自主導(dǎo)航巡邏機器人的行走系統(tǒng)研究及其實際應(yīng)用

趙麗 山西工程技術(shù)學(xué)院機械電子工程系

采用CCD定位監(jiān)控系統(tǒng)以及依賴保安進(jìn)行巡邏，不符合當(dāng)前夜間保安需求。應(yīng)采用巡邏機器人行走進(jìn)行有效的定點監(jiān)控、定時巡邏從而解決了在一些公告場所保安巡邏的問題。

1 自主導(dǎo)航巡邏機器人的行走系統(tǒng)機構(gòu)

根據(jù)實際使用需求，設(shè)計巡邏機器人車架盤下方應(yīng)安裝同軸驅(qū)動輪2個，電機減速比16、直流減速為24V電機驅(qū)動，400r/min作為減速后轉(zhuǎn)速。應(yīng)安裝200脈沖／轉(zhuǎn)直流電機高速的軸端光電編碼器，根據(jù)光電編碼器逐漸完成檢測電機轉(zhuǎn)速。還應(yīng)該在機器人車架底盤四個角處布置無動力驅(qū)動4個萬向輪，具備一定的穩(wěn)定性。在運行時如出現(xiàn)2個方向以及轉(zhuǎn)速都相同情況，導(dǎo)航巡邏機器人應(yīng)以直線進(jìn)行行走，如果出現(xiàn)電機速度相同，但是兩個方向不同運動，自主導(dǎo)航巡邏機器人進(jìn)行零半徑轉(zhuǎn)彎。

2 行走機器人的行走系統(tǒng)

2.1 機器人循線系統(tǒng)

針對巡邏機器人的行走場地，應(yīng)在地板上面進(jìn)行粘貼帶有白色PVC膠帶，在使用時一般會選擇日本歐姆龍公司的產(chǎn)品，具備光源反射時以及具備辨色差傳感器地面膠帶方向。其型號是E3XR-CE4，其中安裝的傳感器在巡邏機器人車架盤下，并使光電檢測方向頭朝在地面，當(dāng)出現(xiàn)地板上沒有進(jìn)行粘貼具備的白色膠帶情況，應(yīng)該進(jìn)行光電開關(guān)輸出信號，作為低電平。如果地面上顯示白色顏色，應(yīng)該采用光電開關(guān)進(jìn)行輸出信號并應(yīng)為高電平。針對主驅(qū)動的兩個輪置在巡邏機器人的中心，當(dāng)需要巡邏機器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時，巡邏機器人應(yīng)該進(jìn)行白線和中心進(jìn)行交叉重合。為了使巡邏機器人能夠在后退以及前進(jìn)時能夠保障沿著導(dǎo)航巡邏進(jìn)行行走，應(yīng)將光電傳感器安裝在巡邏機器人的前后。為了使巡邏機器人可以在準(zhǔn)確的位置，還應(yīng)將具備光電傳感器安裝在巡邏機器人的兩邊，還應(yīng)將具備光電的傳感器安裝在巡邏機器人的四周位置。將光電開關(guān)應(yīng)安裝在巡邏機器人車架底盤下方，安裝數(shù)應(yīng)為14個。

在給機器人進(jìn)行安裝時，應(yīng)該根據(jù)光電傳感器的實際使用需求進(jìn)行，應(yīng)注意傳感器之間距離，并保持光電傳感器的側(cè)頭與地面之間的距離。當(dāng)巡邏機器人進(jìn)行行走時候，導(dǎo)航巡邏機器人應(yīng)該在白線的上方，機器人的前后具備的光電傳感器應(yīng)該具備輸出高電平的光電傳感器。當(dāng)機器人前方具備的開關(guān)的右側(cè)或者是左側(cè)作為光電傳感器的輸出高電平，表明了巡回機器人出現(xiàn)脫離了白線的情況，應(yīng)該及時的進(jìn)行相應(yīng)的減速；當(dāng)巡回機器人在行走時的位置是正常的情況，可以加速前進(jìn)的速度。如果巡回機器人位置快到達(dá)交叉線的位置，巡回機器人應(yīng)該有效的降低行走的速度。應(yīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整機器人行走的狀態(tài)，通過對機器人行走位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，可以幫助機器人對準(zhǔn)交叉線，有效的減少偏差情況的出現(xiàn)。在進(jìn)行設(shè)置巡回機器人循線系統(tǒng)時，應(yīng)該對巡回機器人進(jìn)行對準(zhǔn)交叉線。在控制巡回機器人行走時，應(yīng)該采用光電編碼器以及光電開關(guān)循線系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的測量，并進(jìn)行電機轉(zhuǎn)速有效控制，從而逐漸完成自主導(dǎo)航巡回機器人直線進(jìn)行行走。

