基于單片機(jī)控制的多功能空地兩用小車(chē)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐倩，康紹鵬，李煜昕，孫文杰，陳俊

(江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213001)

1 引言

移動(dòng)巡視機(jī)器人在人們生活中的廣泛應(yīng)用越來(lái)越常見(jiàn)。無(wú)論是室內(nèi)環(huán)境，如地下停車(chē)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、鏟車(chē)間等，還是室外環(huán)境，如變電站，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用需求都逐漸增加。移動(dòng)巡視機(jī)器人主要在陸地工作較多，對(duì)于觀測(cè)空中工作的情況時(shí)，大多使用無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行巡視。無(wú)論在軍用還是民用的空中領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)巡視都得到了廣泛的應(yīng)用，例如航拍航測(cè)、電力巡視、交通巡查、內(nèi)河航道巡航等[1]。無(wú)論是陸地領(lǐng)域的移動(dòng)巡視機(jī)器人和還是空中領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)都有廣泛的應(yīng)用，但目前市面上既能在陸地移動(dòng)，也能在空中飛行，二者同時(shí)具備的巡視機(jī)器人較少。使用模式單一的巡視機(jī)器人進(jìn)行巡查，難免會(huì)出現(xiàn)因?yàn)檠惨暛h(huán)境復(fù)雜而導(dǎo)致巡查監(jiān)管不全面的問(wèn)題，可見(jiàn)研發(fā)功能多類(lèi)型機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)配合的重要性不可忽視。所以針對(duì)現(xiàn)存市場(chǎng)中巡視機(jī)器人功能較單一的缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款飛行和地面移動(dòng)功能相結(jié)合的多功能空地兩用智能巡視小車(chē)。該型空地兩用巡視小車(chē)具備行駛/飛行切換、遠(yuǎn)程遙控、圖像傳輸、行駛避障、循跡等功能，能夠在低成本、低功耗、可靠性高的情況下解決上述問(wèn)題。該型巡視小車(chē)能夠全適應(yīng)天空和地面環(huán)境，實(shí)現(xiàn)智能化立體巡視監(jiān)測(cè)，并且可以替代巡檢人員進(jìn)入高空及地面危險(xiǎn)區(qū)域高效且安全地完成巡視任務(wù)。該型小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)巡查檢測(cè)具有重要的意義，同時(shí)具有較好的市場(chǎng)需求。

2 多功能空地兩用小車(chē)總體設(shè)計(jì)

空地兩用巡視小車(chē)共有兩大部分組成——地面巡視小車(chē)和四旋翼飛行器，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面巡視小車(chē)的底盤(pán)由高強(qiáng)度光敏樹(shù)脂3D 打印制造而成，可以承受降落帶來(lái)的沖擊。小車(chē)采用麥克納姆車(chē)輪，能夠?qū)崿F(xiàn)全向移動(dòng)，具有極佳的靈活性。同時(shí)巡視小車(chē)也配有紅外傳感器、720P 高清攝像頭、舵機(jī)、WiFi 傳輸模塊等設(shè)備，能夠使小車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、循跡功能，配備的高清攝像頭可以在舵機(jī)的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)高清攝錄，視頻信息通過(guò)WiFi 傳輸模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)App 上便于巡檢人員巡視。飛行器部分沒(méi)有采用固定翼，而是由四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)完成。旋翼飛行器可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)懸停，也可進(jìn)行超低空飛行，方便獲取目標(biāo)地的詳細(xì)影像資料。同時(shí)旋翼無(wú)人機(jī)能夠垂直起降，不需要跑道，對(duì)起飛場(chǎng)地沒(méi)有特殊要求。

圖1 空地兩用巡視小車(chē)整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 多功能空地兩用小車(chē)硬件組成

巡視小車(chē)使用STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)避障循跡操作，通過(guò)L293D 芯片驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī),并且可以通過(guò)藍(lán)牙WiFi模塊控制小車(chē)的運(yùn)行和視頻信息的傳輸[2]。其總體框圖如圖2所示。

