移動(dòng)機(jī)器人熱感避障探測(cè)儀

董琦 祖?zhèn)鳂I(yè) 韓冬冬

摘要：近年來(lái)移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展迅速，應(yīng)運(yùn)而生的就是機(jī)器人的自主避障技術(shù)，是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程，應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人的避障傳感器多種多樣，超聲波傳感器、激光測(cè)距雷達(dá)、深度攝像頭、視覺(jué)傳感器等來(lái)輔助機(jī)器人的工作。但是用熱感傳感器來(lái)進(jìn)行避障領(lǐng)域研究還是比較少，利用熱感探測(cè)器將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)行電路信號(hào)可變分析。國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱感避障探測(cè)儀的研究越來(lái)越重視，主要應(yīng)用在機(jī)器自主識(shí)別上。本次課題主要是針對(duì)熱感避障探測(cè)儀在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)生物檢測(cè)上的應(yīng)用配置。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人;熱感避障

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）10-0194-03

1引言

近些年來(lái)，機(jī)器人的運(yùn)用越來(lái)越普遍，涉及自動(dòng)駕駛、救援、貨物運(yùn)送等領(lǐng)域。[1] 機(jī)器人的這種智能化科技的產(chǎn)生，可以說(shuō)是機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域、通信、電路運(yùn)用、等領(lǐng)域多門(mén)工學(xué)學(xué)科共同發(fā)展的一個(gè)綜合性的成果，也是科技進(jìn)步的產(chǎn)物，同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，如果能將移動(dòng)機(jī)器人和熱感避障探測(cè)儀相結(jié)合，那將會(huì)是一個(gè)非常實(shí)用的應(yīng)用。由于移動(dòng)機(jī)器人和熱感避障探測(cè)儀的相關(guān)度不高，所以本文主要從以下幾個(gè)方面研究如何在移動(dòng)機(jī)器人上部署熱感避障探測(cè)儀及其應(yīng)用。

2目標(biāo)設(shè)定

將熱感避障探測(cè)儀部署在移動(dòng)機(jī)器人的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何才能將機(jī)器人和熱感避障探測(cè)儀相結(jié)合并且穩(wěn)定運(yùn)行。自主移動(dòng)化的機(jī)器人是一類擁有多電子控制機(jī)械關(guān)節(jié)，集成驅(qū)動(dòng)器，廣自由度的特點(diǎn)，但是自由度的設(shè)計(jì)、各關(guān)節(jié)的活動(dòng)空間范圍大小、驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力大小、系統(tǒng)耗能都會(huì)有可能成為機(jī)器人在外觀、行動(dòng)能力、行走方式、感應(yīng)靈活度、熱感避障探測(cè)儀正常工作的重要影響因素。

我們所研究的這款不但能滿足能將移動(dòng)機(jī)器人和熱感避障探測(cè)儀相結(jié)合，還能讓熱感避障探測(cè)儀在機(jī)器人上穩(wěn)定工作。因此，我們需要根據(jù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、機(jī)械自由度、機(jī)器人高度等主要影響因素進(jìn)行數(shù)據(jù)接口與探測(cè)儀系統(tǒng)鏈接。要想設(shè)計(jì)出這款探測(cè)儀的難度可想而知。

2.1移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)與探測(cè)儀系統(tǒng)的綜合配置

機(jī)器人的移動(dòng)是從機(jī)器人系統(tǒng)的中央處理器控制相關(guān)任務(wù)進(jìn)程，發(fā)出位置坐標(biāo)變化請(qǐng)求時(shí)開(kāi)始。[2]機(jī)器人的特殊數(shù)字化導(dǎo)航系統(tǒng)通常是通過(guò)系統(tǒng)中央微處理器擬定行程規(guī)劃或路線軌跡，就接命令從而開(kāi)始執(zhí)行位置變化請(qǐng)求指令。行程規(guī)劃需考慮到可選路徑、障礙物在機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)圖中的坐標(biāo)位置、機(jī)器人能做到的功能以及任何相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)。（例如，對(duì)于物流倉(cāng)庫(kù)里的貨物遞送機(jī)器人，遞送位置非常關(guān)鍵。就需要合理規(guī)劃路線）行程計(jì)劃被饋入系統(tǒng)控制器，經(jīng)系統(tǒng)處理器處理生成傳動(dòng)信號(hào)和方向配置文件用于導(dǎo)航方向控制。這些生成的配置文件經(jīng)過(guò)控制器行程規(guī)劃控制舵機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。該運(yùn)動(dòng)通常由探測(cè)儀的輔助檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各檢測(cè)系統(tǒng)均產(chǎn)生反饋信號(hào);反饋的控制器中央處理電路信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生新的行程規(guī)劃指令。這就需要探測(cè)儀將數(shù)據(jù)處理輸出信號(hào)作為饋入控制器的輸入信號(hào)，由機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行這些輸出數(shù)據(jù)信息指令。

