基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)智能清障救援機器人設(shè)計

金泓旭，李紅雙

（沈陽航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院，沈陽 110136）

0 引言

目前我國有70多個縣區(qū)受到泥石流的威脅，發(fā)生泥石流之后，對當?shù)厣a(chǎn)生活造成了極大影響。首要任務(wù)就是精確、高效地發(fā)現(xiàn)被大碎石阻斷的交通道路并盡快清理阻障為救援人員開通路線。傳統(tǒng)的清障救援機器人需要人為設(shè)計前進路線，在工作過程中需要人工干預(yù)。機器人本身存在定位精度低及實時性差等問題會導(dǎo)致其救援效率低，救援進展慢。目前由我國自主設(shè)計研發(fā)的中國北斗一號衛(wèi)星高空導(dǎo)航系統(tǒng)具有定位功能、授時功能，短報文通信功能可全天候、全天時地提供衛(wèi)星導(dǎo)航信息和短信息輸送服務(wù)[1]，此外還有很強大的自主判斷能力，具有處理速度快、準確性高、覆蓋面積最廣、高度自動化等優(yōu)點[2]，在軍事、救援等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代作用。

針對現(xiàn)階段清障救援機器人救援效率低、救援進展慢的問題，結(jié)合北斗系統(tǒng)特點，提出了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的智能救援清障機器人，通過北斗導(dǎo)航的精確定位和高效的視頻信息輸送效率，可以實現(xiàn)實時更新網(wǎng)聯(lián)地圖，利用CPU的運算與模糊控制理論相結(jié)合去尋找去往目的地的最優(yōu)解，并將其規(guī)劃好的路線發(fā)送至救援人員的移動端。通過自動篩選系統(tǒng)，將信號傳給中央處理器，再由處理器發(fā)出清障指令來控制機械爪完成清障作業(yè)，提高救援效率。圖1所示為智能小車整體設(shè)計。

圖1 整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

1 定位系統(tǒng)設(shè)計

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，北斗GPS定位系統(tǒng)在智能清障領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用，由我國自主設(shè)計的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位、授時的能力，其所具備的短報文通信系統(tǒng)通信實時性高、覆蓋范圍廣、傳輸安全可靠[3]，通過短報文通信裝置可以實現(xiàn)每次560比特的定位終端和北斗地面服務(wù)站雙向通信，以此可以減少裝入通信系統(tǒng)，提高中央處理器的運算效率。

我們將基于STM32的高精度北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)模塊加裝入機身?？紤]到在受災(zāi)環(huán)境下工作，機體可能會出現(xiàn)晃動，導(dǎo)致出現(xiàn)定位不準或者模糊定位的現(xiàn)象，因此設(shè)計過程中在定位模塊旁加裝舵機，通過舵機推算進行輔助定位。首先小車內(nèi)置定位發(fā)射模塊，同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)射出信號來測量小車與衛(wèi)星之間的距離，再由小車定位模組接收衛(wèi)星的感知信號。中央處理器將通過接收這兩段信號，來開啟模糊定位，此時小車已獲得自身模糊位置。中央處理器再次調(diào)控定位模塊與舵機，讓發(fā)射器向第三顆衛(wèi)星發(fā)射信號，找到3個半徑交點的位置，確定小車的精確位置。中央處理器通過基于北斗短報文通信模塊，將交點的位置以經(jīng)緯度坐標的形式通過服務(wù)器發(fā)送至遠程控制單位及救援人員移動端上，實時更新網(wǎng)聯(lián)地圖。圖2為定位系統(tǒng)工程流程圖。

圖2 定位系統(tǒng)工程流程

2 自動篩選功能設(shè)計

2.1 自動系統(tǒng)概述

智能篩選（如圖3），主要是指能夠感知周圍環(huán)境并利用其對外界信息進行處理，從而做出相應(yīng)動作并且執(zhí)行特定作業(yè)任務(wù)，實現(xiàn)自動化工作。本功能采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)作為智能避障小車的自動識別模塊，該技術(shù)是基于定位與機器人控制，具有高精度、低價格和實時性等特點。其基本組成包括：外部傳感器——超聲波傳感器，篩選攝像頭，小車上安裝的障礙物角測量電路及其輔助探測元件。