圖2 巡視小車(chē)總體框圖

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是能夠使單片機(jī)正常運(yùn)行的最低硬件配置電路，它通常由3部分構(gòu)成包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路，其最小系統(tǒng)電路如圖3所示[3]。

圖3 巡視小車(chē)控制電路最小系統(tǒng)電路圖

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

多功能空地兩用巡視小車(chē)采用麥克納姆輪作為車(chē)輪，使用4 個(gè)直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸入。4 個(gè)直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)兩枚L293D 芯片驅(qū)動(dòng)。該型芯片可提供高達(dá)600mA 的雙向驅(qū)動(dòng)電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3.3 避障循跡模塊

多功能空地兩用巡視小車(chē)車(chē)頭安裝了紅外傳感器，通過(guò)車(chē)頭的紅外傳感器實(shí)現(xiàn)避障循跡功能。紅外循跡傳感器發(fā)射紅外光線，若發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被障礙物反射回來(lái)，此時(shí)避障循跡模塊輸出端將輸出低電平。若發(fā)射的紅外線別障礙物反射回來(lái)，此時(shí)模塊輸出端輸出高電平[4]。單片機(jī)可通過(guò)反射回來(lái)的紅外光來(lái)確定巡視小車(chē)的行駛路線。避障循跡模塊電路如圖5所示。

圖5 避障循跡模塊電路圖

3.4 圖像采集與數(shù)據(jù)傳輸模塊

多功能空地兩用巡視小車(chē)可以通過(guò)其攜帶的高清攝像頭采集圖像，并且可以通過(guò)WiFi 模塊無(wú)線傳輸圖像信息至手機(jī)端App。同時(shí)也可以將手機(jī)作為控制器，利用手機(jī)端App遠(yuǎn)程遙控巡視小車(chē)。手機(jī)端和單片機(jī)協(xié)同操作從而達(dá)到對(duì)車(chē)體的中遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)控制。數(shù)據(jù)傳輸模塊接口電路如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖

3.5 飛行模塊

為實(shí)現(xiàn)巡視小車(chē)的飛行功能，我們?cè)谲?chē)體頂部安裝了一架四旋翼無(wú)人機(jī)，如圖7所示。該型無(wú)人機(jī)有較大的起飛重量可以載重2 公斤飛行至50 米高度。借助無(wú)人機(jī)巡視小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)空中懸停，可更加詳細(xì)地獲取巡視目標(biāo)的圖像資料。且巡視小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降，不需要跑道，對(duì)起飛場(chǎng)地沒(méi)有特殊要求，大大增加了巡視小車(chē)日常使用的便利性。

圖7 四旋翼無(wú)人機(jī)飛行模塊

4 程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)巡視小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制、避障循跡及遠(yuǎn)程遙控等功能，使用C 語(yǔ)言對(duì)51單片機(jī)進(jìn)行編程。巡視小車(chē)采用了麥克納姆輪，因此可以通過(guò)調(diào)整各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左移、右移等運(yùn)動(dòng)方式。以左移為例，其運(yùn)動(dòng)方式如圖8所示，控制程序如下：

圖8 巡視小車(chē)左移運(yùn)動(dòng)圖解

void left_run()

{

IN1=1,IN2=0,IN3=0,IN4=1,IN5=0,IN6=1,IN7=1,IN8=0;