開(kāi)發(fā)探測(cè)儀系統(tǒng)的關(guān)鍵在于充分其功能，特別要重視其工作主要內(nèi)容和功能限制。各項(xiàng)功能通常都有明確界定且易于執(zhí)行的指令內(nèi)容，但也會(huì)提出一些需要加以處理的具有更高要求的限定。這是一個(gè)反復(fù)測(cè)試的過(guò)程，即識(shí)別和檢測(cè)，快速處理進(jìn)程的限制同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)新的優(yōu)化。對(duì)于探測(cè)儀應(yīng)當(dāng)更好的數(shù)據(jù)通信接口用于與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的鏈接，更多的是在步行機(jī)器人，和輪式機(jī)器人身上。而探測(cè)儀應(yīng)盡可能小，這樣才能部署到機(jī)器人上。

3機(jī)器人探測(cè)儀位置的確定

人類在工作時(shí)，是利用自己的感覺(jué)器官反饋信號(hào)到大腦，大腦控制身體各部分肌肉的力量大小在自己骨骼和肌腱的承受能力范圍內(nèi)每個(gè)人的承受能力不同。同樣，機(jī)器人也是如此，不同的機(jī)器人采用不同類型的力和力矩傳感器來(lái)模擬人的這種力度大小檢測(cè)，在通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)構(gòu)件的受力情況，確保各個(gè)構(gòu)件在使用過(guò)程中能夠保持正常，從而保護(hù)機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)件不被破壞，是因?yàn)闄C(jī)器人是一個(gè)精度化靈敏度高的機(jī)械，為了防止機(jī)器人和周?chē)h(huán)境物體的碰撞，需要采用壓力傳感器、距離傳感器、觸覺(jué)傳感器等來(lái)避免相互碰撞。這對(duì)探測(cè)儀系統(tǒng)的要求就有所提高與要與這幾類傳感器相互鏈接。機(jī)器人被設(shè)計(jì)的目的是服務(wù)人類，目的為了保護(hù)人類以免其害，解決人類所面臨的危險(xiǎn)處境等。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的情況，可能會(huì)因?yàn)閭鞲衅靼惭b高度不合理或者各類傳感器數(shù)量密度低等原因?qū)е绿綔y(cè)儀無(wú)法準(zhǔn)確獲得周?chē)h(huán)境的數(shù)字信息，無(wú)法做出正確的信號(hào)處理，從而影響機(jī)器人整體的控制，機(jī)器人可能做出不可預(yù)知的動(dòng)作，對(duì)周?chē)h(huán)境造成破壞。探測(cè)儀的傳感器需要根據(jù)機(jī)器人特點(diǎn)全方位判斷傳感器的安裝合理性，不能單純僅僅做信號(hào)處理，需根據(jù)工作環(huán)境的特點(diǎn)研究最恰當(dāng)?shù)谋苷蟼鞲衅髟跈C(jī)器人各個(gè)部位的分配方式。