圖3 篩選系統(tǒng)原理圖

2.2 自動工作原理

中央處理器通過對周圍聲波信號中的矢量函數(shù)進行運算，來確定周圍任何障礙物的方向，以及判斷周圍區(qū)域是否還存在其他障礙物，使中央處理器發(fā)出相應(yīng)情況的指令，使小車實現(xiàn)正確篩選、避障等多種功能。產(chǎn)品設(shè)計時在每臺小車的前方甲板上裝有超聲波傳感器。當傳感器開始進行工作時，會實時探測小車前面1 m左右范圍，若在這個區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)障礙物，超聲波將會在障礙物表面發(fā)生反射，將會由接收端開始接收反射聲波信號，再由中央處理器通過處理超聲波離開和返回超聲波探頭的渡越[4]，來計算小車與障礙物之間距離，在線篩選攝像頭，物體捕捉攝像頭發(fā)出工作指令。

2.3 自動工作方案

CPU先控制篩選攝像頭開始運作，篩選攝像頭將開始拍攝并判斷前方物體是否定性為障礙物。確定為障礙物后，物體捕捉攝像頭將向中央處理器上傳圖像。中央處理器會自動開啟抓取模式，通過圖像來判斷物體的大小并控制機械爪的開合。再通過機械爪的定位模塊向處理器提供石塊具體位置，中央處理器將控制機械爪精準抓取下面石塊，由此來實現(xiàn)一次工作周期。

3遠程操作系統(tǒng)設(shè)計

3.1 遠程操作系統(tǒng)概述

本設(shè)計采用的是以單片機作為核心控制器件實現(xiàn)控制操作平臺系統(tǒng)的操控和管理功能及模塊化設(shè)計。當中央處理器無法準確作出判斷時，此時操作系統(tǒng)發(fā)出提示，并進行人工操作將原自動化操作系統(tǒng)變?yōu)榘胱詣踊?，進行人為遠程操作來完成相關(guān)救援作業(yè)。

3.2 遠程操作系統(tǒng)工作原理

當開始進行遠程操作時，控制端的顯示器上會顯示環(huán)境信息和機器人姿態(tài)信息，實現(xiàn)用戶操作指令等功能[5]，小車先通過超聲波傳感器和篩選攝像頭這兩種傳感器來采集數(shù)據(jù)判斷現(xiàn)場情況。先通過超聲波傳感器來判斷前方存在物體，向中央處理器傳遞信息。處理器再控制篩選攝像頭，捕捉攝像頭開啟，通過對物體視覺信號的分析，將前方物體的體積、輪廓等相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至遠程控制端，將前方障礙物圖像顯示在屏幕上，在圖像旁邊有顯示機械爪開合度、升降高度等相關(guān)操作建議的小窗口。相關(guān)操作人員會通過控制操作指令來實現(xiàn)機械爪開合、機械臂升降，完成相關(guān)作業(yè)，圖4為遠程操作系統(tǒng)原理圖。

圖4 遠程操作系統(tǒng)原理圖

4 機械裝置設(shè)計

4.1 清障裝置設(shè)計

機械爪是機器人的一個重要組成部分，機器人手爪既是一個主動感知工作環(huán)境信息的感知器，又是最后的執(zhí)行器，是一個高度集成的、具有多種感知功能和智能化的機電系統(tǒng)[6]，可以代替人類完成一些生產(chǎn)作業(yè)。智能機械爪具有以下特點：1）實用性強，一般用在軍事上和科研領(lǐng)域；2）可替代人畜做農(nóng)業(yè)搬運工作或進行搜救等任務(wù)。

4.1.1 機械爪工作原理

我們設(shè)計在機身前面板安裝兩個機械臂并在前端配備機械爪來實現(xiàn)清障功能，在進行清障工作時，車身的超聲波傳感器可以快速確定前方障礙物的方位。通過中央處理器向主機發(fā)送清障信號，當中央處理器將會控制第三電動機高速轉(zhuǎn)動進行轉(zhuǎn)向，控制雙軸電動機轉(zhuǎn)動來進行清障機器人的橫向移動，待到達障礙物處時，物體捕捉攝像頭，鎖定障礙物相對于機器人的具體方位。中央處理器發(fā)送信號控制雙軸電動機和第三電動機對小車自身的方位進行微調(diào)，直至機械爪對準障礙物。