}

通過(guò)單片機(jī)控制左前輪和右后輪反轉(zhuǎn)左后輪和右前輪正轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)巡視小車(chē)的左移運(yùn)動(dòng)。其余的運(yùn)動(dòng)方式與之類(lèi)似。巡視小車(chē)使用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)避障和循跡操作，紅外循跡傳感器發(fā)射紅外光線，若發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被障礙物反射回來(lái)，此時(shí)避障循跡模塊輸出端將輸出低電平。若發(fā)射的紅外線別障礙物反射回來(lái)，此時(shí)模塊輸出端輸出高電平。單片機(jī)可通過(guò)反射回來(lái)的紅外光來(lái)確定巡視小車(chē)的行駛路線，循跡程序流程圖如圖9所示，循跡軌跡使用黑色線條標(biāo)注。安裝在車(chē)體下方傳感器感應(yīng)黑線，若左側(cè)傳感器感應(yīng)到黑線則小車(chē)將向左修正行駛軌跡。若右側(cè)傳感器感應(yīng)到黑線則小車(chē)將向右修正行駛軌跡。

圖9 循跡流程圖

避障程序流程如圖10 所示，避障功能同樣采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)。若左側(cè)傳感器感應(yīng)到障礙物右側(cè)傳感器沒(méi)有感應(yīng)到障礙物則小車(chē)將右移避障。反之若右側(cè)傳感器感應(yīng)到障礙物左側(cè)傳感器沒(méi)有感應(yīng)到障礙物則小車(chē)將左移避障。若兩側(cè)傳感器都感應(yīng)到障礙物則小車(chē)將后退避障[5]。

圖10 避障流程圖

遠(yuǎn)程遙控功能通過(guò)紅外遙控器遙控實(shí)現(xiàn)。按下遙控器上不同的按鍵控制小車(chē)移動(dòng)。遠(yuǎn)程遙控控制程序使用C 語(yǔ)言中的switch()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，程序流程圖如圖11所示。

圖11 遠(yuǎn)程遙控流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

空地兩用智能巡視小車(chē)對(duì)于一些大型障礙物可以快速地進(jìn)行避障操作，但對(duì)一些目標(biāo)較小的障礙物傳感器不能夠精準(zhǔn)識(shí)別。遙控器可以遠(yuǎn)程遙控小車(chē)的運(yùn)動(dòng)且操作指令準(zhǔn)確。對(duì)于傾角較小的坡道巡視小車(chē)有足夠的動(dòng)力通過(guò)。對(duì)于小車(chē)的循跡功能，經(jīng)測(cè)試小車(chē)可按照規(guī)劃的黑色軌跡行駛且運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。對(duì)于信號(hào)傳輸我們也進(jìn)行了大量測(cè)試，結(jié)果顯示車(chē)載攝像頭采集的視頻畫(huà)面延遲很短且十分清晰。經(jīng)過(guò)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)在日常使用時(shí)手機(jī)與巡視小車(chē)之間應(yīng)當(dāng)避免障礙物遮擋，否則將影響畫(huà)面質(zhì)量。對(duì)于飛行功能，同樣在進(jìn)行了大量測(cè)試工作，進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試空地兩用巡視小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)垂直起降，并且可以在空中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定懸停，測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖12 巡視小車(chē)循跡測(cè)試圖

圖13 巡視小車(chē)飛行測(cè)試圖

6 總結(jié)與展望

傳統(tǒng)的巡檢工作量大效率低，市面上普通的巡檢小車(chē)功能單一，本文設(shè)計(jì)的多功能空地兩用巡視小車(chē)既能夠幫助巡檢人員巡視地面區(qū)域，并且可以很好地適應(yīng)立體復(fù)雜環(huán)境，在空中和陸地兩種工況下都能夠正常使用，高效完成工作。小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中可以通過(guò)智能終端設(shè)備傳輸圖像，使我們能夠?qū)崟r(shí)獲取巡視目標(biāo)的圖像信息?？盏貎捎弥悄苎惨曅≤?chē)操作簡(jiǎn)單，顯示直觀。在很大程度上解放了勞動(dòng)力，降低了巡視成本，并且可以在保證巡檢質(zhì)量的前提下提升巡檢工作的效率[6]，具有很大的推廣價(jià)值，市場(chǎng)前景廣闊。