3.1探測(cè)儀的部件配置

對(duì)于探測(cè)儀首要部件就是傳感器的選擇，其次就是與電路相關(guān)的硬件配置，傳感器精度問(wèn)題是關(guān)鍵的問(wèn)題，對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)傳感器不僅需要精確度高，而且可靠性穩(wěn)定性要好。機(jī)器人在探測(cè)感知系統(tǒng)的輔助下，自主完成人類指定的工作指令，不需要再次人為干預(yù)其行動(dòng)，傳感器就是類似人的各種器官，傳感器的精度決定機(jī)器人的靈敏程度以及工作內(nèi)容的作業(yè)質(zhì)量，傳感器工作不穩(wěn)定或者可靠性低，可能引起機(jī)器人出現(xiàn)無(wú)可預(yù)知的故障，輕者致使工作不能正常執(zhí)行，嚴(yán)重造成生命安全事故。因此傳感器的重要性可想而知，可靠性和穩(wěn)定性是機(jī)器人探測(cè)儀系統(tǒng)必不可少的重要條件。其次系統(tǒng)的抗干擾能力，由于機(jī)器人往往工作在未知的環(huán)境中，并不是在實(shí)驗(yàn)室那種比較理想的環(huán)境中運(yùn)行，因此要求系統(tǒng)整體具有抗電波干擾，振動(dòng)、潮濕、污漬，等惡劣的環(huán)境下干擾能力，要保證探測(cè)儀在電路硬件系統(tǒng)中的正常工作。針對(duì)性的設(shè)計(jì)處在特定環(huán)境下的機(jī)器人，對(duì)探測(cè)儀的體積和安裝方向就有了特定的要求。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)保證滿足電路設(shè)計(jì)基本要求再滿足應(yīng)用電路需求。對(duì)于pcb板上的主要硬件CPU芯片選擇至關(guān)重要，需要選擇一款適合探測(cè)儀并且適合啟動(dòng)的芯片。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于探測(cè)儀的功能設(shè)計(jì)，主要是由兩部分組成的：一部分是用于檢測(cè)傳感器狀態(tài)部分，另一部分是用于傳感器的掃描數(shù)據(jù)處理以及與系統(tǒng)處理器的對(duì)接部分。由于傳感器部分主要用于檢測(cè)環(huán)境變量，對(duì)于探測(cè)儀可以分開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主體部分主要由電路設(shè)計(jì)與單電機(jī)控制板構(gòu)成，進(jìn)行電信號(hào)處理。對(duì)于外部檢測(cè)部分主要由傳感器組成，用于環(huán)境變量檢測(cè)以及數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心。

4.1布置多樣性

多樣性對(duì)機(jī)器人的研究來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。對(duì)于探測(cè)儀而言也是如此，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人不可能僅有一種傳感器來(lái)為機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境的查看，需要各類傳感器進(jìn)行一起工作來(lái)完成機(jī)器人的基本功能，對(duì)于探測(cè)儀而言不單單針對(duì)一類傳感器設(shè)計(jì)，這樣就造成資源的浪費(fèi)，本身機(jī)器人就需要大量的部件組成，對(duì)于探測(cè)儀的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要能兼容各類傳感器的鏈接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此探測(cè)儀的應(yīng)用將移動(dòng)機(jī)器人的上熱感傳感器與其他傳感器的使用效率上大大增加。

4.2電路驅(qū)動(dòng)方案

硬件電路設(shè)計(jì)是進(jìn)行探測(cè)儀設(shè)計(jì)的最底層的設(shè)計(jì)，是整個(gè)探測(cè)儀中核心的部分。它設(shè)計(jì)的好壞決定著整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)定性和可拓展性。本次設(shè)計(jì)的探測(cè)器系統(tǒng)硬件控制電路主要包括兩個(gè)部分，一部分是傳感器的檢測(cè)電路，包括：諧波振蕩電路、信號(hào)放大電路和電磁檢測(cè)線圈、峰值檢波電路，DAC轉(zhuǎn)換器、stm3f407微處理器、LED顯示電路、 聲音警報(bào)電路及開(kāi)關(guān)電源總路等。

STM32是基于ARM? Cortex? M 處理器內(nèi)核的 32位閃存微控制器，，STM32單片機(jī)程序都是模塊化的，為MCU開(kāi)辟了一個(gè)全新的自由開(kāi)發(fā)空間接口相對(duì)簡(jiǎn)單些，因?yàn)樗陨韼Ш枚喙δ?，工作速度也快。STM32 MCU及時(shí)性、融通性能高、數(shù)字信號(hào)處理、功耗低于一身，同時(shí)是一種高度集成的微型化芯片和可開(kāi)發(fā)的功能全面的特點(diǎn)。stm32外設(shè)共有12條DMA信息通道、一個(gè)CRC計(jì)算單元， stm32微控器比stc51芯片功能更強(qiáng)，支持96位唯一標(biāo)識(shí)碼。正是由于stm32芯片的這些優(yōu)勢(shì)，[4]作為智能化芯片對(duì)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理以及穩(wěn)定性有著很大的幫助，并且對(duì)于數(shù)據(jù)處理輸出還能更好地與機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)接。這也是為何選擇新型stm32芯片的原因。