4.1.2 機械爪定位系統(tǒng)原理

機械爪在障礙物上方后，機械爪內(nèi)部的定位系統(tǒng)開始工作。首先通過中央處理器按預(yù)定開合程度指令控制機械爪。同時機械爪定位模組開始工作，在機械爪中央安裝有抽動桿，當定位到石塊后抽動桿抵住物體，此時抽動桿開始向內(nèi)抽動以實現(xiàn)機械爪的閉合，機械爪閉合抱緊物體。隨即篩選攝像頭開始對障礙物進行工作，發(fā)送圖像信號給中央處理器。處理器便開始控制第二電動機的輸出端轉(zhuǎn)動，將障礙物移動至車體翻斗內(nèi)上方，機械爪松開障礙物掉入翻斗中，圖5所示為機械爪結(jié)構(gòu)。

圖5 機械爪結(jié)構(gòu)

4.2 減震底盤設(shè)計

4.2.1 減震裝置概述

減震裝置是機器人小車的一個重要組成部分，在智能清障小車中，避障和躲避時采用超聲波傳感器來進行路面凹凸情況探測。當前方有障礙物時系統(tǒng)會根據(jù)當前環(huán)境實時檢測到反射回來的信號并做出相應(yīng)反應(yīng)；同時單片機通過計算判斷出與障礙物之間距離后發(fā)出指令給電動機驅(qū)動模塊及轉(zhuǎn)向器上移機構(gòu)（即車輪轉(zhuǎn)動），調(diào)節(jié)至正常工作所需達到的高度，進而控制小車實現(xiàn)躲避障礙、循跡等動作。圖6所示為底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

圖6 底盤結(jié)構(gòu)

4.2.2 減震工作裝置原理

由于本文研究的機器人要探測障礙物，必須在傳感器上安裝減震裝置。車身通過調(diào)節(jié)底座高度來進行減震進而穩(wěn)固機身，以實現(xiàn)在復(fù)雜地勢的行駛?？烧{(diào)底座由車輪、調(diào)節(jié)杠、超聲波探測儀及減震底座構(gòu)成。底座前面板裝有一顆超聲波探測儀，超聲波探測儀時刻發(fā)射聲波信號，當在其前方10 cm范圍內(nèi)有聲音信號被阻擋時，底座控制器先使車輛停止，開始通過拉伸桿調(diào)節(jié)底座使底座升高，底座升高到前方10 cm無信號阻擋時，底座控制器開始控制小車繼續(xù)前進。在遇到復(fù)雜環(huán)境時，減震底座中加入的空氣減震彈簧將調(diào)節(jié)機身的穩(wěn)定性，使小車穩(wěn)定運行。圖7所示為底盤工作原理流程圖。

圖7 底盤工作原理

5 結(jié)論

通過對本文設(shè)計的清障救援機器人控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)的分析，可以獲得如下結(jié)論：

1）基于北斗系統(tǒng)設(shè)計的定位導(dǎo)航與北斗短報文通信功能，可以使得小車快速精確地將交點的位置通過服務(wù)器發(fā)送到遠程控制端及救援人員移動端，提高救援效率。

2）在篩選系統(tǒng)的設(shè)計上，采用兩種圖像傳感器共同工作，彌補了單一傳感器的不準確性，實現(xiàn)了高精度物體篩選，避免了在救援過程中出現(xiàn)判斷失誤，提高系統(tǒng)容錯率，提高救援效率。

3）采用機械手爪設(shè)計，可以大幅度提高清障速度，節(jié)省救援時間。

4）考慮到小車行駛道路狀況不佳，采用了傳感器與機械裝置相配合設(shè)計可調(diào)節(jié)高度底盤，來時刻保持行駛過程中車身穩(wěn)定，使得傳感器元件可以正常工作。