旅游機(jī)器人的設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué)　洪淼淼　蔡　寧

旅游機(jī)器人的設(shè)計(jì)

西北民族大學(xué)洪淼淼蔡寧

當(dāng)前的中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，中國內(nèi)地和中國與世界各地的物流系統(tǒng)都需要大量的人力和物理。如果實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)輸，貨物的自動裝載，可以極大的增加物流的速率和人力的釋放。當(dāng)前世界各國包括中國在內(nèi)的很多國家都在研究自動化運(yùn)輸，讓運(yùn)輸車自動把貨物從一處裝運(yùn)到另一處，整個(gè)過程都不需要人為控制。該設(shè)計(jì)旅游機(jī)器人具有模擬自動行走找到對應(yīng)運(yùn)輸?shù)攸c(diǎn)的特點(diǎn)。

機(jī)器人；運(yùn)輸；自動化

1　機(jī)器人的設(shè)計(jì)任務(wù)及意義

設(shè)計(jì)的機(jī)器人是一個(gè)外形似一個(gè)人站在一輛小車上，并能夠?qū)崿F(xiàn)沿著白線到達(dá)預(yù)先給定的網(wǎng)咖平臺，要求其盡量在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)盡可能多的旅游景點(diǎn)，拿到較多的分?jǐn)?shù)，最后回到自己的“家”（旅游機(jī)器人所在的起始位置）。整個(gè)過程中不能出現(xiàn)較大的偏差，能夠平穩(wěn)的爬坡巡線過減速板順利完成。

旅游機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對自動化運(yùn)輸?shù)奶剿?，整個(gè)過程要求對于沿線方式的探索，如何在速度和穩(wěn)定間找到最佳路線，提高了機(jī)器人自動化控制的高要求，這些都是實(shí)際的自動化運(yùn)輸過程中會遇到的問題，這整個(gè)模擬的過程中提高參與的學(xué)子對自動化控制的興趣，有利于學(xué)科的提高，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

2　機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)功能及組成部分

2.1總體功能

本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)以下一些功能：能夠完成基本的尋白線的功能，按照綠地毯上的白線完成所有景點(diǎn)的游歷；在模擬網(wǎng)咖平臺上實(shí)現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)對應(yīng)角度的功能；有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠在有一定坡度的蹺蹺板和上平臺的坡度上穩(wěn)定上行和下行；能夠判定景點(diǎn)，并且揮動模擬手臂示意；能夠自動識別門，并檢驗(yàn)回“家”的門是否打開。

2.2組成部分

該旅游機(jī)器人由主控制器、電池、舵機(jī)、灰度傳感器、舵機(jī)傳感器、電機(jī)驅(qū)動等組成，以下是對這些部分作一些簡單的介紹：

（1）主控制器：使用高性能32位ARM12內(nèi)核的主控制器，運(yùn)算速度高達(dá)120MHZ。主控器擁有1M程序存儲空間，128k內(nèi)存。擁有6路DO數(shù)字輸出和伺服電機(jī)輸出，有6路電機(jī)驅(qū)動信號輸出，還有22路模擬信號輸入端。

（2）供電電池：使用的是21V的5芯的鋰電池，重量輕，能量力比高，使用壽命長，并具有高功能承受力。

（3）舵機(jī)：使用數(shù)字金屬舵機(jī)，精確度更高。

（4）灰度傳感器：使用抗干擾8通道地面灰度傳感器，輸入電壓最大5V，RS485波特率937500bps。

（5）電機(jī)驅(qū)動：使用2/3通道電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)電源輸入電壓12 至25V，輸出電流最大值：20A，PWM頻率1000至7500HZ，PWM占空比0%至100%。信號輸入電壓3.3至5V。

3　結(jié)構(gòu)與外觀

所設(shè)計(jì)的旅游機(jī)器人在外觀和結(jié)構(gòu)上也各有特色。其結(jié)構(gòu)是使用黃色的環(huán)氧樹脂板制作整體車架，具有高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性的特點(diǎn)，使用大功率的電機(jī)，并且使用的是單邊的驅(qū)動，即同一邊的電機(jī)是同一個(gè)驅(qū)動，一邊的電機(jī)同時(shí)并轉(zhuǎn)同時(shí)停。在前后輪子約一厘米處為八通道地面灰度檢測，根據(jù)地面的反光值的不一樣，判斷車體位置。并且在灰度的下方有兩條保護(hù)的弧形金屬帶，用于保護(hù)八通道灰度，在巡線、爬坡、過蹺蹺板時(shí)不會造成損害。主電池位于車體的正中心，保證車體的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)彎時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)以車體中心為支點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)。車體的前方是四個(gè)紅外距離傳感器，用于檢測與景點(diǎn)的距離等。舵機(jī)電池位于車體的后方，與舵機(jī)位置對應(yīng)，同樣保證重心位于中心。車體小人使用的三個(gè)12g的金屬舵機(jī)，模擬的手臂是使用鋁合金，強(qiáng)度較高，配合著金屬舵機(jī)，可以保證推動景點(diǎn)的觸動板時(shí)不會折斷，并且使觸碰開關(guān)打開。固定車體小人之間使用銅柱，四根銅柱連接金屬架子，金屬架子上固定舵機(jī)小人。使用激光距離傳感器為于舵機(jī)小人下方，時(shí)事在地面反應(yīng)一個(gè)紅色激光小點(diǎn)，用于檢測白線進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。在主電池上方是主控板，方便燒錄軟件和使用各類測試與反饋。