4.3探測(cè)儀的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性

設(shè)計(jì)此款探測(cè)儀對(duì)機(jī)器人的自主移動(dòng)有著非常重要的作用，探測(cè)儀正常工作是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的前提，探測(cè)儀不穩(wěn)定將造成移動(dòng)機(jī)器人的不穩(wěn)定工作與運(yùn)行，其次是傳感器的精準(zhǔn)度問(wèn)題，探測(cè)儀的數(shù)據(jù)來(lái)源就是來(lái)源自傳感器，傳感器不精準(zhǔn)對(duì)于探測(cè)儀的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。傳感器穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)精度能維持在其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)變化的有效范圍以內(nèi)。理論狀態(tài)下，傳感器的特性參數(shù)都不隨時(shí)間變化。但實(shí)際上，隨著產(chǎn)品的長(zhǎng)期應(yīng)用，傳感器是電子化產(chǎn)品，其自身特性會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的影響而發(fā)生輕微改變。這是因?yàn)槊舾性驑?gòu)成傳感器的部件的應(yīng)用造成的電子產(chǎn)品氧化，其特性會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為避免此類問(wèn)題的產(chǎn)生，需選擇產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，定期維護(hù)探測(cè)儀的電子元器件。

移動(dòng)機(jī)器人和人類有著類似點(diǎn)，人類的身體是由我們的皮膚作為保護(hù)，當(dāng)我們的身體接觸到地面時(shí)，皮膚的組織可以起到一定的減震作用，避免的身體內(nèi)部受到嚴(yán)重傷害。因此給探測(cè)儀配備恰當(dāng)?shù)碾娮訙p震器也可以保證探測(cè)儀的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多番查詢資料得到，諧波減震器有著良好的機(jī)器人應(yīng)用性能，這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)的此款探測(cè)儀就能很好地和機(jī)器人本身有機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體。

5探測(cè)儀的設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的影響

機(jī)器人這一新興科技，這個(gè)時(shí)代是屬于它幼年時(shí)代，它的發(fā)展前景廣闊，在中國(guó)，特別在一線城市，機(jī)器人相關(guān)的智能化企業(yè)，也是特別的多都在致力于機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)，但是都是屬于探索前進(jìn)的進(jìn)程中，對(duì)與特定環(huán)境下的機(jī)器人避障已經(jīng)能做到很好，但是對(duì)于常規(guī)環(huán)境下的機(jī)器人避障還都是處在一個(gè)中等偏上的水平，科技化的企業(yè)在當(dāng)今社會(huì)有著很大發(fā)展?jié)摿?，此款探測(cè)儀的研究將推動(dòng)移動(dòng)式機(jī)器人的發(fā)展，在移動(dòng)化機(jī)器人避障領(lǐng)域?qū)⒂兄匾饔?，探測(cè)儀能很好綜合各類傳感器的使用，重點(diǎn)突出熱感避障下的應(yīng)用，很好的應(yīng)用在自主移動(dòng)式機(jī)器人上，通過(guò)合理的技術(shù)修改也可以作為固定式機(jī)器人上的應(yīng)用裝備（汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械臂組裝，產(chǎn)品流水線的工作機(jī)器人），幫助企業(yè)研發(fā)新型移動(dòng)化機(jī)器人。如今，我們的生活中出行機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域，這也對(duì)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展提供了商機(jī)，有些機(jī)器人制造業(yè)廠家看到了機(jī)器人時(shí)代的來(lái)臨，早早開(kāi)始默默為機(jī)器人制造業(yè)改型做準(zhǔn)備，作為制造業(yè)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，機(jī)器人制造業(yè)在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要作用，極大地減少人工體力支出，生活中也可以輔助人們操作作業(yè)，機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)正在一點(diǎn)點(diǎn)展現(xiàn)在人們的眼前，這也吸引了越來(lái)越多的人關(guān)注機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。如今智能化機(jī)器人高速發(fā)展，機(jī)器人制造業(yè)借助這個(gè)時(shí)代帶來(lái)的機(jī)遇，快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的更新?lián)Q代，促進(jìn)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

本次課題的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)熱感避障探測(cè)儀在自主化運(yùn)動(dòng)機(jī)器人上應(yīng)用的配置。將此設(shè)計(jì)探測(cè)儀配置在機(jī)器人身上，可以更好地輔助機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)能力。根據(jù)對(duì)傳感器，物理電路的研究，以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的需要研究，我們確定所需要的熱感傳感器、CPU選擇，電路設(shè)計(jì)方案，減震器的選擇，以及機(jī)器人對(duì)探測(cè)儀位置要求進(jìn)行確定選擇，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】