救援機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：近年來，由于環(huán)境惡化導(dǎo)致的自然災(zāi)害以及戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致的人為災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生。在災(zāi)難發(fā)生后的48小時(shí)以內(nèi)，是在受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)廢墟中尋找幸存者的黃金時(shí)間。災(zāi)難救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境往往是異常復(fù)雜、危險(xiǎn)、多變，救援行動(dòng)刻不容緩，在災(zāi)難救援中，救援人員用較短的時(shí)間在廢墟中尋找幸存者的幾率比較小，在這種緊急而危險(xiǎn)的情況下，救援機(jī)器人可以為救援人員提供有效的幫助。因此，將具有自主智能的救援機(jī)器人用于危險(xiǎn)而復(fù)雜的環(huán)境中搜索和營(yíng)救幸存者是非常實(shí)用的。煤炭工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，煤炭事故也在所難免。結(jié)合救災(zāi)場(chǎng)所的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,本畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一款救援使用的探測(cè)機(jī)器人.機(jī)器人采用通用開放式機(jī)器人系統(tǒng)，采用

2、模塊化設(shè)計(jì)。機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)救災(zāi)環(huán)境的需要很方便的增減。良好的無(wú)線通訊功能允許遠(yuǎn)程操作。在演示控制界面可以用單片機(jī)語(yǔ)言控制機(jī)器人移動(dòng)狀況?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)流程：計(jì)算機(jī)發(fā)出信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換到無(wú)線收發(fā)模塊，之后通過無(wú)線通訊到無(wú)線接收模塊，通過單片機(jī)處理以及數(shù)據(jù)鎖存最終控制機(jī)器人。調(diào)速系統(tǒng)硬件原理是以AT89S51單片機(jī)為控制核心。救援機(jī)器人采用了多種傳感器共同作用，以便更加精確的獲得探測(cè)結(jié)果，包括使用3CCD感光器獲得圖像信息、使用超聲紅外傳感器精確確定探測(cè)目標(biāo)的位置。采用履帶式行走機(jī)構(gòu),履帶具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，可以在階梯上移動(dòng)、重心低而穩(wěn)定。救援機(jī)器人具有可靠的機(jī)械系統(tǒng)和智能化的控制系統(tǒng)

3、，可以在救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的自然環(huán)境下工作。關(guān)鍵詞：救援機(jī)器人；控制系統(tǒng)；傳感器；模塊化設(shè)計(jì)；開放式機(jī)器人；目錄第1章 緒論11.1 引言11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀11.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀21.3 本文研究主要任務(wù)2第2章 總體方案設(shè)計(jì)32.1 救援機(jī)器人行走方案的設(shè)計(jì)32.1.1 走行機(jī)構(gòu)32.1.2 救援現(xiàn)場(chǎng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征32.1.3 各類走行機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)32.1.4 行走方案的確定42.2 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)52.3 傳感器模塊的設(shè)計(jì)52.3.1 傳感器概念及特點(diǎn)52.3.2 救援機(jī)器人傳感器模塊62.4 電源及驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)62.5 計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)62.6 底

4、盤運(yùn)動(dòng)模塊72.6.1 履帶的選擇72.6.2 履帶、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算82.6.3 錐齒輪的設(shè)計(jì)92.7 能源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)選擇102.7.1 電機(jī)的選用112.7.2 能源的供給112.7.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇122.8 各模塊的連接152.8.1 電源驅(qū)動(dòng)模塊與底盤運(yùn)動(dòng)模塊的連接152.8.2 傳感器模塊與電源驅(qū)動(dòng)模塊的部分連接152.8.3 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接162.9 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)162.9.1 視覺傳感器172.9.2 超聲波傳感器182.9.3 紅外傳感器的設(shè)計(jì)18第3章 探測(cè)機(jī)器人硬件系統(tǒng)193.1 傳感器采集系統(tǒng)193.2 電源保護(hù)電路193.3 超聲波傳感器接線203.

5、4 紅外傳感器接線213.5 探測(cè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)213.6 電子羅盤的選用223.7 無(wú)線電臺(tái)通訊系統(tǒng)223.8 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理22第4章 救援機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開發(fā)234.1 移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)234.2 無(wú)線通訊模塊244.2.1 機(jī)器人與單片機(jī)的通訊254.2.2 計(jì)算機(jī)與AT89S51間的無(wú)線通信25第5章 結(jié)論與展望265.1主要研究成果265.2未來工作及展望26參考文獻(xiàn)27附錄A 電機(jī)控制程序29附錄B 控制界面源程序36附錄C 單片機(jī)通信程序開發(fā)38第1章 緒論1.1 引言 近年來，由于自然活動(dòng)、局部戰(zhàn)爭(zhēng)和意外事故等導(dǎo)致的災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。在災(zāi)難發(fā)生的48小時(shí)之內(nèi)，是救援

6、人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)并在廢墟中尋找幸存者的黃金時(shí)間。災(zāi)難救援的現(xiàn)場(chǎng)往往異常復(fù)雜，形式多變，時(shí)間就是生命，在此危險(xiǎn)環(huán)境下，采用機(jī)器人協(xié)同救援人員，進(jìn)行抗災(zāi)救援，能起到事半功倍的效果，同時(shí)也是機(jī)器人技術(shù)中具有新型和有挑戰(zhàn)性的發(fā)展方向。由于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，對(duì)抗災(zāi)救援機(jī)器人相應(yīng)的有更加苛刻的性能要求，需要更可靠的機(jī)械系統(tǒng)、更智能化的控制系統(tǒng)1-3。災(zāi)后救援是人類需要共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。目前世界范圍內(nèi)自然災(zāi)難和人為災(zāi)難頻發(fā)，人類需要共同探討救援對(duì)策，研究救援技術(shù)。面對(duì)越來越復(fù)雜和危險(xiǎn)的救援非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，機(jī)器人協(xié)助甚至代替人類參與救援工作成為當(dāng)今救援的重要手段和議題。國(guó)際上每年都有專門的會(huì)議研討救援機(jī)器人技術(shù)，如：

7、IEEE International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics(SSRR)等。此外，還有各種測(cè)試救援機(jī)器人技術(shù)的比賽，如Robocop Rescue等。Robocop比賽是機(jī)器人領(lǐng)域的奧林匹克，它為檢驗(yàn)各項(xiàng)機(jī)器人技術(shù)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境和平臺(tái)，各國(guó)機(jī)器人研究人員和愛好者可以相互交流、協(xié)作來促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。RoboCupRescue League是于2001年加入Robocop的比賽項(xiàng)目4-5。比賽的測(cè)試內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)找到遇難傷員數(shù)目的多少和獲取災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)地圖的精確度，旨在鼓勵(lì)救援機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和面向?qū)嶋H的

