現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境智能巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)一種對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM為核心器件結(jié)合多種傳感器實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度、CH4、CO濃度等參數(shù)的檢測(cè)；采用超聲波傳感器和紅外傳感器結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方法，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在運(yùn)行過程中靈敏感知障礙物并及時(shí)躲避。系統(tǒng)中采用NRF905無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制臺(tái)的無線通信。經(jīng)過測(cè)試表明，該巡檢系統(tǒng)可以正常工作而且可以成功躲避障礙物，可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、測(cè)量準(zhǔn)確、避障行駛安全、性能可靠等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境檢測(cè)； 多傳感器信息； 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 無線通信

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）18?0135?04

Abstract： An intelligent inspection robot system was designed for the complicated field production environment. The system takes ARM as its core device， and combines multiple sensors to detect the parameters of the site environment temperature， humidity， methane concentration and carbon monoxide concentration. The multi?sensor information fusion technology and fuzzy neural network information fusion method are combined with ultrasonic sensor and infrared sensor to perceive the obstacles sensitively and escape the obstacles timely during the process of robot running. The NRF905 wireless transmission technology is adopted in the system to realize the wireless communication between inspection robot and remote console. The test results show that the inspection system can work normally， avoid the obstacles successfully， and communicate with the host computer. The system has the characteristics of simple structure， low power consumption， accurate measurement， safe obstacle avoidance driving， reliable performance， and broad application prospect.

Keywords： environment detection； multi?sensor information； fuzzy neural network； wireless communication

近年來，隨著科技與信息的高速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)也發(fā)生了日新月異的變化，機(jī)器人在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。機(jī)器人涉及很多領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、自動(dòng)控制領(lǐng)域、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能以及仿生學(xué)等很多先進(jìn)學(xué)科，因此，機(jī)器人的發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶。針對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)以單片機(jī)為微控制器，根據(jù)不同傳感器的傳感信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)；將多傳感器信息融合技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的智能避障和遠(yuǎn)程控制臺(tái)的無線通信。系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用到特種領(lǐng)域，還可以廣泛投入到民用行業(yè)，具有很高的商業(yè)價(jià)值[1]。因此，該系統(tǒng)的研制和應(yīng)用具有重要的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境智能巡檢機(jī)器人主要由環(huán)境檢測(cè)模塊、導(dǎo)航避障模塊、運(yùn)動(dòng)控制單元和上位機(jī)平臺(tái)四大部分構(gòu)成。整個(gè)設(shè)計(jì)包括電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)、環(huán)境探測(cè)單元設(shè)計(jì)、無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、避障導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)、顯示報(bào)警模塊設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制單元模塊設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)行過程中避開障礙物并可以完成對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息的檢測(cè)。為了對(duì)復(fù)雜的地形環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能避障功能，在設(shè)計(jì)避障導(dǎo)航模塊時(shí)選取超聲波傳感器和紅外傳感器聯(lián)合探測(cè)，并結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合方法；系統(tǒng)中采用NRF905無線通信技術(shù)完成機(jī)器人與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。為了使巡檢器人適用于更多的復(fù)雜環(huán)境，系統(tǒng)中采用履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其主體框架結(jié)構(gòu)[2]。該系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理是履帶機(jī)器人根據(jù)不同傳感器的傳感信號(hào)，按照一定的規(guī)則來調(diào)整機(jī)器人的方位角和速度，使機(jī)器人在巡檢過程中遇到障礙物實(shí)現(xiàn)智能避障。智能機(jī)器人上帶有的檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度、濕度、CH4，CO氣體濃度等參數(shù)測(cè)量，若測(cè)量結(jié)果超限時(shí)可以報(bào)警。該系統(tǒng)還可以智能探測(cè)到人體，更具備實(shí)時(shí)將探測(cè)信息通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程主控中心等功能?？梢约皶r(shí)地了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，為指揮中心提供可靠信息；遠(yuǎn)程控制臺(tái)可以通過無線遙控設(shè)備調(diào)整機(jī)器人狀態(tài)，可以通過遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的控制。

2 運(yùn)動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)

檢測(cè)機(jī)器人選用大功率RP5坦克車體作為底盤，并帶有帶電感的280直流減速電機(jī)和低噪音大扭力減速齒輪組。具有動(dòng)力性能強(qiáng)、底盤穩(wěn)定性高、可原地轉(zhuǎn)圈、轉(zhuǎn)彎靈活等特點(diǎn)。環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人的履帶電機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)使用L293N芯片同時(shí)驅(qū)動(dòng)直流與步進(jìn)電機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)，通過處理器配置PWM產(chǎn)生脈沖的方式來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速[3]。

