無軌巡檢機器人的設計研究

文/劉科明 辛炤龍 趙成龍 譚秋月 郝楚堂 姚進玲 莫燦苗

隨著科學技術的進步，人們對新興事物的探索研究越來越深入，智能巡檢機器人是近年來新興的一種智能巡檢工具。與人工巡檢相比較，它可以創建全方位的盲點監控，全天準確無休息地巡查檢測，在緊急情況下可以及時地處理報警，預防災難發生，甚至可以通過溫度傳感器預測火災或爆炸的發生。無軌巡檢機器人適用于多種場景，無論是高壓變電站、煤礦廠區等都可以有效監控，做到及時避免意外的發生。

1.巡檢機器人功能

（1）自主巡檢。智能自動巡檢及導航智能機器人還將通過搭載的包括紅外激光雷達、毫米波紅外跟蹤雷達、超聲波紅外檢測雷達、組合型衛星空間慣導儀系統（GPS）及接收機模塊等功能模塊，結合機器人的深度感知智能深度學習智能算法模塊的設計理念和智能機器人的多尺度智能傳感器數據技術有機融合，讓這些智能機器人可以做到在任何一特定的環境狀況相互作用下都能完全獨立地實現其自主的路徑規劃、自主的定位及導航、自動的巡檢。（2）室內室外復雜環境精準定位。綜合運用超寬帶無線基站自動組網定位儀模塊、激光接收器雷達陣列系統、慣性組件系統以及輪速計模塊等多信號源的傳感器系統，通過深度數據交叉融合集成的新方式可進行實時高精度的SLAM 圖像解算，解決各種室內外等復雜信號環境作用下出現的高精度主動定位問題。（3）全域障礙物避障。激光雷達陣列可同時與環向式的超聲波傳感器陣列及云臺相機陣列等器件共同組合，運用起來作為對自動點位障礙物區的主動檢測的傳感器，實現了對巡檢機器人的當前位置智能識別，讓自動巡檢的機器人真正實現其在進行自主巡檢作業的整個過程，具備對靜態點位障礙區障礙物的智能識別避障等，變得更加靈活方便安全穩定且控制精準和高效。（4）超前的軌跡預測能力。DA-M 100A不具備但又具有的避障識別能力及對目標深度的感知跟蹤能力（立體感知）如臺階障礙物探測、高度障礙物，同時系統還能快速對目標周圍環境內隱藏的各種障礙物信息進行跟蹤檢測分析和動態跟蹤，同時還預測目標障礙物在未來的一段時間范圍內發生的主要運動、位置信息，如行進方向、速度分布及運動的軌跡等。（5）手勢指揮的人機交互體驗。綜合利用雙光相機采集圖像并智能處理及分析圖像數據，通過機器人自建強大的圖像手勢語音識別和數據庫，與機器人之間實現了實時準確的語音手勢語音交流或互動方式來直接對機器人動作進行實時動作控制。（6）全區域通信覆蓋。合理有效布置巡檢通信，實現了巡檢通信區域的通信全區域覆蓋，保證了巡檢傳輸信息的實時有效性。

2.設計方案

根據機器人實際使用中的各種限制與需求，設計智能機器人的整體結構。該機器人底盤使用由雙面覆銅硬化板，以防止因底盤質量問題發生的形變、斷裂、短路等問題；在電機方面選擇使用TT馬達，該馬達可防止由于電機突然啟動引起火花干擾，導致信號錯誤觸發的情況，并可有效減小噪音；輪胎方面則使用了不易變形、表面平整的航模水平防滑橡膠輪胎，能夠讓機器人更穩定地運動，減少在行走和制動時出現的打滑現象。此外，專門用馬達鎖在底盤上固定馬達，車輪也是用軸連接馬達的。包括電池模塊、視頻監控模塊等，其余硬件部分都固定在智能機器人的機箱上。

3.工作原理

為了保證智能機器人始終嚴格按照軌跡正常運行，盡量避免外界光線環境對智能機器人行駛的干擾，在智能機器人車輛的左底盤上放置好了道路信號檢測模塊電路板，智能機器人車的左右側端上放置好了紅外傳感器和循跡監測模塊，智能機器人車輛的最左側端上放置好了超聲波避障模塊，智能機器人車輛的最上面端放置好了單片機控制板，以有效保持智能機器人的平衡。采用紅外光作為偵測光源，從而避免在光線不足的環境下工作時對機器人偵測的干擾與影響。