8、應(yīng)用。災(zāi)難救援機(jī)器人，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能、營(yíng)救行動(dòng)技術(shù)、災(zāi)難學(xué)等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。隨著災(zāi)難救援機(jī)器人性能不斷地完善，在水災(zāi)、火災(zāi)、毒氣、放射性物質(zhì)以及地震、爆炸等災(zāi)難救援中，起到非常重要的作用6。在此背景下選擇了救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)這個(gè)題目。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，救災(zāi)機(jī)器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進(jìn)入實(shí)用化階段，日本、美國(guó)、英國(guó)等已開始裝備使用。在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)中，救災(zāi)機(jī)

9、器人應(yīng)能迅速找到幸存者的位置。 日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進(jìn)，其頂端帶有1部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。 美國(guó)iRobot公司研制了PackBot系列機(jī)器人，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境和爬樓梯，主要執(zhí)行偵察任務(wù)、尋找幸存者、勘探化學(xué)品泄漏等任務(wù)。 InuKtun公司研制了機(jī)器人MicroVGTV ，機(jī)身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話筒和揚(yáng)聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執(zhí)行任務(wù)。日本大阪大學(xué)所制造出的蛇行機(jī)器人，可以在崎嶇不平的廢墟上爬行。蛇行機(jī)器人身上的監(jiān)視器、傳感器，能夠

10、在災(zāi)難后的廢墟中探測(cè)幸存者的方位。 除了前面的中小型救災(zāi)機(jī)器人，微型救災(zāi)機(jī)器人也正在研究中，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制出世界第1個(gè)蒼蠅機(jī)器人，通過裝在它腦袋上的微型傳感器與微型攝像機(jī)，可以到倒塌的建筑物廢墟底下或其他災(zāi)難場(chǎng)所尋找幸存者7。1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，救災(zāi)機(jī)器人的研究剛剛起步，但進(jìn)展很快。二十世紀(jì)九十年代，我國(guó)由國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)正式立項(xiàng)的國(guó)家863高科技計(jì)劃研究發(fā)展項(xiàng)目“消防機(jī)器人”研究課題，在公安部上海消防科學(xué)研究所通過專家組驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)第一代消防機(jī)器人正式誕生。該機(jī)器人本體由行走部分、遙控消防炮、防爆系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和冷卻自衛(wèi)系統(tǒng)等構(gòu)成，其探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)消

11、防機(jī)器人正壓防爆控制、安全自衛(wèi)、化學(xué)檢驗(yàn)、火情偵察的要求。我國(guó)消防機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展不但是對(duì)消防部隊(duì)搶險(xiǎn)救災(zāi)能力的提高，起到減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員傷亡的作用，同時(shí)也對(duì)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)、通信控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到積極的作用和深遠(yuǎn)的影響8。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所在2002年研制了1種蛇形機(jī)器人，由16個(gè)單自由度關(guān)節(jié)模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線控制下可實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)、后退、側(cè)移、翻滾等多種動(dòng)作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現(xiàn)場(chǎng)圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。 國(guó)防科技大學(xué)在2001年也研制了1種蛇形機(jī)器人。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性工程與救災(zāi)機(jī)器人研究所于2006年6月成功研制了我國(guó)

12、第一臺(tái)用于煤礦救援的CUMT-1 型礦井搜救機(jī)器人，該機(jī)器人裝備有低照度攝像機(jī)、氣體傳感器和溫度計(jì)等設(shè)備。能夠探測(cè)災(zāi)害環(huán)境，實(shí)時(shí)傳回災(zāi)區(qū)的瓦斯、CO、粉塵濃度和溫度以及高分辨率的現(xiàn)場(chǎng)圖像等信息；具有雙向語(yǔ)音對(duì)講功能，能夠使救災(zāi)指揮人員與受害者進(jìn)行快速聯(lián)絡(luò)，指揮受傷人員選擇最佳的逃生路線；具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能；同時(shí)還攜帶有食品、水、藥品、救護(hù)工具等救助物資，使受害者能夠積極開展自救9-10。1.3 本文研究主要任務(wù)本文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一套適用于救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)，用來控制機(jī)器人的行動(dòng)。此外，本文還有對(duì)救援機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 救援機(jī)器人行走方案的設(shè)計(jì)2.1.1

13、 走行機(jī)構(gòu)所有的機(jī)器人都有一類共同的組成部分，即車輪、履帶、腿足等用于推動(dòng)車體在地面上進(jìn)行移動(dòng)的裝置。配置這些車輪、履帶或者腿足使其發(fā)揮應(yīng)有的功能稱為移動(dòng)系統(tǒng)走行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。不同的移動(dòng)機(jī)器人由于其用于不同，其工作環(huán)境、整體結(jié)構(gòu)都不盡相同，為了達(dá)到讓機(jī)器人平穩(wěn)而準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)這一目的，必須選擇一種合適的走行機(jī)構(gòu)。目前常用的走形機(jī)構(gòu)有3種：足式走行機(jī)構(gòu)、履帶式走行機(jī)構(gòu)和輪式走行機(jī)構(gòu)11.2.1.2 救援現(xiàn)場(chǎng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征非結(jié)構(gòu)化環(huán)境是指作業(yè)無(wú)法在事先布置好的條件下進(jìn)行,而且在作業(yè)過程中環(huán)境可能發(fā)生變化。非結(jié)構(gòu)環(huán)境是復(fù)雜、未知、多樣的三維地形，包括平坦地面、斜面、障礙、臺(tái)階、溝壕、淺坑等地形。而發(fā)生災(zāi)害

14、后，工作環(huán)境會(huì)遭到不同程度的破壞，因此機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)災(zāi)區(qū)環(huán)境的適應(yīng)很大一部分也是對(duì)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)。通過對(duì)這些不同地形的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)各種復(fù)雜地形都是由少數(shù)幾種基本的地形特征構(gòu)成，我們稱這幾種基本地形為“典型地形特征”。常見的典型地形特征有三種，即水平面、傾斜面和垂直面障礙。常見的大多數(shù)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形都可以視為這三種地形特征不同形式的組合，如溝壕可視為下垂直障礙和上垂直障礙的組合，階梯可視為連續(xù)垂直障礙的組合。如果移動(dòng)機(jī)器人能夠以某種動(dòng)作或動(dòng)作序列適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動(dòng)作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動(dòng)作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的目的1

