基于探索者平臺的遠程環境探測機器人系統設計

王曉旭，王承林，劉嘉成，張奕龍，賀曉辰

（邢臺學院，河北邢臺，054001）

遠程環境探測機器人廣泛應用于高危復雜環境作業，如航天航空、海底探測、核工業、排險防爆等方面。近年來，地震、核泄漏、礦難等時有發生，遠程探測機器人可以代替人們進入高危環境進行探測，輔助救援開展，以減少救援工作中的傷亡。探測機器人的快速發展，主要在遠程測控、循跡避障、無人操控等方面研究較為深入，像我國成功發射的嫦娥五號探測器和天問一號火星探測器，都屬于集成度、可靠性和穩定性非常高的探測機器人。

本設計將傳感檢測技術、無線技術與智能小車技術相結合，利用機器人作為載體，實現遙控探測獲取周圍的環境狀況，監控圖像和障礙物距離信息實時傳輸，上位機軟件可實時遠程監控，多維度還原機器人周圍的場景[1]。

1 系統設計方案

系統設計方案框圖如圖1 所示。本設計以Arduino 控制板和擴展板為控制核心，主要分為三部分：（1）移動小車平臺設計。利用探索者平臺套件完成小車底盤和云臺的組裝，小車采用直流電機驅動，云臺采用舵機驅動；（2）WiFi 路由器將攝像頭采集的圖像信息傳遞給上位機監控軟件，同時該軟件可控制云臺左右、上下各180°的旋轉，還可通過手機APP 實現對小車的運動控制；（3）超聲波測距數據經藍牙無線傳輸至上位機雷達掃描軟件進行顯示。

圖1 系統設計方案框圖

2 硬件原理及設計

■2.1 主控板和擴展板

Basra 是一款基于 Arduino 開源方案設計的開發板，控制板含 3A、6V 的穩壓芯片，可為舵機提供 6V 額定電壓。兩個 2×5 的杜邦座擴展塢，方便藍牙、OLED、無線模塊等擴展模塊進行直插連接[2]。

BigFish 擴展板板載2 片直流電機驅動芯片L9170、舵機接口、MAX7219LED 驅動芯片，可直接驅動直流電機、舵機、數碼管等機器人控制常規執行元件[3]。

擴展板和控制板堆疊連接使用，Basra 與BigFish 擴展板引腳接口示意圖如圖2 所示。

圖2 Basra 與BigFish 擴展板引腳接口示意圖

■2.2 移動小車單元

利用探索者創新套件進行車體的組裝，車輪可采用輪胎式或履帶式，采用四驅直流電機驅動。將左側、右側電機分別用1 拖2 直流電源線連起來，左側兩電機由BigFish 擴展板的直流電機接口D5、D6 控制，右側兩電機由D9、D10控制。當D5（D9）為高電平1、D6（D10）為低電平0 時左側（右側）電機正轉，反之電機反轉[1]。

■2.3 舵機云臺模塊

采用兩個180 度舵機分別控制水平旋轉和垂直旋轉，形成二自由度云臺，用于裝載攝像頭和超聲波模塊，車體原地不動時可實現超聲波和攝像頭上下、左右180 度的掃描。舵機三個引腳分別是GND、VCC、PWM，兩舵機分別對應接在擴展板3 針舵機接口上，PWM 引腳接D3、D4。

用Arduino 控制舵機一般有兩種方法：

①通過Arduino 的數字引腳產生不同占空比的方波，模擬產生PWM 信號，通過調整輸入PWM 信號脈寬改變舵機的旋轉角度，從而控制舵機運行[4]。所用舵機其對應關系如圖3 所示。

圖3 PWM 信號脈沖寬度與舵機旋轉角度的關系

②直接利用Arduino 自帶的Servo 庫進行控制。

■2.4 WiFi 視頻組模塊

WiFi 視頻組包含GL-AR150 路由器、USB 攝像頭以及通信轉接板。該視頻模塊是一個TP-Link 的703N 型小型路由器，刷上了Linux 開源的OpenWrt 系統，在系統中加載了攝像頭驅動，支持連接USB 攝像頭，作為高清無線網絡監控。PC 或手機通過WiFi 連接視頻模塊后，利用應用程序打開視頻模塊上的攝像頭，通過上位機可以隨時隨地輕松訪問。

通信轉接板的USB 接口與WiFi 路由器上的電源接口相連，轉接板上的串口線GND、RX、TX 分別與路由器上的GND、TX、RX 對應相連接，USB 攝像頭連接到路由器的標準USB 接口。

工作時，上位機連接路由器WiFi，輸入密碼連接成功后，上位機軟件即可實現對攝像頭采集圖像的顯示，以及對舵機云臺的控制，攝像頭可跟隨云臺上下、左右180 度旋轉。

■2.5 藍牙超聲測距模塊

該模塊實現障礙物測距及數據無線傳輸功能。

HC-SR04 超聲波測距模塊可具有 2cm～400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度為 3mm；模塊包含超聲波發射器、接收器與控制電路[5]。模塊的ECHO 和TRIG 分別連接主控板的A0、A1 傳感器接口。