4.機器人硬件

機器人的主模板芯片為以STM 32F103系列單片機為主模板控制器，由一個32位的ARM 微控制器，該系列芯片是由德國意法半導體（ST），其核心是架構M 3。

5.軟件部分

超聲波傳感器模塊選擇的使用了HC-SR04超聲波模塊，該傳感器模塊是可實時將被檢測信號到傳感器的位置信息直接傳輸到主控制器，來進行超聲波信號進行轉換，在主控制器模塊內可通過檢測高低電平信號來進行超聲波智能檢測判斷。使用PWM 脈沖進行信號輸出，直流電動機的功率控制方式是要通過改變輸入PWM 波信號的頻率占空比值來進行實現的。在驅動該機器人運行的單片機主控制器單元內至少具有兩個16位的定時器，并且對于每個定時器至少有多達4個輸出信道，每個輸入信道還會各自產生可控制左右兩側馬達速度方向的兩個PWM 輸出。TC89C51單片機控制系統中內置的定時器的輸入信號捕獲處理功能是用以產生處理速度的脈沖信號，可自動計算和得到驅動機器人車輛的平均行駛的速度。技術參數在智能機器人本體內還預留設計處預留了一個串口通信的接口，可方便通過主控制器內部的一個串行數據通信的接口來與機器人其余所有設備接口進行串口數據的傳輸轉換與串行通信。

6.模塊設計

（1）電機驅動模塊。本次采用L298N電機驅動芯片對電機進行驅動。該芯片具有高壓、大電流的特點，使用標準邏輯電平對電機進行控制。該電機驅動器可直接使用STM 32單片機控制器內的PWM 驅動功能，將其插入STM 32主控制器，實現對電機的驅動和PWM 的速度調節。首先，將定時器和與之對應的IO口啟用；然后，初始化定時器，并設置向上計數的計數模式；最后，該驅動芯片可使用定時器并通過更改比較值CCRX實現不同占空比。（2）紅外避障模塊。在紅外避障模塊，本次選擇HJ-IR2紅外傳感器。該傳感器可以減小光線對檢測情況的影響，在機器人內起到電子開關作用。在檢測到障礙時輸出低電平，無障礙時輸出高電平，該傳感器由發射管和接收管構成。其紅外工作原理為運用物體表面對紅外光線固有的反射吸收性質，當前方若無障礙物時，由紅外線發射管接收發出來的正紅外激光將射向前方，不會直接發生紅外反射，接收管一般不需工作；當前方在規定波長范圍內如出現有障礙物，發射管上發出去的正紅外光也會直接經此障礙物而反射信號至接收管。接收管也收到正紅外光線的反射信號，經由比較器處理后，輸出低電平信號至單片機，并由單片機主控制器對信號進行處理。（3）控制終端模塊。該智能機器人支持PC端與Android端進行控制，可通過控制終端模塊對智能機器人實現狀態監控與運動狀態控制。（4）無線視頻監控模塊。在無線視頻監控模塊采用USB接口攝像頭，該攝像頭擁有高清畫質，滿足機器人對外界狀況進行捕捉和檢測的需求。視頻數據則可同時通過無線傳輸信號直接傳輸至接口的界面中顯示，以最終達到視頻實時在線監控管理的效果。（5）溫度傳感器模塊。在該智能機器人的溫度傳感器部分，選用陶瓷制熱敏電阻。該電阻具有靈敏性高、響應時間短、使用成本低、體積小、結構簡單等特點。因其特性，所以該熱敏電阻在溫度不變時，會處于不動作狀態；而當溫度上升時，阻值會急劇減小，使得電路內電流急劇增大，從而獲得溫度變化數據。

7.無軌巡檢機器人功能特點

（1）對于行進路線的智能規劃能力：包括智能避障功能、規劃最優路徑能力、定位功能、預警功能等。（2）24小時不間斷巡檢：該智能機器人可實現全天24小時在線，幫助減輕值守人員工作繁忙的難題，并可實現低電量自主回充，實現真正的無人化值守。（3）AI智能圖形分析：通過高清攝像頭對人臉、車輛、表盤等進行圖像處理，自動綜合研判，保證巡檢路段安全。（4）危險預警：通過高清USB接口攝像頭進行全景監控，對危險、可疑處進行識別和預警，遇到險情可及時向后臺報警，實時傳達數據，使得安全問題可防可控。（5）終端協同能力：監控數據及視頻實時回傳終端，實現決策與行動的同時進行。（6）定制設計：允許在機器人上加裝各種設備，以適應不同場景需求。系統框架可實現擴展，對不同行業的需求可進行定制化滿足。傳統巡檢機器人采用大量預設坐標來定位，耗費大量的人員來維護，才能使機器人穩定工作。無軌巡檢機器人采用視覺導航技術，在系統中采用模糊識別的算法來對現場的設備進行學習，在工作過程中，自動識別設備，自動定位檢測，提高工作效率。

8.結語

關于智能巡檢機器人只有不斷地深入研究，才能探索更多的功能需求，使巡檢機器人更加智能化，應用到人們的生活，提高大家的生活質量。