15、2-14。2.1.3 各類走行機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)足式走行機(jī)構(gòu):足式行走機(jī)構(gòu)即所謂的步行機(jī)器人。步行移動(dòng)方式模仿人類或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面上行走，甚至可以跨越障礙、上下臺(tái)階，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，智能程度相對(duì)較高，具有輪式機(jī)器人無(wú)法達(dá)到的機(jī)動(dòng)性，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。但對(duì)設(shè)計(jì)和制造者來說，步行機(jī)器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點(diǎn)在于各腿之間的協(xié)調(diào)控制、機(jī)身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動(dòng)力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī)理。足式機(jī)器人的種類很多，一般分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖所示。一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近似或模

16、仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)器人，主要研究模仿四足和六足動(dòng)物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。從移動(dòng)的范圍來講，車輪型及履帶形的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，無(wú)論它有多么復(fù)雜都只能在二位平面內(nèi)移動(dòng)，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動(dòng)機(jī)構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。而步行機(jī)器人的移動(dòng)卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動(dòng)又能沿著樓梯拾階而上，從這一點(diǎn)來看步行機(jī)器人的移動(dòng)是三維空間移動(dòng)。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實(shí)現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。正因如此，步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控

17、制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上還不成熟，不適用于對(duì)靈活性和可靠性要求較高的場(chǎng)合中15。 履帶式走行機(jī)構(gòu):為了提高車輪對(duì)松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式走行機(jī)構(gòu)被廣泛采。履帶方式又叫做循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。圖為履帶式行走機(jī)器人。機(jī)器人采用履帶行走方式有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于沖角的作用，能登上較高的臺(tái)階。（2）履帶具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，適合在階梯上移動(dòng)。（3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動(dòng)。（4）因重心低而穩(wěn)定16。履帶式走行機(jī)構(gòu)廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。履帶式行走機(jī)

18、構(gòu)的不足之處是轉(zhuǎn)彎不如車輪靈活。在要改變方向時(shí)，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速或制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，或者反向驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)車體的原地自轉(zhuǎn)。但這都會(huì)使履帶與路面產(chǎn)生相對(duì)橫向滑動(dòng)，不但加大了機(jī)器人車體的能耗，還有可能損壞路面。 輪式走行機(jī)構(gòu):輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動(dòng)代替滑動(dòng)摩擦，主要特點(diǎn)是效率高，適合在平坦的路面上移動(dòng)，定位精確，而且重量較輕，制作簡(jiǎn)單。絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運(yùn)動(dòng)約束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輪式移動(dòng)方式的分類有很多種，按照輪的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機(jī)器人中最常用的是三輪或者四輪移動(dòng)方式，在某些特殊應(yīng)用情況下也有用五輪以上的機(jī)器人，但這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜17。2.1.4 行走方案的確定 根據(jù)

19、以上的定性分析，探測(cè)器需要一個(gè)良好的工作性能，要想較好的完成任務(wù)，需要平穩(wěn)的移動(dòng)方式。很明顯，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)性能居于輪式和腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法與其比擬，適合作為探測(cè)機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。所以采用履帶式的移動(dòng)方式。2.2 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)救援機(jī)器人為探測(cè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)探測(cè)機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計(jì)，總體分為四個(gè)模塊，即計(jì)算機(jī)模塊，傳感器模塊，電源及驅(qū)動(dòng)模塊，運(yùn)動(dòng)底盤模塊。模塊化設(shè)計(jì)的探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較明了，而且在一些模塊預(yù)留了一些空

20、間，可以在需要的時(shí)候更換或添加其他模塊。其簡(jiǎn)圖如圖2-1：控制計(jì)算機(jī)模塊傳感器模塊電源驅(qū)動(dòng)模塊底盤運(yùn)動(dòng)模塊圖2-1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 其性能參數(shù)的基本要求如表2-1所示表2-1 性能參數(shù)基本要求性能參數(shù)額定電壓24VDC工作電流2A驅(qū)動(dòng)方式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電池鉛酸蓄電池組最大速度1m/s最小速度0.01m/s最大負(fù)載30kg工作時(shí)間6小時(shí)爬地能力30度越障能力3cm2.3 傳感器模塊的設(shè)計(jì)2.3.1 傳感器概念及特點(diǎn) 傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。 傳感器的特

21、點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類18。2.3.2 救援機(jī)器人傳感器模塊傳感器用于機(jī)器人感知外部環(huán)境，探測(cè)機(jī)器人必需要有這方面的設(shè)計(jì)，視覺傳感器也有他的局限性，實(shí)現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時(shí)就很難實(shí)現(xiàn)其功能，為更好的使機(jī)器人完成認(rèn)為，再加超聲波傳感器和溫度傳感器。通過多種傳感器共同作用更全面的進(jìn)行探測(cè)。傳

22、感器模塊是一個(gè)由金屬材料板組成的圓柱體，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)主板的形狀設(shè)計(jì)的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但里邊所安裝的電路主板是機(jī)器人的樞紐，機(jī)器人各個(gè)部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要做好。上面加了一個(gè)稍大的金屬蓋板，傳感器塊周圍安裝了24路紅外傳感器、溫度傳感器和超聲波傳感器。當(dāng)人遙控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)且視頻效果較好時(shí)可以關(guān)閉紅外、溫度和超聲波傳感器，當(dāng)視頻效果不好或是機(jī)器人自行執(zhí)行任務(wù)時(shí)，紅外、溫度和超聲波傳感器都要開啟。2.4 電源及驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 電源系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響到電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在任何一個(gè)機(jī)器人的電控硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)是其最基本的部分，它為整個(gè)機(jī)器人的智能單元和執(zhí)行機(jī)

23、構(gòu)模塊提供所需的能量。一個(gè)電壓穩(wěn)定、抗干擾能力較強(qiáng)的電源系統(tǒng)是機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行的保證。電源工作不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。因此，要設(shè)計(jì)好一個(gè)控制系統(tǒng)，首先要注重電源的設(shè)計(jì)19。 電源及驅(qū)動(dòng)模塊是為機(jī)器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)殡姵亟M驅(qū)動(dòng)部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。2.5 計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模塊分為兩部分結(jié)構(gòu)，下端是計(jì)算機(jī)的保護(hù)架，上端為支撐架。保護(hù)架是用來防止計(jì)算機(jī)受到外界環(huán)境的撞擊，另外保護(hù)架提高了攝像設(shè)備的高度，可以看的更遠(yuǎn)一些。支撐架的作用是控制攝像頭的檢測(cè)方向。將攝像頭安裝在支撐架的套筒里的目的是減小如水、陽(yáng)光腐蝕等外

