【導(dǎo)讀】近年來，由于環(huán)境惡化導(dǎo)致的自然災(zāi)害以及戰(zhàn)爭導(dǎo)致的人為災(zāi)害經(jīng)常發(fā)生。難發(fā)生后的48小時以內(nèi)，是在受災(zāi)現(xiàn)場廢墟中尋找幸存者的黃金時間。機(jī)器人協(xié)同救援人員，進(jìn)行救援行動，能起到事半功倍的作用。結(jié)合救災(zāi)場所的非結(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機(jī)器人.機(jī)器人采用通用開放式機(jī)器人系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)救災(zāi)環(huán)境的需要很方便的增減。良好的無線通訊功能允許遠(yuǎn)程操作。界面可以用單片機(jī)語言控制機(jī)器人移動狀況?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)流程：計(jì)算機(jī)發(fā)出信號經(jīng)。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。感光器獲得圖像信息、使用超聲紅外傳感器精確確定探測目標(biāo)的位置。走機(jī)構(gòu),履帶具有較強(qiáng)的驅(qū)動力，可以在階梯上移動、重心低而穩(wěn)定。有可靠的機(jī)械系統(tǒng)和智能化的控制系統(tǒng)，可以在救災(zāi)現(xiàn)場惡劣的自然環(huán)境下工作。

　　

【正文】 視覺傳感器。 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，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 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 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 。 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 把光信號轉(zhuǎn)換成電荷信號。 CCD 上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，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 [25]。 CCD 圖像傳感器 可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像的傳輸、處理、獲取、存儲和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是： 輕； ，工作電壓低，抗沖擊與震動，使用性能穩(wěn)定，壽命長； ，噪聲低， 動態(tài)范圍 大； ，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像； 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)算方法簡單，每個 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]。在選購數(shù)碼攝像機(jī)的時候，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)?CCD 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，而因?yàn)?CCD 感光器件的價格昂貴，所以 3CCD 的數(shù)碼攝像機(jī)也會比較昂貴。一般 3CCD 數(shù)碼攝像機(jī)的像素，每個 CCD 在 34— 45萬個之間，也就是說，總像素是在 102— 135 萬之間。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，在一定程 度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼相機(jī)的級別。本論文的視覺傳感器選用 3CCD 感光器。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 29 3CCD感光器 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 個螺釘固定在箱體上。 超聲波傳感器測距原理： 超聲傳感器 對于距離的測量是利 用超聲波反射原理 ，從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。超聲波測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)射時刻的同時開始計(jì)時，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。超聲波 在 常溫下 的 空氣中傳播速度 是 340m/s，根據(jù)計(jì)時器記錄的時間 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。故在超聲波測量中， 傳感器 常使用 40KHz 的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米，是 一種 適合短距離 測量的方式。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)測距原理，測距系統(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。 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量精度的因素，使超聲傳感器在測量過程中存在較大的測量盲區(qū)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)將紅外測距作為超聲測距的補(bǔ)充，可以在很大程度上補(bǔ)充超聲測距的盲區(qū)。紅外傳感器的探測范圍最大半徑為 米。完全能夠覆蓋超聲測距的盲區(qū)。 給探測機(jī)器人配置了 8 路紅外傳 感器。紅外傳感器型號為 E18B0，其規(guī)格數(shù)據(jù)為： VCC: 6V36V(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 : 工程材料 。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 安裝方式 : 直徑 17mm 殼體螺紋，帶鎖緊螺母 。 3 探測機(jī)器人硬件系統(tǒng) 傳感器采集系統(tǒng) 救援機(jī)器人的傳感器主板如圖 31 所示： 圖 31 傳感器主板 圖中只顯示了一個超聲波傳感器，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)。 電源保護(hù)電路 為了便于用擴(kuò)展，對各擴(kuò)展卡的每一路電源以及信號都進(jìn)行可靠的保護(hù)，即 使 使用出現(xiàn)把 信號混亂、接反、短路 ，也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。 電源保護(hù)電路如圖 32： 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 32 電源保護(hù)電路 超聲波傳感器接線 超聲波傳感器 發(fā)射電路 如圖 33 所示： 圖 33 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 34 所示： 圖 34 超聲波傳感器接口 超聲波發(fā)射電路：由 555 定時器產(chǎn)生 40KHZ 的脈沖信號，加到超聲波探頭的引長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 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放大器芯片，對信號進(jìn)行放大處理。 CX20206 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)反射信號輸出微弱電 壓時放大器有較高的增益 ， 在近距離輸入信號強(qiáng)時放大器不會過載 。 紅外傳感器接線 紅外傳感器輸入接口如圖 35，傳感器供電為 5V， HY_OUT 為輸入端 。 圖 35 紅外傳 感器輸入接口電路 探測機(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。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)的控制語言； 本 畢業(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的 救援 探測機(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． 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； 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 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)； 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)字信號可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。 本設(shè)計(jì)選用三軸捷聯(lián)磁阻式數(shù)字磁羅盤，這種羅盤具有抗搖動和抗振性、航向精度較高、對干擾場有電子補(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) 傳感器測量平面地磁場，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，無磁。電子羅盤的原理是測量地球磁場，如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了 [36]。 無線電臺通訊系統(tǒng) 無線電通信是將需要傳送的數(shù)據(jù)、圖像、聲音、文字等 電信號調(diào)制在無線電波上經(jīng)空間和地面?zhèn)髦翆Ψ降耐ㄐ欧绞?，利用無線電磁波在空間傳輸信息的通信方式。利用 無線電波 傳輸信息的通信方式即稱 作 無線電通信，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)動性好，建立迅速。所以本文選用無線通訊。 無線電臺通訊系統(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。目前無線電臺通訊的波特率 19200。 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制原理 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制流程圖如圖 36 所示： 圖 36 電動機(jī)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，包括測速電路， PWM 波形發(fā)生器和 PWM 功放電路。 4 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)。這是一個依據(jù)事先和事后的信息而產(chǎn)生對機(jī)器人的控制命令的系統(tǒng)。信息主要來自人 機(jī)對話和感覺系統(tǒng) 。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)前。在計(jì)算機(jī)重要貯存好一個運(yùn)動模型，一個環(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)生一個對機(jī)器人的控制命令。 移動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 移動機(jī)器人控制技術(shù)是使移動機(jī)器人完成各種任務(wù)和動作所執(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)級語言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)。 移動機(jī)器人既是一個典型具有非完整約束的非完整控制系統(tǒng)，同時也是一個集環(huán)境感知、動態(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)。移動機(jī)器人在運(yùn)動過程中主要 通過調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動速度和運(yùn)動方向，使機(jī)器人按預(yù)設(shè)功能運(yùn)動。 一個在實(shí)際工作中的 救援 機(jī)器人，他的運(yùn)動由驅(qū)動器系統(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)對整個機(jī)器人的活動作決策和付諸實(shí)施。系統(tǒng)的控制部分的工作長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 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 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)的行動方式，任務(wù)的程序設(shè)計(jì)。 行動 控制信號的產(chǎn)生和實(shí)施。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 41所示 ： 圖 41 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 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)差錯時及時進(jìn)行更改，使其順利完成 任務(wù) 。 無線通訊模塊 計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的通信，考慮到自主式移動機(jī)器人 的特點(diǎn)， 采用 無線通信 的 通信方式。實(shí)驗(yàn)中，無線收發(fā)模塊采用基于單片機(jī)的 無線收發(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，無需設(shè)置模塊通信速率。 工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段 433MHz， FSK 調(diào)制，工作電壓 ，功耗小，