HC-04 藍牙串口通信模塊是基于 V2.1（SPP）經典藍牙協議和 V4.0（BLE）藍牙協議的雙模數傳模塊。無線工作頻段為 2.4GHz ISM，調制方式是 GFSK[6]。從機和單片機連接，主機和電腦USB 口連接，用于距離數據的無線傳輸。藍牙從機與Bigfish 擴展板的RX 和TX 對應連接，上電后，主從機會自動配對，成功后主機和從機的指示燈會常亮。

3 運動及檢測程序設計

■3.1 小車及云臺運動控制程序設計

控制流程如圖4 所示。

圖4 運動控制程序流程圖

本設計采用Servo 庫進行舵機控制。Servo 庫常用函數：

Attach（接口）—設定舵機接口。

Write（角度）—用于設定舵機旋轉的角度，可設定范圍0°～180°。

接通電源，上位機連接WiFi 成功后，通過串口通信向下位機單片機發送指令0、1、2、3、4，利用switch()case、servo.write()語句和整型變量a 和b 值的變化來控制舵機的轉動。

case 0 為保持a 和b 的值為當前值，舵機不動；

case 1 為使a 自增1，對應水平舵機1 向右轉動1 度；

case 2 為使a 自減1，對應水平舵機1 向左轉動1 度；

case 3 為使b 自增1，對應豎直舵機2 向右轉動1 度；

case 4 為使b 自減1，對應豎直舵機2 向左轉動1 度。

上位機通過串口通信向下位機單片機發送指令0、1、2、3、4，利用switch()case、digitalWrite()語句控制直流電機正反轉實現小車停止、向左、向右、向前、向后的運動控制。兩側電機停止則小車停止，兩側均正轉小車前進，兩側均反轉小車后退，左側正轉右側反轉小車右轉，右側正轉左側反轉小車左轉。

■3.2 超聲波測距程序設計

程序設計流程圖如圖5 所示。

圖5 超聲波測距程序設計流程圖

給Trig 引腳施加至少10μs 的高電平觸發脈沖，HCSR04 則自動發射8 個40kHz 的方波（即為超聲波）。從向外發射超聲波的時刻開始，Echo 引腳就會變成高電平，高電平會一直持續到HC-SR04 接收到回波為止。波從發射到返回的時間即為高電平的持續時間，測試距離=（高電平時間×聲速（340m/s））/2[5]。

4 上位機軟件設計

■4.1 小車及云臺攝像頭監控軟件

小車的運動控制可通過移動端軟件WIFIRobot.apk 軟件操作。首先需要手機連接小車路由器WiFi，打開軟件設置界面如圖6 所示。控制小車運動的控制參數中指令01--前進，02--后退，03--左轉，04--右轉，00--停止。

圖6 手機端軟件參數設置

確認后進入圖7 所示控制界面，顯示攝像頭采集的圖像，同時通過控制前、后、左、右按鈕即可控制小車的運動。

圖7 手機端控制軟件

打開電腦端WiFiRobot 軟件，聯網并進行相應參數設置后，執行“視頻”指令，可顯示當前攝像頭采集圖像，如圖8 所示。執行“前、后”指令，控制豎直云臺舵機動作。執行“左、右”指令，控制水平云臺舵機左右轉動，“停止”指令則控制舵機云臺靜止。

圖8 手機端控制軟件

另外，在瀏覽器中輸入：192.168.8.1，登錄界面輸入密碼，在監控頁面可以對畫面分辨率進行設置，然后在瀏覽器地址欄中輸入“IP：端口號”（192.168.8.1:8083），即可在瀏覽器端訪問攝像頭，如圖9 所示。

圖9 網頁端監控畫面

■4.2 Processing 雷達掃描軟件

為了能實時直觀地展現超聲波探測的數據和環境內整體障礙物情況，制作一款數據圖形化顯示軟件。Processing是為開發面向圖形的應用而生的簡單易用的編程語言和編程環境[7]，基于Processing 編寫測距雷達掃描軟件，主要包含serialEvent()（串口數據讀取）、drawRadar()（雷達圖弧線和角度線繪制）、drawObject()和drawLine()（障礙物測距雷達掃描線繪制）、drawText()（角度、距離等文本顯示）函數的編寫。

電腦端Processing 上位機軟件接收來自藍牙主機的數據，包括水平舵機轉動的角度和超聲波模塊與障礙物的距離值，繪制具有雷達掃描效果的監視器畫面動態圖形，相當于一個障礙物空間掃描雷達，直觀顯示出探測環境內的具體情況。探測小車及障礙物掃描如圖10 所示。

圖10 探測小車及障礙物距離雷達掃描圖

5 結語

該環境探測機器人具有距離測量、障礙物掃描、視頻監控等功能。移動小車搭載二自由度云臺，探測范圍廣，360 度無死角。圖形化數據顯示形象直觀，從視頻和距離數據兩個維度反映所探測的環境信息，可更全面還原真實場景。同時移動小車可選擇使用履帶式驅動或四輪式驅動，可滿足倉庫、居家、礦井、山洞等多種復雜環境下的環境探測工作。

該環境探測機器人可以快速采集、實時信息傳輸，通過功能的擴展可達到不同的探測目的。如巡檢機器人，加裝不同傳感器可用于受限空間、有毒有害氣體等特殊環境下的信息采集；排爆機器人，若加裝機械臂能夠完成遠程操控排爆的任務；若加裝生命探測儀也可完成震后災區搜救任務等。