24、界環(huán)境對(duì)攝像頭表面和線路的影響，此設(shè)計(jì)雖然不能完全隔離外界的影響，但卻盡量增加了攝像頭的使用壽命。在支撐架的下方和右方安裝了兩個(gè)舵機(jī)，使套筒具有左右、上下兩個(gè)自由度，從而攝像頭可以全方位的檢測(cè)周圍的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-2所示。圖2-2 計(jì)算機(jī)模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.6 底盤運(yùn)動(dòng)模塊2.6.1 履帶的選擇 由于在考慮履帶裝置設(shè)計(jì)時(shí)，基于標(biāo)準(zhǔn)化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計(jì)履帶，梯形雙面齒同步帶傳動(dòng)具有 帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確 的傳動(dòng)比。同步帶通常以氯丁橡膠為材料，這種帶薄而且輕，故 可用于較

25、高速度。傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá) 50m/s，傳動(dòng)比可達(dá) 10， 效率可達(dá) 98。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨 性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。 因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的轉(zhuǎn)速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn)，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。 從以上對(duì)同步帶性能的分析中可以得出結(jié)論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)履帶能夠滿足設(shè)計(jì)性能及工作的環(huán)境條件要求。 圖2-3 雙面齒同步帶2.6.2 履帶、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算常見的行走機(jī)構(gòu)形式就是同步帶/齒形帶。同步帶/齒形帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和

26、齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶通常以鋼絲或玻璃纖維為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可以用于較高速度。傳動(dòng)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98% 。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需有潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確地中，小功率傳動(dòng)中，如家用電器，計(jì)算機(jī)，儀器及機(jī)器人，機(jī)床，化工，石油等機(jī)械。同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算1選擇設(shè)計(jì)功率 （2-1）2選擇帶型和節(jié)距選取帶型為H型 （2-2） 3根據(jù)帶

27、型H和小帶輪轉(zhuǎn)速n1查得最小齒輪，此處取Z=20小帶輪節(jié)圓直徑d1 （2-3）查表得其外徑 設(shè)計(jì)Z2=Z1=20 4帶速 v= （2-4）5定軸間距=400mm6帶長(zhǎng)及其齒數(shù) （2-5）7查表應(yīng)選用帶長(zhǎng)代號(hào)為420的H型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，節(jié)線上的齒數(shù)Z=848實(shí)際軸間距 a= （2-6）9小帶輪嚙合齒數(shù) （2-7）10基本額定功率 （2-8） 查得 所需帶寬 （2-9）查表得：H型帶 （2-10）查表得應(yīng)選帶寬代號(hào)為150的H型帶，其11帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸傳動(dòng)選用同步帶為H150帶輪Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm采用同步帶作為履帶的優(yōu)點(diǎn)是：效率高，最高

28、效率能達(dá)到90%以上；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇節(jié)矩，齒數(shù)，長(zhǎng)度，寬度就可以了。但是同步帶一旦選定，長(zhǎng)度，寬度就是固定的，因此基本屬于定制，設(shè)計(jì)不同的履帶式平臺(tái)就需要不同的同步帶。這個(gè)特點(diǎn)限制了同步帶應(yīng)用的靈活性。本設(shè)計(jì)還附加了輪式底盤的移動(dòng)方式，2輪加萬(wàn)向輪，因?yàn)楸M管履帶移動(dòng)方式的穩(wěn)定性比較強(qiáng)，但機(jī)動(dòng)性比較差，所以，在必要的時(shí)候，可以根據(jù)地形的不同，裝配不同的移動(dòng)方式。輪式底盤的裝配圖在附錄中，其他模塊不變。2.6.3 錐齒輪的設(shè)計(jì) 這是輪式移動(dòng)方式中，傳動(dòng)是通過錐齒輪來實(shí)現(xiàn)的。錐齒輪的計(jì)算如下： 齒輪比 u=1 大端分度圓直徑 de1=20mm齒數(shù) Z1=Z2=30 大端模數(shù) me1=

29、de1/Z1=6.67 （2-11） 分錐角1=45 外錐距 Re=de1/2sin1=141.4 （2-12） 齒寬 b1=RRe=42.42 （2-13） 齒寬系數(shù) R=b/Re=0.3 （2-14） 平均分度圓直徑 dm1=de1 (1-0.5R)=170 （2-15） 中錐距 Rm=Re(1-0.5R)=120.19 （2-16） 平均模數(shù) Mm=me1 (1-0.5R)=5.6695 （2-17） 切向變位系數(shù) Xt=0 徑向變位系數(shù) X=0.46（1-cos2/ucos1）=0 （2-18） 齒頂高 ha1=me（1+x1）=6-67 （2-19) 齒根高 hf1=me（1+c-x

30、1）=8.004 （2-20） 頂隙 c= cm （2-21） 齒距角 a1=f2=f1 （2-22） 齒根角f1=arctan(hf1/Re)=3.24 （2-23）頂錐角 a1=1+f2=48.24 （2-24）根錐角 f1=1-f1=41.76 （2-25） 齒頂圓直徑 da1=de1+2ha1cos1=209.43 （2-26） 安裝距A1 冠頂距 Ak1=de2/2-ha1sina1=95.285 （2-28） 輪冠距=H1=A1-Ak1 （2-29） 大端分度圓齒厚S1=me（/2+2x1tan+xt1） （2-30） 端面當(dāng)量齒數(shù) Zv1=z1/cos1=42.43 （2-31）

31、錐齒輪在這個(gè)設(shè)計(jì)中的作用是連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸和車輪轉(zhuǎn)軸，采用的兩個(gè)90度錐齒輪進(jìn)行連接，這樣既可以保證兩個(gè)轉(zhuǎn)軸之間的傳動(dòng)，有可以很好的黏合。2.7 能源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)選擇救援機(jī)器人在不同狀態(tài)下消耗電能如表2-2所示：表2-2 機(jī)器人消耗電能運(yùn)行狀態(tài)電流（A）待機(jī)（所有傳感器處于休眠狀態(tài)）0.5A靜止（所有傳感器工作）2A前進(jìn)（最大速度3m/s)3.5A旋轉(zhuǎn)（最大速度1r/s)4.5A 從表中可以看出，機(jī)器人的功耗控制較低，并且散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用金屬殼作為散熱器。在正常救援過程中，機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間工作也不會(huì)過熱，所以可以放心使用。按照能源的不同 ，可分為液動(dòng)，氣動(dòng)，電動(dòng)三大類20。電驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于電能易于獲取，容

