祁冰

（河南新飛電器有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）

基于STC89C52RC單片機(jī)控制的樓宇巡視機(jī)器人設(shè)計(jì)

祁冰

（河南新飛電器有限公司，河南新鄉(xiāng)453000）

對樓宇巡視機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并初步研究了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)借助四輪結(jié)構(gòu)的移動底盤實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人各方向的運(yùn)動及轉(zhuǎn)彎，并采用STC89C52RC單片機(jī)完成了對樓宇巡視機(jī)器人的底盤和攜帶視頻記錄模塊的云臺的控制。經(jīng)過試驗(yàn)，通過控制云臺的旋轉(zhuǎn)、升降等動作，樓宇巡視機(jī)器人完成了基本巡視、記錄的任務(wù)，該機(jī)器人可初步代替安保人員進(jìn)行樓宇環(huán)境的日常巡視工作。

樓宇巡視機(jī)器人；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)；模塊化；STC單片機(jī)

近年來，機(jī)器人在人類生產(chǎn)和生活中應(yīng)用越來越廣泛，人們對很多服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)行了廣泛的研究和開發(fā)，并應(yīng)用于家庭服務(wù)、安全保障等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，我國也接連出臺各項(xiàng)政策，旨在推動人工智能在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、環(huán)保事業(yè)、國家安全等方面的應(yīng)用[1]，因此服務(wù)機(jī)器人將不可避免地被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其一重要的領(lǐng)域便是樓宇內(nèi)的巡視。機(jī)器人作為新一代生產(chǎn)和服務(wù)工具，在制造領(lǐng)域和非制造領(lǐng)域都具有重要的地位，作為信息化、自動化的設(shè)備，在智能樓宇領(lǐng)域應(yīng)起到一定的作用。將服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用于智能樓宇系統(tǒng)，將有效地提高智能樓宇系統(tǒng)的便捷化和信息化水平。

由于樓宇內(nèi)的環(huán)境相對狹窄、擁擠，這就要求了樓宇巡視機(jī)器人能夠在此狹窄的環(huán)境下快速、靈活運(yùn)動，這也是樓宇巡視機(jī)器人在研究和設(shè)計(jì)方面的難點(diǎn)之一[2]。因此，所設(shè)計(jì)的樓宇巡視機(jī)器人不但要保證移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)科學(xué)合理，而且還要確保能滿足巡視機(jī)器人實(shí)現(xiàn)巡視等功能。

1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樓宇巡視機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)有車架底盤、可升降旋轉(zhuǎn)的云臺，包括驅(qū)動電機(jī)、控制板、電池和車輪等部分，這些是構(gòu)成整個(gè)樓宇巡視機(jī)器人的主體，本設(shè)計(jì)目標(biāo)要求車速不低于0.12 m/s，連續(xù)作業(yè)時(shí)間1.5 h，云臺可升高度大于0.4 m、俯仰角度±30°、滾動角范圍為±30°.

1.1 底盤結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用兩輪差動運(yùn)動機(jī)構(gòu)[3]，如圖1所示。左右兩輪獨(dú)立驅(qū)動，前后輪輔助，其中，前輪為一個(gè)加裝編碼器的舵輪，后輪為一個(gè)平衡輪，用以保持穩(wěn)定。選取直流力矩電機(jī)電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)兩個(gè)輪子速度相等時(shí)，機(jī)器人直線前進(jìn)或后退；當(dāng)兩個(gè)輪子產(chǎn)生速度差時(shí)，機(jī)器人轉(zhuǎn)彎；前后輪為輔助輪，轉(zhuǎn)彎時(shí)不易打滑，前輪是一個(gè)加裝編碼器的萬向舵輪，用以測速；后輔助輪，用以調(diào)節(jié)平衡、增強(qiáng)穩(wěn)定性、增大載重。當(dāng)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)半徑為零時(shí)，可以圍繞車體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這種設(shè)計(jì)有利于機(jī)器人在狹窄的環(huán)境中工作。為了保持車身的強(qiáng)度和剛度及滿足減輕重量的要求，保證車體在行進(jìn)和加速時(shí)不會出現(xiàn)問題，綜合考慮，車架采用鋁合金材料，下部存放鋰電池、控制器、上部安裝云臺。表1所示為底盤的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 差動運(yùn)動機(jī)構(gòu)示意圖

表1 底盤的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 云臺機(jī)構(gòu)

云臺由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)、仰俯和滾動機(jī)構(gòu)協(xié)同完成視頻記錄模塊的運(yùn)動。其上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由直流伺服電機(jī)連接一個(gè)減速器組成，控制回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)動作。

