；當(dāng)巡回機(jī)器人在行走時(shí)的位置是正常的情況，可以加速前進(jìn)的速度。如果巡回機(jī)器人位置快到達(dá)交叉線(xiàn)的位置，巡回機(jī)器人應(yīng)該有效的降低行走的速度。應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整機(jī)器人行走的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)機(jī)器人行走位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可以幫助機(jī)器人對(duì)準(zhǔn)交叉線(xiàn)，有效的減少偏差情況的出現(xiàn)。在進(jìn)行設(shè)置巡回機(jī)器人循線(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該對(duì)巡回機(jī)器人進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)交叉線(xiàn)。在控制巡回機(jī)器人行走時(shí)，應(yīng)該采用光電編碼器以及光電開(kāi)關(guān)循線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量，并進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速有效控制，從而逐漸完成自主導(dǎo)航巡回機(jī)器人直線(xiàn)進(jìn)行行走。

2.2 超聲波的測(cè)障系統(tǒng)

首先應(yīng)該采用測(cè)障原理，通過(guò)超聲測(cè)障方式進(jìn)行渡越時(shí)間法，根據(jù)測(cè)量超聲波接收以及發(fā)送測(cè)量障礙物距離和時(shí)間差。巡回機(jī)器人在方向上前進(jìn)或者是后退都應(yīng)該按章超聲波一對(duì)的換能器，并將單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)向發(fā)射機(jī)做好發(fā)出控制信號(hào)裝置，并啟動(dòng)其動(dòng)定時(shí)器。通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成為超聲波信號(hào)，并朝前方進(jìn)行發(fā)射。收到的超聲波傳播信號(hào)，并在傳播的過(guò)程當(dāng)中遇到了障礙物以后，應(yīng)進(jìn)行反射回波。通過(guò)接受反射波信號(hào)后，使信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、對(duì)比以及整流后逐漸成生負(fù)脈沖觸發(fā)單片中斷外部。根據(jù)采用這種方式，有效的測(cè)量機(jī)器人行走前方路線(xiàn)是否存在著障礙物，并詳細(xì)的了解機(jī)器人和障礙物之間的距離。其次設(shè)計(jì)機(jī)器人行走硬件系統(tǒng)，超聲波測(cè)障系統(tǒng)主要包括了顯示、溫度測(cè)量、時(shí)間測(cè)量、接受回波信號(hào)處、超聲波發(fā)送以及微機(jī)控制六部分組成。

3 機(jī)器人的行走系統(tǒng)功能驅(qū)動(dòng)

首先機(jī)器人的行走系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，針對(duì)巡邏機(jī)器人電機(jī)是根據(jù)24v直流電機(jī)，應(yīng)該使用24v直流電源，在單片機(jī)的選擇上應(yīng)該采用電平TTL，并有效的完成了直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。根據(jù)電路完成巡邏機(jī)器人可以向前、向后、暫停等行走功能。通過(guò)雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)有效的完成了巡邏機(jī)器人向前、向后以及進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作，在巡邏機(jī)器人向前或者向后時(shí)應(yīng)該相應(yīng)的進(jìn)行加速或者進(jìn)行減速，有效的避免降低機(jī)器人的穩(wěn)定性能，避免出現(xiàn)在行走時(shí)出現(xiàn)翻倒或者打滑現(xiàn)象，從而完成無(wú)極調(diào)速。在調(diào)速直流電機(jī)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)PWM方法有效的來(lái)完成，PWM方法可以有效對(duì)開(kāi)環(huán)進(jìn)行控制，但是不能實(shí)際的進(jìn)行直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，巡邏機(jī)器人在行走的過(guò)程當(dāng)中如果遇到了一些障礙物時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致巡邏機(jī)器人逐漸的偏離白線(xiàn)，遇到這種情況時(shí)應(yīng)該及時(shí)的采用電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置采用閉環(huán)控制。根據(jù)光電編碼完成單片機(jī)控制，有效實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)速度，在進(jìn)行安裝光電編碼的過(guò)程中應(yīng)安裝在高速軸上，有效的控制了電路并可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)

巡邏機(jī)器人的行走控制系統(tǒng)主要是根據(jù)分散式控制方法完成，通過(guò)系統(tǒng)超聲波測(cè)障下位機(jī)以及2各行走伺服下位機(jī)共同組成，采用主控機(jī)實(shí)現(xiàn)巡邏機(jī)器人協(xié)調(diào)控制、進(jìn)行分析和計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)有關(guān)策略等各個(gè)部分。逐漸實(shí)現(xiàn)行走伺服下位機(jī)巡邏機(jī)器人的行走系統(tǒng)控制，主要包含了巡邏機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎以及急停，通過(guò)采用超聲波有效的測(cè)量巡回機(jī)器人與在行走的過(guò)程當(dāng)中遇到的障礙物之間的距離，以及行走的過(guò)程中檢測(cè)是否存在著障礙物，全面的分析巡邏機(jī)器人運(yùn)動(dòng)策略。當(dāng)巡邏機(jī)器人在行走時(shí)遇到了障礙物情況，應(yīng)根據(jù)超聲波進(jìn)行測(cè)量遇到的障礙物與機(jī)器人之間的距離，并傳達(dá)到主控機(jī)上，根據(jù)有效的運(yùn)算決策控制了巡邏機(jī)器人行走方向，前進(jìn)或著時(shí)后退以及暫停。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)詳細(xì)的研究自主導(dǎo)航巡邏機(jī)器人的行走系統(tǒng)，主要包括了行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、自主導(dǎo)航系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。根據(jù)在時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)得到了良好的運(yùn)行效果，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)可以看出巡邏機(jī)器人行走的性能。巡邏機(jī)器人應(yīng)用范圍廣泛，可以用于在辦公樓進(jìn)行保安巡邏工作以及晚間在超市進(jìn)行保安工作等。