32、易傳輸，沒有污垢，易于維修等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。在機(jī)器人使用的電驅(qū)動(dòng)器中，步進(jìn)電機(jī)與數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的結(jié)合上，表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景。 根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果和機(jī)器人性能要求，機(jī)器人配置了日本三洋公司生產(chǎn)的Super_L直流電機(jī) 電機(jī)參數(shù)如下： 額定電壓 24V 額定功率 60W 額定轉(zhuǎn)速 3000n/min 減速比 1:5 編碼盤線數(shù) 512-10242.7.1 電機(jī)的選用電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人的動(dòng)力提供部分，電動(dòng)機(jī)選取的正確與否關(guān)系到機(jī)器人設(shè)計(jì)的成敗。在機(jī)器人設(shè)計(jì)中，要根據(jù)機(jī)器人的用途、機(jī)器人的工作環(huán)境以及機(jī)器人本身的體系結(jié)構(gòu)來確定所需提供的動(dòng)力，進(jìn)而選取合適的電動(dòng)機(jī)。機(jī)器人常用的電動(dòng)機(jī)包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流

33、電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等。2.7.2 能源的供給 本機(jī)器人的能源供給裝置配置了兩單元免維護(hù)鉛酸蓄電池，電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。 免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水21。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。圖2-4免維護(hù)蓄電池其具體參數(shù)如下： 容量：24V17Ah(2單元12V串聯(lián)，單元容量12V17Ah),408W 重量：11kg 放電能力：10-20,170-340A連續(xù)電路

34、 能量密度：39Wh/kg 循環(huán)壽命：500次工作時(shí)間：4-6小時(shí)2.7.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇直流電機(jī)將軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸入到齒輪箱，然后齒輪箱的輸出軸控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)上的電壓大小影響它的轉(zhuǎn)速和扭矩22。救援機(jī)器人的調(diào)速是通過直流運(yùn)動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)的，此探測(cè)機(jī)器人配置了瑞士FAULHABER公司的MCDC2805，如圖2-5所示：圖2-5 MCDC2805MCDC2805運(yùn)動(dòng)控制器是專為直流電機(jī)而量身定做的，配合性能優(yōu)異的SANYOSuperL電機(jī)及集成編碼器，即使在轉(zhuǎn)速非常低的情況下，也能到達(dá)0.18度的定位控制精度。MCDC 2805 運(yùn)動(dòng)控制器由功能強(qiáng)大的16位處理

35、器和性能卓越的數(shù)字濾波器組成智能化的MCDC 2805 能實(shí)現(xiàn)以下功能：1速度控制：在絕大多數(shù)應(yīng)用中，均能達(dá)到優(yōu)異的速度同步性能，同時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小內(nèi)置PI調(diào)節(jié)器能準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。2速度模式可以方便實(shí)現(xiàn)諧波，三角形，梯形及更復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)速度圖運(yùn)行模式。3位置控制：采用限位開關(guān)，參考位及高分辨率的編碼器，可以實(shí)現(xiàn)高精度定位控制。4附加控制模式：可以通過步進(jìn)控制模式同步控制多個(gè)電機(jī)工作。5轉(zhuǎn)矩控制：通過調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制6保存和運(yùn)行程序：可以完全脫離PC主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所有控制功能。7輸入輸出：為故障輸出端（集成極開路輸出）：可以設(shè)置成旋轉(zhuǎn)方向輸入，數(shù)字輸入或參考輸入口23。RS232串口：

36、用于與PC主機(jī)通訊和控制程序運(yùn)作。MDCD2805接線口如表2-3表2-3 MDCD2805的接線表如下：電源側(cè)9針D型串口電機(jī)側(cè)接線端功能接線端功能接線端功能V1RS-232 TXD(RS-232發(fā)送端)2RS-232RXD(RS-232接收端)M1InputNo.5(第三輸入端)V2RS-232RXD(RS-232接收端)3RS-232TXD(RS-232發(fā)送端)M2InputNo.4(第三輸入端)V3AnalogGND(模擬地)5GND(地)M3Channel A (編碼器A通道)V4Fault Ouput(故障輸出端)M4Channel B (編碼器B通道)V5Analog Input

37、（模擬輸入端）M5VCC(+5)(系統(tǒng)提供+5V)V6+24V(點(diǎn)源正極)M6Signal GND (信號(hào)地)V7GND(地)M7MOTOR+(接電機(jī)正極)V8Input No.3(第三輸入端)M8MOTOR_（接電機(jī)負(fù)極）2.8 各模塊的連接2.8.1 電源驅(qū)動(dòng)模塊與底盤運(yùn)動(dòng)模塊的連接 如圖所示，1為電源及驅(qū)動(dòng)模塊，2為減振機(jī)構(gòu)，3為連接架，4位履帶當(dāng)板。這兩個(gè)模塊連接較其它模塊有所不同，電源及驅(qū)動(dòng)模塊與運(yùn)動(dòng)底盤連接，它的穩(wěn)定性直接影響機(jī)器人的工作效率，為了減小底盤移動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)，在與電源及驅(qū)動(dòng)模塊的連接中，加進(jìn)一個(gè)減震機(jī)構(gòu)，如圖所示，這個(gè)結(jié)構(gòu)剛性比較好，可以消除一些由于路面不平產(chǎn)生的震動(dòng)。

38、連接架的下端用四顆M5螺栓進(jìn)行固定。機(jī)器人共有四組這樣的減振機(jī)構(gòu)，左右各兩組。具體連接方法如圖2-6所示。圖2-6 電源驅(qū)動(dòng)模塊與底盤模塊連接2.8.2 傳感器模塊與電源驅(qū)動(dòng)模塊的部分連接 傳感器模塊與電源驅(qū)動(dòng)模塊的部分連接連接方法如圖2-7圖2-7 傳感器模塊與電源驅(qū)動(dòng)模塊連接 如圖所示，這里蓋板的連接方式與傳感器蓋板的連接方式相同，用8顆M5內(nèi)六角沉頭螺釘固定。 由于傳感器箱體底部安裝了電路主板等，所以是封閉的，用計(jì)算機(jī)架的連接方式就不能實(shí)現(xiàn)拆卸方便的原則，所以采用途中所示的方法，兩個(gè)模塊分別固定各自的連接快，然后結(jié)合到一塊兒，然后用一顆M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘進(jìn)行緊固，螺釘頭朝外，這樣拆裝就