1.2.1 回轉(zhuǎn)和升降機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是云臺上的重要組成部分，主要是由直流伺服電機(jī)連接一個(gè)減速器，進(jìn)而控制回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)動作。鑒于本文中機(jī)器人的功能要求，在升降機(jī)構(gòu)的選用上選擇絲杠螺母結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)，首先是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，并且平穩(wěn)性好，可靠性也很高，對于本研究的機(jī)器人完全適用，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)如表2所示，升降機(jī)構(gòu)主要參數(shù)如表3所示。

表2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

表3 升降機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

升降機(jī)構(gòu)的選用上選擇絲杠螺母升降結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，并且平穩(wěn)性好，可靠性也很高，對于要求不高的樓宇巡視任務(wù)機(jī)器人完全適用。1.2.2仰俯和滾動機(jī)構(gòu)

本文選擇直流力矩電機(jī)作為底盤驅(qū)動電機(jī)，和其它類型電機(jī)相比，直流力矩電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速度范圍較寬、運(yùn)行后的速度比較平穩(wěn)、有較大的負(fù)載能力和過載能力、響應(yīng)速度快等。利用直流電機(jī)帶動仰俯機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，安裝在仰俯機(jī)構(gòu)上的混合式步進(jìn)電機(jī)為滾動機(jī)構(gòu)的滾動提供動力。為了保證仰俯機(jī)構(gòu)運(yùn)動的精度，加裝一個(gè)編碼器。同時(shí)，在滾動機(jī)構(gòu)上安裝一個(gè)視頻采集模塊用以采集視頻。兩個(gè)機(jī)構(gòu)間相互配合，共同完成巡視任務(wù)。

1.2.3 舵輪機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中的舵輪起支撐作用，不產(chǎn)生驅(qū)動力。由于舵輪在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)不易打滑，所以選用總高度合適即可，在輪軸處安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器用來測量轉(zhuǎn)速。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，使其與轉(zhuǎn)向軸中心線之間保證20 mm的偏心距，以保證機(jī)器人能轉(zhuǎn)向靈活。

2 控制方案

本方案使用的STC89C52單片機(jī)作為智能小車的控制器，主要考慮到其強(qiáng)抗干擾能力較強(qiáng)、運(yùn)算速度高、并且功耗較較低的特點(diǎn)[4]。使用12 V直流鋰電池為控制模塊供電，24 V的為電機(jī)供電，選用容量充足的電池，單次充電應(yīng)滿足2 h以上的運(yùn)行要求。

控制系統(tǒng)由底盤伺服模塊、云臺伺服模塊和中心控制模塊組成，通過485總線和PC之間連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理。最重要的是中心控制模塊，它負(fù)責(zé)接收PC傳輸?shù)闹噶?，并下發(fā)給底盤伺服系統(tǒng)?？旌驮婆_控制系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)PC對機(jī)器人的控制，并實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人所在的方位和方向以及速度。

2.1 底盤伺服模快軟件設(shè)計(jì)

底盤伺服驅(qū)動模塊的作用非常重要，它直接關(guān)乎著機(jī)器人移動的準(zhǔn)確定、靈活性和穩(wěn)定性。它用來接收由中心控制模塊發(fā)出的各種指令，準(zhǔn)確的完成對應(yīng)的動作，并將執(zhí)行后的結(jié)果反饋給中心控制模塊。其主要工作流程為：由伺服驅(qū)動模塊發(fā)出PWM指令信號，再由H橋驅(qū)動底盤上電機(jī)的運(yùn)動，產(chǎn)生速度信號，并由光電編碼器記錄并將信號返回到伺服控制模塊；通過I/O口，紅外傳感器的開關(guān)直接和底盤伺服?？焐系膯纹瑱C(jī)進(jìn)行信息交流[5]，底盤控制模流程圖如圖2所示。

圖2 底盤驅(qū)動模塊流程圖

2.2 云臺驅(qū)動模塊軟件設(shè)計(jì)

云臺控制模塊集成著視頻記錄模塊，決定著樓宇巡視機(jī)器人巡視和記錄工作完成的好壞。和上文中敘述的底盤控制模塊類似，它用來接收由中心控制模塊發(fā)出的各種指令，完成對應(yīng)的動作，并將執(zhí)行后的結(jié)果反饋給中心控制模塊。其主要工作流程為：由伺服驅(qū)動模塊發(fā)出PWM指令信號，由H橋驅(qū)動底盤上電機(jī)的運(yùn)動，由光電編碼器記錄速度信號，并將信號返回到伺服控制模塊；通過I/O口，云臺上的行程開關(guān)直接和底盤伺服?？焐系膯纹瑱C(jī)進(jìn)行信息交流。

2.3 中心控制模塊軟件設(shè)計(jì)

中心控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的大腦，擔(dān)負(fù)著向其它子控制模塊發(fā)送指令、處理子模塊傳送來的數(shù)據(jù)的任務(wù)，是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心。