該機(jī)器人還有一個(gè)整體看上去像一輛黃色小車，前面站立一個(gè)小人的外觀結(jié)構(gòu)。如圖1，是該設(shè)計(jì)的整體實(shí)物圖。

圖1　旅游機(jī)器人實(shí)物圖

4　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1硬件系統(tǒng)

使用高性能32位ARM12內(nèi)核的主控制器，控制大功率驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)動輸出，車體前后有8通道的灰度傳感器，實(shí)時(shí)反饋給主控器地面灰度情況用于矯正驅(qū)動輸出。車體前方有四個(gè)距離傳感器，檢測到景點(diǎn)時(shí)向主控反饋1。主控輸出PWM波，控制手部和頭部的舵機(jī)運(yùn)動，在沒有檢測到時(shí)為主控反饋0。激光距離傳感器，用于檢測白線，當(dāng)旋轉(zhuǎn)了180度時(shí)，因?yàn)榘咨途G色的反光度的不一樣激光距離傳感器可以檢測到上平臺時(shí)的白線，反饋給主控，然后停止旋轉(zhuǎn)，達(dá)到正確的位置。電池使用了兩塊電池，分別給主控驅(qū)動供電，還有舵機(jī)供電。

圖2　硬件系統(tǒng)圖

4.2軟件系統(tǒng)

（1）編程語言

使用VJC-MF編譯軟件。JC語言是用于能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的專用開發(fā)語言。 VJC-MF的編程語言實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)C語言的一個(gè)子集，它包括控制語句（for，while，if else）、局部變量和全局變量、數(shù)組、指針、16位和32位整數(shù)以及32位浮點(diǎn)數(shù)。

（2）系統(tǒng)特點(diǎn)

在VJC-MF中，不僅可以用直觀的流程圖編程，也可以使用JC語言編寫更高級的機(jī)器人程序。流程圖和JC語言雙劍合壁，既能領(lǐng)讀者輕松入門，又能夠讓使用者在編程中發(fā)揮大的創(chuàng)造力。VJCMF操作簡便，有活潑明快的圖案和簡短的文字說明?？梢允褂眯蜗蠡哪K， 由頂向下搭建流程圖，搭建流程圖的同時(shí)，動態(tài)生成無語法錯(cuò)誤的JC代碼。流程圖搭建完畢，程序就已經(jīng)編寫完成，可以立即下載到機(jī)器人中運(yùn)行。已入門的讀者可以直接在JC代 碼編輯環(huán)境中編寫程序。VJC-MF 能夠使我們在豐富多彩的機(jī)器人世界里，邊玩邊學(xué)，愉快地掌握許多有用的科技知識。

5　結(jié)語

本文根據(jù)比賽的任務(wù)要求使旅游小車完成了所要求任務(wù)，并且具有很多優(yōu)化設(shè)計(jì)。小車的前后使用了不一樣硬度的橡膠輪子，保證了車體旋轉(zhuǎn)時(shí)車體不會彈的厲害，同時(shí)又保證在過蹺蹺板時(shí)小車打滑減弱，并在下蹺蹺板時(shí)起到一定的減震效果。避免對車體的強(qiáng)烈沖擊；舵機(jī)采用了金屬舵機(jī)，在對景點(diǎn)碰撞時(shí)減輕了舵機(jī)燒掉的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本；使用激光距離傳感器，根據(jù)反光度的不一樣，可以在高角度遠(yuǎn)距離來判定白線的外置，從而在平臺上轉(zhuǎn)彎是也能夠依靠白線判定旋轉(zhuǎn)的角度，使小車的行進(jìn)路線更加精確；直接將車體小人使用銅柱固定，雖然有一定的質(zhì)量，但是強(qiáng)度高，固定住舵機(jī)小人，避免行進(jìn)時(shí)前后的晃動，使其幾乎與主體車架結(jié)合為一體，在轉(zhuǎn)彎和過蹺蹺板時(shí)晃動的程度減少很多。

但是本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人中比以往設(shè)計(jì)做了一些改進(jìn)的地方。舵機(jī)的電源改為獨(dú)立供用，減少對主控電源的消耗，采用穩(wěn)壓模塊輸出5.5v為舵機(jī)供電，電池采用航模專用7.4V 850mah鋰電池，電池經(jīng)久耐用；舵機(jī)小人使用模擬的金屬手臂，強(qiáng)度更加的高，且為半螺旋狀不易彎折，在使用的過程中配合金屬舵機(jī)方便的多，相對之前的較長較重的手臂更為靈活；主電池由尾部橫放改進(jìn)為中間豎放，把主控的位置升高，放于主控下，進(jìn)一步的把車體中心與重心重合利于轉(zhuǎn)彎和上蹺蹺板等。使機(jī)器人更加性能更加優(yōu)化。旅游機(jī)器人的設(shè)計(jì)多我們在生活中可以得到廣泛的應(yīng)用，使運(yùn)輸行業(yè)變得更加節(jié)省時(shí)間，耗費(fèi)人力少，達(dá)到自動化運(yùn)輸目的，使生活變得更加便捷。

［1］郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言程序［M］.北京：電子工程出版社，2009：98-103.

［2］謝自美編著.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測試［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.

［3］黃大志，薛飛，王磊等.旅游比賽用尋跡機(jī)器人的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2012（12）.

注：本文受 國家自然科學(xué)基金資助（項(xiàng)目編號：61263002）。