39、相當(dāng)簡(jiǎn)單了，兩個(gè)模塊之間共有四組這樣的連接方式，分布在蓋板的四周。2.8.3 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接 計(jì)算機(jī)模塊與傳感器模塊的連接很簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的原則就是模塊化設(shè)計(jì)，各模塊的拆裝應(yīng)該簡(jiǎn)單明了。其中連接計(jì)算機(jī)模塊與蓋板的是8顆M3內(nèi)六角沉頭螺釘，圖3-8中顯示的是其中的兩個(gè)，其它6顆都與這兩個(gè)對(duì)稱。注意，這里的螺釘是直接連接到蓋板上的，并且計(jì)算機(jī)固定架僅僅靠著幾顆螺釘連接。因此，安裝時(shí)務(wù)必裝緊，避免由于震動(dòng)等造成螺釘?shù)乃蓜?dòng)。 傳感器上的蓋板則是用8顆M5內(nèi)六角沉頭螺釘固定的，一個(gè)連接機(jī)構(gòu)需兩個(gè)螺釘，其它六個(gè)與這兩個(gè)均勻分布，這樣的拆卸非常方便。從圖中可以看出，8顆內(nèi)六角沉頭螺釘都固定在了計(jì)算

40、機(jī)模塊的外部，很明顯，這樣連接即使不拆除計(jì)算機(jī)模塊，也可以打開蓋板看到傳感器模塊里的情況，為排查故障等提供了方便，還有就是，蓋板要比傳感器的箱體要大，因?yàn)?，傳感器箱體里放的是幾乎所有機(jī)器人所需要的電路板防止大量灰塵進(jìn)入到里邊影響電路的正常工作。 在傳感器模塊與蓋板之間有一條扁平電纜連接，在末端分成兩個(gè)插頭，其中一個(gè)是插在傳感器主板上，是24V電源插頭，為傳感器層頂?shù)挠秒娫O(shè)備提供24V電源插頭；另一個(gè)插在傳感器主板上的一個(gè)擴(kuò)展卡上。作用是將機(jī)器人底層的RS-485總線轉(zhuǎn)換為方便連接計(jì)算機(jī)的RS-232電平。圖2-8 傳感器模塊與計(jì)算機(jī)模塊連接2.9 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先，機(jī)器人的傳感器就像人體上

41、的感覺器官，它可以探測(cè)到周圍的環(huán)境，然后經(jīng)過綜合性的測(cè)量、計(jì)算，對(duì)他的行為進(jìn)行選擇判斷。其中，視覺是最重要的，因?yàn)椋词怪挥幸曈X的時(shí)候，也能根據(jù)看到的進(jìn)行前行或是改變行為方式，但如果失去了視覺，即使其他的感覺功能都存在，也很難判斷周圍的環(huán)境，很難對(duì)行為方式進(jìn)行判斷。所以首先應(yīng)選擇視覺傳感器。2.9.1 視覺傳感器 視覺傳感器的選用：為在設(shè)計(jì)過程中，為了保護(hù)好攝像設(shè)備的連接線以及防止設(shè)備被環(huán)境腐蝕等，已經(jīng)設(shè)計(jì)了用舵機(jī)控制自由度的攝像云臺(tái)，安裝攝像頭的部位可以在控制下朝向任何的方向，所以只需一個(gè)USB攝像頭即可。本設(shè)計(jì)選用3CCD感光器。CCD感光器介紹：CCD，全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD

42、圖像控制器,也叫圖像傳感器。CCD感光器是一種半導(dǎo)體器件，能把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。植入在CCD上的微小光敏物質(zhì)稱作像素。一塊CCD上所包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用類似膠片，但它能夠把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)25。 CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的傳輸、處理、獲取、存儲(chǔ)和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，使用性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)；3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)

43、態(tài)范圍大；4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像；5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器，把CCD器件作為光電接收器。 3CCD感光器:單CCD的感光器像素即其感光器件的像素。3CCD的像素計(jì)算方法簡(jiǎn)單，每個(gè)CCD的像素乘以三，最后得出的就是數(shù)碼攝像機(jī)的總像素26。在選購(gòu)數(shù)碼攝像機(jī)的時(shí)候，不能只看像素，還要注意CCD的尺寸大小，譬如說1/6寸的3CCD可能表現(xiàn)能力并不比1/4寸單CCD理想，因?yàn)镃CD的大小決定了進(jìn)光量，也決定了圖像的清晰度27。 但是普遍來說，3CCD的成像質(zhì)量是要比單CCD的成像質(zhì)量高，

44、而因?yàn)镃CD感光器件的價(jià)格昂貴，所以3CCD的數(shù)碼攝像機(jī)也會(huì)比較昂貴。一般3CCD數(shù)碼攝像機(jī)的像素，每個(gè)CCD在3445萬(wàn)個(gè)之間，也就是說，總像素是在102135萬(wàn)之間。而民用單CCD的像素反而比3CCD的要高，像索尼、松下、夏普這些數(shù)碼攝像機(jī)的制造大商，可以把民用數(shù)碼攝像機(jī)的總像素提高到300萬(wàn)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼相機(jī)的級(jí)別。本論文的視覺傳感器選用3CCD感光器。 圖2-9 3CCD感光器2.9.2 超聲波傳感器 共設(shè)計(jì)了8路超聲波傳感器安裝在傳感器箱體內(nèi)壁上，超聲波傳感器的固定是用2個(gè)螺釘固定在箱體上。 超聲波傳感器測(cè)距原理：超聲傳感器對(duì)于距離的測(cè)量是利用超聲波反射原理，從原理上可分為

45、共振式、脈沖反射式兩種。超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。超聲波在常溫下的空氣中傳播速度是340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就能夠計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測(cè)量中，傳感器常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測(cè)量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合短距離測(cè)量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很強(qiáng)的抗干擾性能28。因此，根據(jù)測(cè)距原理，