機(jī)器人運(yùn)行的速度控制也是一個(gè)重點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)，采用霍爾片A3144的作為測(cè)速單元核心。為了提高對(duì)傳感器信息采集的準(zhǔn)確性，提高其抗干擾能力，由霍爾器件電路部分輸出后，經(jīng)光電耦合后，成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。傳感器輸出的信號(hào)和單片機(jī)的計(jì)數(shù)電路兩個(gè)部分隔開，減少計(jì)數(shù)的干擾?？刂泼}沖的計(jì)數(shù)時(shí)間，便可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值?；魻枩y(cè)速電路連接電路如圖2所示。

3 環(huán)境探測(cè)單元設(shè)計(jì)

環(huán)境探測(cè)單元主要完成對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)警。該探測(cè)單元以STM32單片機(jī)為核心器件，搭載SHT11傳感器、MQ?4型CH4傳感器、MQ?7型CO傳感器和DSN?FIR800人體感應(yīng)模塊以及液晶顯示器和語音報(bào)警模塊等組成[4]。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

環(huán)境探測(cè)單元工作原理：傳感器將采集到的環(huán)境信息送給單片機(jī)，單片機(jī)將送來的信號(hào)進(jìn)行處理并通過無線通信模塊發(fā)射給上位機(jī)，監(jiān)測(cè)中心根據(jù)接收到的信息對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)預(yù)警。在本系統(tǒng)中，溫濕度檢測(cè)采用數(shù)字傳感器SHT11實(shí)現(xiàn)，該傳感器接口簡(jiǎn)單只需將串行接口SCK和DATA與單片機(jī)相連即可。由于MQ?7對(duì)CO氣體有很高的靈敏度，MQ?4對(duì)CH4靈敏度較高，設(shè)計(jì)時(shí)，選取MQ?7檢測(cè)CO氣體，MQ?4檢測(cè)CH4氣體濃度。而MQ?4和MQ?7采集到的是模擬信號(hào)但是由于STM32內(nèi)部自帶兩個(gè)A/D，所以設(shè)計(jì)電路時(shí)無需外加A/D即可完成轉(zhuǎn)換。檢測(cè)機(jī)器人在特殊現(xiàn)場(chǎng)有時(shí)需要檢測(cè)是否有人的存在，以便控制中心及時(shí)救援或采取行動(dòng)等特殊任務(wù)。人體探測(cè)電路設(shè)計(jì)采用DSN?FIR800型熱釋紅外傳感器完成。

4 避障導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多傳感器信息處理技術(shù)是對(duì)各個(gè)傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理的過程。單一傳感器獲得的環(huán)境信息可能是局部的、片面的，并且常常有不確定性和較大偏差，多信息處理技術(shù)就是為了更有效地處理、分析多個(gè)傳感器的信息。檢測(cè)機(jī)器人要具有避障功能就必須能感知障礙物的存在，并判斷周圍障礙物的距離，單一傳感器提供的數(shù)據(jù)不能在復(fù)雜多樣環(huán)境下滿足機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的感知要求，因此將多傳感器信息處理技術(shù)用于檢測(cè)機(jī)器人的避障系統(tǒng)中，有效提高了機(jī)器人的避障系統(tǒng)性能[5]。如圖4所示為多傳感器信息處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)根據(jù)所有傳感器的全部信息進(jìn)行計(jì)算和估計(jì)，因此傳感器的選擇是一個(gè)關(guān)鍵問題。超聲波有效測(cè)量值一般在30～400 cm之間，超聲波測(cè)距的“盲區(qū)”為0～30 cm；而紅外線傳感器的探測(cè)距離范圍一般在10～80 cm之間，因此紅外傳感器可以有效彌補(bǔ)超聲波傳感器測(cè)距存在的“盲區(qū)”。傳感器數(shù)量也是一個(gè)關(guān)鍵的問題。如果傳感器的數(shù)量太少，就不能全面反映現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息，所獲得的信息也容易存在失真的問題。如果傳感器的數(shù)量太多，就會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性與冗余性，使系統(tǒng)的執(zhí)行能力變?nèi)酢？紤]到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素，選用超聲波傳感器和紅外傳感器混合使用的方法實(shí)現(xiàn)避障，采用三個(gè)超聲波和三根紅外線傳感器，分別探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人左側(cè)、正前方、右側(cè)障礙物信息，其傳感器的布局如圖5所示。T1～T3代表了超聲波傳感器的安放位置，S1～S3代表了紅外傳感器的安放位置。

這樣布局可以全方位測(cè)得障礙物信息，環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)能夠及時(shí)調(diào)整方向方位。在探測(cè)過程中，多超聲傳感器測(cè)距的串?dāng)_現(xiàn)象：當(dāng)布置的多超聲傳感器共同工作時(shí)，就會(huì)帶來傳感器之間的串?dāng)_現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。采用3路超聲波依次循環(huán)發(fā)射的方法，避免相互間干擾[6]。