2.2 超聲波的測障系統(tǒng)

首先應(yīng)該采用測障原理，通過超聲測障方式進(jìn)行渡越時間法，根據(jù)測量超聲波接收以及發(fā)送測量障礙物距離和時間差。巡回機器人在方向上前進(jìn)或者是后退都應(yīng)該按章超聲波一對的換能器，并將單片機進(jìn)行定時向發(fā)射機做好發(fā)出控制信號裝置，并啟動其動定時器。通過換能器轉(zhuǎn)換成為超聲波信號，并朝前方進(jìn)行發(fā)射。收到的超聲波傳播信號，并在傳播的過程當(dāng)中遇到了障礙物以后，應(yīng)進(jìn)行反射回波。通過接受反射波信號后，使信號經(jīng)過濾波、放大、對比以及整流后逐漸成生負(fù)脈沖觸發(fā)單片中斷外部。根據(jù)采用這種方式，有效的測量機器人行走前方路線是否存在著障礙物，并詳細(xì)的了解機器人和障礙物之間的距離。其次設(shè)計機器人行走硬件系統(tǒng)，超聲波測障系統(tǒng)主要包括了顯示、溫度測量、時間測量、接受回波信號處、超聲波發(fā)送以及微機控制六部分組成。

3 機器人的行走系統(tǒng)功能驅(qū)動

首先機器人的行走系統(tǒng)電機驅(qū)動電路，針對巡邏機器人電機是根據(jù)24v直流電機，應(yīng)該使用24v直流電源，在單片機的選擇上應(yīng)該采用電平TTL，并有效的完成了直流電機可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。根據(jù)電路完成巡邏機器人可以向前、向后、暫停等行走功能。通過雙直流電機驅(qū)動有效的完成了巡邏機器人向前、向后以及進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作，在巡邏機器人向前或者向后時應(yīng)該相應(yīng)的進(jìn)行加速或者進(jìn)行減速，有效的避免降低機器人的穩(wěn)定性能，避免出現(xiàn)在行走時出現(xiàn)翻倒或者打滑現(xiàn)象，從而完成無極調(diào)速。在調(diào)速直流電機時，應(yīng)該根據(jù)PWM方法有效的來完成，PWM方法可以有效對開環(huán)進(jìn)行控制，但是不能實際的進(jìn)行直流電機轉(zhuǎn)速，巡邏機器人在行走的過程當(dāng)中如果遇到了一些障礙物時，可能會導(dǎo)致巡邏機器人逐漸的偏離白線，遇到這種情況時應(yīng)該及時的采用電機轉(zhuǎn)速檢測裝置采用閉環(huán)控制。根據(jù)光電編碼完成單片機控制，有效實現(xiàn)了目標(biāo)速度，在進(jìn)行安裝光電編碼的過程中應(yīng)安裝在高速軸上，有效的控制了電路并可以控制電機轉(zhuǎn)速。

4 機器人的行走控制系統(tǒng)

巡邏機器人的行走控制系統(tǒng)主要是根據(jù)分散式控制方法完成，通過系統(tǒng)超聲波測障下位機以及2各行走伺服下位機共同組成，采用主控機實現(xiàn)巡邏機器人協(xié)調(diào)控制、進(jìn)行分析和計算機器人的運動有關(guān)策略等各個部分。逐漸實現(xiàn)行走伺服下位機巡邏機器人的行走系統(tǒng)控制，主要包含了巡邏機器人行走、轉(zhuǎn)彎以及急停，通過采用超聲波有效的測量巡回機器人與在行走的過程當(dāng)中遇到的障礙物之間的距離，以及行走的過程中檢測是否存在著障礙物，全面的分析巡邏機器人運動策略。當(dāng)巡邏機器人在行走時遇到了障礙物情況，應(yīng)根據(jù)超聲波進(jìn)行測量遇到的障礙物與機器人之間的距離，并傳達(dá)到主控機上，根據(jù)有效的運算決策控制了巡邏機器人行走方向，前進(jìn)或著時后退以及暫停。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文通過詳細(xì)的研究自主導(dǎo)航巡邏機器人的行走系統(tǒng)，主要包括了行走驅(qū)動系統(tǒng)、自主導(dǎo)航系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。根據(jù)在時間進(jìn)行試驗得到了良好的運行效果，在進(jìn)行實驗時可以看出巡邏機器人行走的性能。巡邏機器人應(yīng)用范圍廣泛，可以用于在辦公樓進(jìn)行保安巡邏工作以及晚間在超市進(jìn)行保安工作等。