46、測(cè)距系統(tǒng)由超聲發(fā)射和接受部分、微機(jī)控制部分和數(shù)據(jù)傳輸部分這四部分組成。2.9.3 紅外傳感器的設(shè)計(jì)由于超聲波在傳輸過程中存在著衍射、噪聲等一系列干擾測(cè)量精度的因素，使超聲傳感器在測(cè)量過程中存在較大的測(cè)量盲區(qū)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)將紅外測(cè)距作為超聲測(cè)距的補(bǔ)充，可以在很大程度上補(bǔ)充超聲測(cè)距的盲區(qū)。紅外傳感器的探測(cè)范圍最大半徑為0.5米。完全能夠覆蓋超聲測(cè)距的盲區(qū)。給探測(cè)機(jī)器人配置了8路紅外傳感器。紅外傳感器型號(hào)為E18-B0，其規(guī)格數(shù)據(jù)為：VCC: 6V-36V(典型12V)。工作電流: 小于300mA。輸出形式: NPN三極管OC輸出。封裝形勢(shì): 工程材料。安裝方式: 直徑17mm殼體螺紋，帶鎖緊螺母。第

47、3章 探測(cè)機(jī)器人硬件系統(tǒng)3.1 傳感器采集系統(tǒng)救援機(jī)器人的傳感器主板如圖3-1所示：圖3-1 傳感器主板 圖中只顯示了一個(gè)超聲波傳感器，其他8路沿主板均勻排列，將收集到的信息存到采集卡里，并傳輸給計(jì)算機(jī)。3.2 電源保護(hù)電路為了便于用擴(kuò)展，對(duì)各擴(kuò)展卡的每一路電源以及信號(hào)都進(jìn)行可靠的保護(hù)，即使使用出現(xiàn)把信號(hào)混亂、接反、短路，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。電源保護(hù)電路如圖3-2：圖3-2 電源保護(hù)電路3.3 超聲波傳感器接線 超聲波傳感器發(fā)射電路如圖3-3所示：圖3-3 超聲波發(fā)射電路 傳感器主板8路超聲波傳感器接口，其定義如圖3-4所示：圖3-4 超聲波傳感器接口超聲波發(fā)射電路：由555定時(shí)器產(chǎn)生40

48、KHZ的脈沖信號(hào)，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。一般采用集成的信號(hào)放大器芯片，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理。CX20106是SONY公司的專用集成前置放大器，由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載。3.4 紅外傳感器接線 紅外傳感器輸入接口如圖3-5，傳感器供電為5V，HY_OUT為輸入端。圖3-5 紅外傳感器輸入接口電路3.5 探測(cè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 在救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一直

49、是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。通用開放式機(jī)器人系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢(shì)。首先，開放機(jī)器人應(yīng)具備以下特征：1 硬件基于標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口；2 機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)使用需求很方便地增減。3 使用基于非專用局算機(jī)平臺(tái)的開發(fā)系統(tǒng)；4 能與分布式系統(tǒng)中其他單元共享數(shù)據(jù)，并允許遠(yuǎn)程操作；5 使用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的控制語(yǔ)言； 本畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的救援探測(cè)機(jī)器人符合上述條件，是開放式的機(jī)器人。本設(shè)計(jì)采用筆記本電腦架構(gòu)，集成Windows操作系統(tǒng)和VC開發(fā)環(huán)境?；诩軜?gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：1 系統(tǒng)的處理能力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法；2 機(jī)器人系統(tǒng)的性能和功能可以根據(jù)實(shí)用需求很方便的增減。3

50、具有成熟的標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，能夠與各種外圍設(shè)備和傳感器接口；4 通用的機(jī)器人系統(tǒng)，開放性好；5 良好的通訊功能；PC很容易與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊，因此很容易擴(kuò)展其他硬件設(shè)備； 基于操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境的機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：1 友好的人機(jī)界面；2 豐富的軟件資源；3 完備的軟件開發(fā)環(huán)境；4 廣泛的用戶基礎(chǔ)；3.6 電子羅盤的選用 電子羅盤，又稱數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。電子羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號(hào)通過處理可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來指向，其數(shù)字信號(hào)可直接送到自動(dòng)舵，控制船舶的操縱。 本設(shè)計(jì)選用三軸

51、捷聯(lián)磁阻式數(shù)字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動(dòng)和抗振性、航向精度較高、對(duì)干擾場(chǎng)有電子補(bǔ)償、可以集成到控制回路中進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈接等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)器人、航海、車輛自主導(dǎo)航等領(lǐng)域。 該電子輪盤特點(diǎn)：1三軸磁阻效應(yīng)傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角補(bǔ)償。2 高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。3 內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。4 內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。5 具有簡(jiǎn)單有效的用戶標(biāo)校指令。6 具有指向零點(diǎn)修正功能。7 外殼結(jié)構(gòu)防水，無(wú)磁。電子羅盤的原理是測(cè)量地球磁場(chǎng)，如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場(chǎng)且這些磁場(chǎng)無(wú)法有效的屏蔽時(shí)，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時(shí)只能考慮使

52、用陀螺來測(cè)定航向了36。3.7 無(wú)線電臺(tái)通訊系統(tǒng)無(wú)線電通信是將需要傳送的數(shù)據(jù)、圖像、聲音、文字等電信號(hào)調(diào)制在無(wú)線電波上經(jīng)空間和地面?zhèn)髦翆?duì)方的通信方式，利用無(wú)線電磁波在空間傳輸信息的通信方式。利用無(wú)線電波傳輸信息的通信方式即稱作無(wú)線電通信，它能傳輸聲音、文字、數(shù)據(jù)和圖像等。與有線電通信相比，不需要架設(shè)傳輸線路，不受通信距離限制，機(jī)動(dòng)性好，建立迅速。所以本文選用無(wú)線通訊。無(wú)線電臺(tái)通訊系統(tǒng)通過USB與PC上的接口或筆記本連接。此特定的USB通常不要隨意改變，否則需要重新安裝驅(qū)動(dòng)。目前無(wú)線電臺(tái)通訊的波特率19200。3.8 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖如圖3-6所示：圖3-6 電動(dòng)機(jī)

53、調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理是以AT89S51單片機(jī)為控制核心，包括測(cè)速電路，PWM波形發(fā)生器和PWM功放電路。第4章 救援機(jī)器人軟件系統(tǒng)的開發(fā)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是指機(jī)器人的信息處理裝置，在本設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，選擇數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。這是一個(gè)依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對(duì)機(jī)器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人-機(jī)對(duì)話和感覺系統(tǒng)。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)前。在計(jì)算機(jī)重要貯存好一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，一個(gè)環(huán)境模型，一些與執(zhí)行任務(wù)有關(guān)的數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的執(zhí)行任務(wù)的策略和算法，在執(zhí)行任務(wù)過程中，計(jì)算機(jī)接受來自傳感器的機(jī)器人目前狀態(tài)的信息和涉及到目前包括工作對(duì)象在內(nèi)的環(huán)境狀況的信息。依據(jù)上述的所有數(shù)字模型，原始數(shù)據(jù)，感受的信息，利