中心控制模塊要具有兩個(gè)主要功能，分別是實(shí)現(xiàn)與PC之間的數(shù)據(jù)通訊功能和與底盤伺服驅(qū)動及云臺伺服驅(qū)動模塊間進(jìn)行通訊的功能。這要求中心控制模塊可以不間斷的接收來自PC的指令，并且可以檢查指令正確與否，如果正確，則將指令發(fā)送給各子控制模塊；如果不正確，則自動放棄該指令，等待PC發(fā)出的下一條指令。

3 實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)本文所選單片機(jī)的工作性能和所采取左右兩輪驅(qū)動方式的可行性，在實(shí)驗(yàn)室對上述兩項(xiàng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)中，使用了本文所選用的STC89C52單片機(jī)作為智能小車的控制器，小車的驅(qū)動方式采用上述設(shè)計(jì)的左右兩輪驅(qū)動，前后兩輪輔助的方式；底盤簡化為一個(gè)底板，用2節(jié)3.7 V可充電鋰電池模擬機(jī)器人底盤電源，2個(gè)1∶48比速的強(qiáng)磁抗干擾減速電機(jī)模擬機(jī)器人底盤的驅(qū)動電機(jī)。

由于本次實(shí)驗(yàn)不檢測編碼器的性能，省去了加裝編碼器的前輔助輪，將后面輔助輪位置向后稍移，使小車重心落在在三個(gè)輪子之間。同時(shí)為了測試超聲波避障模塊和光電感應(yīng)模塊的敏感度，在實(shí)驗(yàn)小車的底盤上預(yù)留了必要的接口位置[5]。實(shí)驗(yàn)所用電路板的實(shí)物圖和組裝完成的小車實(shí)物圖分別如圖3和圖4。完成上述內(nèi)容后，向單片機(jī)中寫入各種實(shí)驗(yàn)程序，觀察實(shí)驗(yàn)小車運(yùn)行的穩(wěn)定性和操控性，以此對單片機(jī)的性能和左右兩輪驅(qū)動的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)用電路板

圖4 實(shí)驗(yàn)小車實(shí)物圖

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，STC89C52RC型單片機(jī)對各程序的執(zhí)行靈敏迅速，完全滿足所需的性能要求，采用左右兩個(gè)輪子為底盤提供動力，前后兩個(gè)輪子輔助的驅(qū)動方式，不但可以很好的完成轉(zhuǎn)彎、倒退等動作，而且轉(zhuǎn)彎半徑小，運(yùn)行起來也可以很好的保證車體的穩(wěn)定，基本滿足樓宇巡視機(jī)器人的工作要求。

4 結(jié)論

在以上機(jī)械結(jié)構(gòu)的支持下，以STC89C52RC單片機(jī)為主控制器，這種機(jī)器人的系統(tǒng)，基本完成了預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了移動平臺各方向的運(yùn)動及轉(zhuǎn)彎，云臺可以實(shí)現(xiàn)、旋轉(zhuǎn)、升降等動作。

雖然STC89C52RC單片機(jī)的性能很強(qiáng)，但畢竟有限，尚不能完成最機(jī)器人運(yùn)動的導(dǎo)航推算，后續(xù)可以考慮性能更高的單片機(jī)，比如AVR單片機(jī)等，提高微控制器的運(yùn)算性能，經(jīng)過功能拓展后，可以使機(jī)器人具備發(fā)現(xiàn)可疑人員后自動跟送的能力[6]。不久的將來，各種各樣的機(jī)器人將是人們生活中不可或缺的伙伴，樓宇巡視機(jī)器人將是其中一顆閃亮的星星，它將代替安保人員，為各種樓宇環(huán)境、大型展廳等提供嚴(yán)密、可靠的巡視和記錄服務(wù)。

[1]肖南峰.服務(wù)機(jī)器人[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[2]臧紅彬.適應(yīng)于樓宇環(huán)境下運(yùn)行的新型機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械傳動，2016，40（01）：82-89.

[3]熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.

[4]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：13-15.

[5]肖鵬.變變電站智能巡檢機(jī)器人云臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2012（01）：105-108.

[6]張燕.移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制機(jī)器人，2017，30（01）：18-20.

Design of Building Inspection Robot Based on STC89C52RC MCU Control

QI Bing
（Henan Frestech Electrical Appliance Co.，Ltd.，Xinxiang Henan 453000，China）

In this paper，the main mechanism of building inspection robot is designed，and the control system of the robot is preliminarily studied.With the help of four-wheel structure mobile chassis，the movement and turning of the robot are realized，and the chassis of building inspection robot and the ptz control with video recording module are completed by STC89C52RC.Through the test，through the rotation and lifting of the ptz，the building patrol robot has completed the basic patrol and record tasks，which can initially replace the security personnel for the daily inspection of the building environment.

building inspection robot；mechanical design；control system；modular；C51 MCU

TP242

A

1672-545X（2017）06-0044-03

2017-03-19

祁冰（1981-），男，河南滑縣人，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：電氣自動化。