基于單軸陀螺儀和伺服電機(jī)的交通繪制機(jī)器人在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

李敖

摘要：本文以研究機(jī)器人的路徑規(guī)劃為主要目標(biāo)，研究一種基于單軸陀螺儀和伺服電機(jī)的路徑規(guī)劃機(jī)器人在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用技術(shù)。陀螺儀能提供實(shí)時角度信號，再結(jié)合伺服電機(jī)精確控制機(jī)器人的移動和動作，對機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，并在生產(chǎn)生活中得到應(yīng)用。目前生活中的很多領(lǐng)域涉及到路徑規(guī)劃的運(yùn)用，如智能農(nóng)機(jī)、保安機(jī)器人、家庭吸塵器等。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；路徑規(guī)劃；伺服電機(jī)；陀螺儀；交通標(biāo)識

本文提出的基于單軸陀螺儀和伺服電機(jī)的路徑規(guī)劃機(jī)器人在交通領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，通過此機(jī)器人從事斑馬線、行轉(zhuǎn)標(biāo)志、警戒線等交通標(biāo)識的繪制工作具有可行性。

一、單軸陀螺儀

陀螺儀（gyroscope）是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器，其原理為角動量不滅的理論。陀螺儀主要是由一個位于軸心可以旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成，在動態(tài)中能保持相對跟蹤狀態(tài)。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向，能夠用來感測與維持方向。所以陀螺儀常用作信號傳感器，用于導(dǎo)航、定位等系統(tǒng)。

如圖所示，軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質(zhì)點(diǎn)A向上運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)C則向下運(yùn)動，如其中的子圖2。因為陀螺儀是順時針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點(diǎn)A將會到達(dá)質(zhì)點(diǎn)B的位置。CD兩個質(zhì)點(diǎn)的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點(diǎn)A當(dāng)處于如圖的90度位置的時候會繼續(xù)向上運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點(diǎn)的組合將導(dǎo)致軸在子圖3所示的運(yùn)動平面內(nèi)運(yùn)動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉(zhuǎn)，軸將會在運(yùn)動平面上向左運(yùn)動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運(yùn)動將會向左發(fā)生。在子圖4中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個90度的時候，質(zhì)點(diǎn)C在質(zhì)點(diǎn)A受力之前的位置。C質(zhì)點(diǎn)的向下運(yùn)動現(xiàn)在受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運(yùn)動。傾斜力推軸的力量越大，當(dāng)邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時，另一側(cè)的邊緣推動軸向回運(yùn)動。

實(shí)際上，軸在這個情況下將會在傾斜力的平面上旋轉(zhuǎn)。軸之所以會旋轉(zhuǎn)是因為質(zhì)點(diǎn)AC在向上和向下運(yùn)動的一些能量用盡導(dǎo)致軸在運(yùn)動平面內(nèi)運(yùn)動。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)AC最后旋轉(zhuǎn)到大致上相反的位置上時，傾斜力比向上和向下的阻礙運(yùn)動的力要大。

高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動（歲差運(yùn)動）。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時可加以應(yīng)用。

1、伺服電機(jī)。伺服電機(jī)（servo motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。

伺服主要靠脈沖來定位，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。因伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：一、精度上實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；二、抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對有瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合特別適用；三、低速狀態(tài)下運(yùn)行平穩(wěn)，低速運(yùn)行時不會產(chǎn)生類似于步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)運(yùn)行現(xiàn)象。適用于有高速響應(yīng)要求的場合；四、電機(jī)加減速的動態(tài)相應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)。還有，與其他電機(jī)相比較，伺服電機(jī)發(fā)熱和噪音明顯降低。

伺服電機(jī)主要運(yùn)用于具有有動力源，而且對精度有要求的設(shè)備。如機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機(jī)器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設(shè)備。

2、路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃（Path Planning）指移動機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)某一功能搜尋一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的最優(yōu)或次優(yōu)路徑，該技術(shù)是很多技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和科研價值。

二、機(jī)器人功能設(shè)計

此機(jī)器人的繪制功能主要體現(xiàn)在筆的移動。通過螺旋傳動電機(jī)的運(yùn)行使筆升降達(dá)到提落筆的功能，并通過編程對機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，完成繪制交通標(biāo)識的功能。多次實(shí)驗證明：只要編程程序完整準(zhǔn)確，該機(jī)器人能夠在非極端環(huán)境下勝任繪制任何二維圖形的工作。

1、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計。該機(jī)器人主要由伺服電機(jī)、絲杠傳動裝置、移動底盤、單軸陀螺儀及萬向輪組成。主要由行走、起落筆結(jié)構(gòu)兩部分組成。

第一，行走結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人的移動底盤為雙驅(qū)動輪三點(diǎn)式行走結(jié)構(gòu)，通過編程控制兩驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速差），使機(jī)器人沿著既定路線移動。此種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，而且節(jié)省空間，方便使用。

第二，起落筆結(jié)構(gòu)。通過螺旋傳動裝置完成筆的提升下落功能，再加裝彈簧使之適應(yīng)地面，用如圖示的夾持機(jī)構(gòu)固定繪制工具（筆）。再由伺服電機(jī)控制精確，達(dá)到行駛既定路線完成繪制的功能。

第三，總體結(jié)構(gòu)說明。交通繪制機(jī)器人主要由加裝陀螺儀的雙伺服電機(jī)行走底盤與伺服電機(jī)起落筆機(jī)構(gòu)的配合完成繪制功能，總體在空間上呈三角形，結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定，占地面積較少。

為了簡代控制模型，我設(shè)計了繪制工具的軸線與兩驅(qū)動輪軸線重點(diǎn)相交于一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人在繪制過程中的動作簡單連貫，同時簡化了路徑規(guī)劃算法和編程難度。

希望在不久的將來，該機(jī)器人出現(xiàn)在人們生活的方方面面，幫助人們解決許多問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂學(xué)詩.工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用[J].上海機(jī)械，1980（07）：19-21.

[2] 郭磊，廖啟征，魏世民.用速率陀螺儀實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的角度隨動系統(tǒng)研究——在自行車機(jī)器人的平衡控制中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005（02）：11-13.endprint