54、用控制策略和算法，以及過去執(zhí)行任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)等，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)機(jī)器人的控制命令。4.1 移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)是使移動(dòng)機(jī)器人完成各種任務(wù)和動(dòng)作所執(zhí)行的各種控制手段。作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)包括范圍十分廣泛，從機(jī)器人智能、任務(wù)描述到運(yùn)動(dòng)控制和伺服控制等。最早的機(jī)器人控制采用順序控制方式，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能，并采用視教再現(xiàn)的控制方式。隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展及機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)整朝著智能化方向發(fā)展，出現(xiàn)離線編程、任務(wù)級(jí)語(yǔ)言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)。 移動(dòng)機(jī)器人既是一個(gè)典型具有非完整

55、約束的非完整控制系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中主要通過調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，使機(jī)器人按預(yù)設(shè)功能運(yùn)動(dòng)。 一個(gè)在實(shí)際工作中的救援機(jī)器人，他的運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，任務(wù)的具體執(zhí)行由終端機(jī)去完成。在執(zhí)行任務(wù)的過程中，感覺系統(tǒng)將內(nèi)感受和外感受的信息反饋給控制系統(tǒng)，有控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的活動(dòng)作決策和付諸實(shí)施。系統(tǒng)的控制部分的工作方式要適合于執(zhí)行的任務(wù)。采用某一種工作方式，例如，人進(jìn)行的干預(yù)很少-自由方式；人的干預(yù)很多-手動(dòng)方式；斷斷續(xù)續(xù)干預(yù)-監(jiān)督管理方式等，都要按任務(wù)的需求而定。在控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)過程中涉及到三個(gè)

56、方面：信息-機(jī)器人自身及環(huán)境的信息。他們來自感覺系統(tǒng)即感知的機(jī)器人自身狀態(tài)。 決定-產(chǎn)生執(zhí)行任務(wù)的行動(dòng)方式，任務(wù)的程序設(shè)計(jì)。 行動(dòng)-控制信號(hào)的產(chǎn)生和實(shí)施。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示：圖4-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 需要注意的是,傳感器能幫助機(jī)器人探測(cè)到周圍的環(huán)境情況，機(jī)器人采集到信息進(jìn)行處理后,并不是所有行動(dòng)都由他自己來判斷,因?yàn)闄C(jī)器人畢竟沒有完全智能化,只能在一些簡(jiǎn)單的地形可以由它自行決定行為,但是在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境當(dāng)中,還得由人來進(jìn)行控制,以免出現(xiàn)損壞,或不能較好的完成任務(wù)。所以，應(yīng)隨時(shí)觀察機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的情況，在出現(xiàn)機(jī)器人出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)及時(shí)進(jìn)行更改，使其順利完成任務(wù)。4.2 無(wú)線通訊模塊 計(jì)

57、算機(jī)與機(jī)器人的通信，考慮到自主式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，采用無(wú)線通信的通信方式。實(shí)驗(yàn)中，無(wú)線收發(fā)模塊采用基于單片機(jī)的NE555A19.2K無(wú)線收發(fā)數(shù)傳模塊，其特點(diǎn)是微小型、低功耗、高速率。該無(wú)線收發(fā)模塊主要特性如下：體積微小，約40mm*27mm*5mm，且接收發(fā)射合一。工作最高速率可達(dá)20k bit/s，也可在較低速率如4800bps、9600bps下工作，無(wú)需設(shè)置模塊通信速率。 工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz，F(xiàn)SK調(diào)制，工作電壓2.7-5.25v，功耗小，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證。PTR2000模塊共有七個(gè)引腳，分別定義如下：VCC：正電源，接2.7-5.25VPWR：節(jié)能控制，PWR=1

58、正常工作狀態(tài)，PWR=0待機(jī)微功耗狀態(tài)CS：頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，433 .92MHz，CS=1選擇工作頻道2，434.33MHzDI：數(shù)據(jù)輸入DO：數(shù)據(jù)輸出GND：電源地TXEN：發(fā)射接收控制，TXEN=1時(shí)模塊為發(fā)射狀態(tài)，TXEN=0時(shí)模塊為接收狀態(tài)。4.2.1 機(jī)器人與單片機(jī)的通訊由機(jī)器人硬件擴(kuò)展總線ASBUS可知，機(jī)器人提供了8位的數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展口，由此可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)89S51的通信。機(jī)器人的PC0PC7經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器后分別與AT89S51的P1.0P1.7連接，之所以用到數(shù)據(jù)鎖存器，是因?yàn)闄C(jī)器人提供的數(shù)據(jù)擴(kuò)展口是總線口，而不是具有保持功能的I/O口，因此數(shù)據(jù)交換時(shí)，必須進(jìn)行

59、數(shù)據(jù)鎖存。另外，機(jī)器人提供了輸入捕捉擴(kuò)展口PA1、PA2和輸出比較擴(kuò)展口PA3，實(shí)驗(yàn)中取PA1和PA3分別與單片機(jī)89S51的P3.4和P3.2相連，構(gòu)成通信握手信號(hào)。單片機(jī)89S51和機(jī)器人與對(duì)方的通信是雙向的。4.2.2 計(jì)算機(jī)與AT89S51間的無(wú)線通信設(shè)計(jì)中，兩個(gè)NE555A模塊用于計(jì)算機(jī)串口與單片機(jī)89S51之間進(jìn)行無(wú)線通信。單片機(jī)89S51支持串口通信功能，性價(jià)比高，是計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的理想中介,AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k BytesISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼

60、容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80S51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。NE555A模塊與計(jì)算機(jī)串口的連接中，由于NE555A模塊支持TTL電平，計(jì)算機(jī)串口的RXD和TXD線需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后分別與NE555A模塊的DO和DI相連。NE555A模塊與單片機(jī)89S51的連接中，NE555A模塊的DO和DI分別與單片機(jī)89S51的RXD(P3.0)和TXD(P3.1)連接38。單片機(jī)89S51可直接通過將P3.7位置1或置0而將無(wú)線收發(fā)模塊置于發(fā)射或接收狀態(tài)。計(jì)算機(jī)串口對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊收-發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制。計(jì)算機(jī)與