本文選用HC?SR04型超聲波傳感器設(shè)計(jì)避障電路。采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μs的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間×聲速[）2]。TRIG為控制端，ECHO是接收端。超聲波模塊與紅外傳感器硬件電路如圖6所示。

5 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制器，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行信息采集與勘測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)主要控制程序有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、電機(jī)測(cè)速、避障導(dǎo)航、無線收發(fā)、顯示及報(bào)警等程序。系統(tǒng)以ARM平臺(tái)采用C語言進(jìn)行程序編寫，編寫時(shí)采用模塊化思想便于后續(xù)改進(jìn)。

5.1 避障導(dǎo)航程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用超聲波傳感器與紅外線傳感器相結(jié)合的方式。當(dāng)障礙物與機(jī)器人的距離小于超聲波測(cè)量范圍內(nèi)時(shí)，完全采用紅外線測(cè)量障礙物距離。當(dāng)障礙物與機(jī)器人距離大于紅外線檢測(cè)最大距離時(shí)采用超聲波傳感檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)障礙物與移動(dòng)機(jī)器人距離在超聲波與紅外線有限檢測(cè)距離之內(nèi)時(shí)，采用多傳感器信息處理技術(shù)獲得障礙物的距離。這兩種傳感器在檢測(cè)到數(shù)據(jù)之后先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)避障導(dǎo)航；利用無線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程平臺(tái)與機(jī)器人之間的通信。避障導(dǎo)航子程序如圖7所示[7?8]。

5.2 避障模糊算法實(shí)現(xiàn)

在檢測(cè)機(jī)器人裝有6個(gè)傳感器：三個(gè)超聲波測(cè)距傳感器和三個(gè)紅外傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人前方、右側(cè)、左側(cè)障礙物距離信息，并把信息作為融合的初值，傳感器分布圖在圖5已給出。

（1） 輸入輸出變量選取。傳感器探測(cè)到的距離用Di（i=1，2，…，6）表示。而機(jī)器人左側(cè)距離DL=min（D1，D2），前方距離DF=min（D3，D4），右側(cè)距離DR=min（D5，D6）。即設(shè)計(jì)的控制器輸入的距離信息為左側(cè)、前方、右側(cè)三個(gè)不同方位的最小的距離信息和目標(biāo)方向等級(jí)G作為模糊網(wǎng)絡(luò)控制器的輸入，選取機(jī)器人輪速為輸出，左輪速度和右輪速度[9]分設(shè)為[vL]和[vR]。

（2） 變量模糊化。根據(jù)傳感器分布和探測(cè)距離的情況，可能存在9種情況的障礙分布情況，分布情況如圖8所示。

本文超聲波測(cè)距范圍為30～600 cm，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析，定義測(cè)得距離0～4.5 m為“遠(yuǎn)”，4.5～6 m為“近”。將測(cè)得的距離信息分成{遠(yuǎn)，近}作為模糊子集，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的論域是[0，6]，相應(yīng)的模糊輸入變量為{far，near}，輸出通過控制機(jī)器人兩輪速度實(shí)現(xiàn){左拐，右拐，前進(jìn)，后退}動(dòng)作，相應(yīng)的模糊語言輸出變量為{TL，TR，F(xiàn)W，BK}，輸出量機(jī)器人的兩輪速的模糊子集為{慢速，正常，快速}，左、前、右方向的障礙物距離信息是控制智能小車轉(zhuǎn)向的主要因素，即當(dāng)小車的行駛方向有較近距離的障礙物時(shí)，就要采取相應(yīng)的避障措施。否則，小車仍以原速度前進(jìn)。

（3） 模糊規(guī)則。結(jié)合9種環(huán)境分類可得機(jī)器人避障控制規(guī)則如表1所示。目標(biāo)相對(duì)機(jī)器人方位可能有5種可能分布，需要構(gòu)造45條模糊規(guī)則并采用Mamdani的最小運(yùn)算規(guī)則計(jì)算出每條規(guī)則的適用度[10]。

采用IF…THEN…模糊條件語句描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制規(guī)則。在Matlab軟件平臺(tái)下通過準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、初始化網(wǎng)絡(luò)、訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)和權(quán)值修正得到訓(xùn)練模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的避障算法。

6 結(jié) 論

本文基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)了環(huán)境巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜的環(huán)境中檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度，可燃?xì)怏w濃度，人體感應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)畫面收集等功能。經(jīng)過測(cè)試表明系統(tǒng)采集信息準(zhǔn)確，能夠在行駛過程中有效地調(diào)制行駛狀態(tài)和速度有效地躲避障礙物，無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定遠(yuǎn)程控制中心數(shù)據(jù)顯示正常并可以完成遠(yuǎn)程無線控制功能。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的環(huán)境適用能力，無線通信成功率高，具有很好的可行性，可以在復(fù)雜地形環(huán)境中運(yùn)行。

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