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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 輪式/四足可變形智能偵察機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 輪式/四足可變形智能偵察機(jī)器人是一款能在較復(fù)雜地形環(huán)境下行走運(yùn)動(dòng)的偵察機(jī)器人，它是在輪式運(yùn)動(dòng)的車(chē)體上增加四足行走機(jī)構(gòu)，通過(guò)車(chē)體變形達(dá)到行走模式轉(zhuǎn)變的目的，該機(jī)器人將輪式行走和四足行走兩種運(yùn)動(dòng)形式相結(jié)合，前者適于平坦地面的輪式快速移動(dòng)，后者適于較復(fù)雜地面（如廢墟）上的四足行走。同時(shí)可通過(guò)自行設(shè)計(jì)的手持遙控器對(duì)機(jī)器人移動(dòng)及攝像頭云臺(tái)進(jìn)行控制，將獲得的傳感器數(shù)據(jù)及視頻實(shí)時(shí)傳至手持遙控器及上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)。
- 詳細(xì)介紹：
- 1 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1. 1 嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 針對(duì)偵察行動(dòng)中對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的雙重需求，以及對(duì)機(jī)器人跟隨式遙控和計(jì)算機(jī)監(jiān)控的要求，設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，包括：機(jī)器人本體控制系統(tǒng)，手持式遙控器，上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件。 機(jī)器人本體控制系統(tǒng)包括：負(fù)責(zé)為整機(jī)各個(gè)部分提供電能的電源系統(tǒng)、負(fù)責(zé)整機(jī)控制的主控制電路、負(fù)責(zé)所有傳感器數(shù)據(jù)采集的傳感器控制電路、控制舵機(jī)動(dòng)作的舵機(jī)控制器、控制電機(jī)動(dòng)作的電機(jī)控制器、負(fù)責(zé)同手持遙控器無(wú)線通訊的無(wú)線模塊和拍攝圖像的無(wú)線攝像頭。 手持式遙控器包括：負(fù)責(zé)遙控器控制的遙控板、負(fù)責(zé)同機(jī)器人及計(jì)算機(jī)端監(jiān)控軟件通信的無(wú)線模塊、顯示無(wú)線攝像頭所拍攝頭像的顯示系統(tǒng)、顯示環(huán)境數(shù)據(jù)的LCD及指示燈系統(tǒng)和負(fù)責(zé)發(fā)出命令信息的矩陣式鍵盤(pán)。 上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件包括： 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的顯示、遙控器所傳回?cái)?shù)據(jù)的顯示、機(jī)器人各參數(shù)的在線設(shè)置、對(duì)機(jī)器人環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的報(bào)警系統(tǒng)和與手持遙控器交換信息等功能。 1.2 嵌入式控制系統(tǒng) 嵌入式控制系統(tǒng)主要分三部分：安裝于機(jī)器人體內(nèi)的機(jī)器人本體控制系統(tǒng)、手持式遙控器和上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件。 機(jī)器人本體控制系統(tǒng) 1. 主控制電路是整個(gè)機(jī)器人本體系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的接收，轉(zhuǎn)發(fā)及分析，遙控命令的執(zhí)行，直接控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 2. 傳感器控制電路、電機(jī)控制電路及舵機(jī)控制器的串口都與主控制電路的串口相連，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的串口通信方向控制電路，主控制電路可以與各個(gè)控制電路分時(shí)通訊。 3. 電機(jī)控制電路和舵機(jī)控制器受主控制電路直接控制。 4. 傳感器控制電路循環(huán)掃描環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議傳給主控制電路，主控制電路將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊轉(zhuǎn)發(fā)給手持遙控器，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。 5. 無(wú)線攝像頭將所攝圖像直接傳至手持遙控器上的接收機(jī)。 手持式遙控器 1. 遙控器電路是整個(gè)遙控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)從機(jī)器人處接收數(shù)據(jù)并顯示至LCD，同時(shí)將數(shù)據(jù)分析處理后轉(zhuǎn)發(fā)至計(jì)算機(jī)端監(jiān)控軟件。 2. 無(wú)線圖像接收機(jī)將接收到的圖像顯示在液晶屏上。 3. 通過(guò)矩陣鍵盤(pán)，可以對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)置或下達(dá)行動(dòng)命令，也可與計(jì)算機(jī)端軟件進(jìn)行通信。 上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件 1. 機(jī)器人姿態(tài)顯示窗口，顯示機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是以輪式運(yùn)動(dòng)，還是以四足行走。 2. 傳感器數(shù)據(jù)顯示窗口，顯示各個(gè)傳感器當(dāng)前數(shù)據(jù)。 3. 報(bào)警系統(tǒng)，可對(duì)機(jī)器人各個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。可對(duì)預(yù)警值進(jìn)行設(shè)置。 4. 通信窗口，可與手持遙控器進(jìn)行信息交換。 2 機(jī)器人本體說(shuō)明 2. 1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性說(shuō)明 本課題研究的輪式/四足可變形復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人從結(jié)構(gòu)上講是一種新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)概念和創(chuàng)新,它可以更好的把兩種單一運(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合, 達(dá)到更佳的工作效率和實(shí)用價(jià)值。 首先,引用中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：變?yōu)樗淖闶叫螒B(tài)時(shí)，機(jī)器人轉(zhuǎn)向任何方向后不影響運(yùn)動(dòng)方式, 依然可以前后左右進(jìn)行相同運(yùn)動(dòng)；變?yōu)檩喪叫螒B(tài)時(shí)，前后對(duì)稱。 其次, 各個(gè)關(guān)節(jié)相互獨(dú)立，可單獨(dú)控制。 第三, 利用增加的自由度，可實(shí)現(xiàn)更好的姿態(tài)控制。例如，輪式形態(tài)時(shí)，配合變形結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)改變重心高度，傾斜機(jī)身，左、右轉(zhuǎn)彎；四足形態(tài)時(shí)可實(shí)現(xiàn)高重心行走和低重心行走。 第四，利用機(jī)器人可轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐底盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)攝像頭的左右轉(zhuǎn)動(dòng)及機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)身。 復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人在秉承了多種移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí), 充分考慮到運(yùn)動(dòng)環(huán)境的影響, 對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境采用不同的運(yùn)動(dòng)方式, 以不同的運(yùn)動(dòng)方式各自的優(yōu)勢(shì)來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境?？梢愿鶕?jù)周?chē)h(huán)境的變化隨時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)姿態(tài),達(dá)到提高的運(yùn)動(dòng)效率的目的。例如同樣是輪式運(yùn)動(dòng)，但可以調(diào)整機(jī)器人重心的高低和左右偏移。如在寬闊平坦的路上以輪式運(yùn)動(dòng)方式, 在狹縫中可以采用低重心的輪式運(yùn)動(dòng)，當(dāng)路面不平整時(shí)可以改為四足行走。 也可根據(jù)偵查任務(wù)需要調(diào)整機(jī)器人的高低，進(jìn)而調(diào)整機(jī)身上攝像頭的視線范圍。例如，廢墟中有人困于一塊墻體下，機(jī)器人可身體放低，就可用攝像頭觀察廢墟中的情況。 2.2 運(yùn)動(dòng)模式說(shuō)明 整機(jī)自由度為17。 不同于一般四足機(jī)器人的單腿3自由度，本機(jī)器人單腿自由度為4，精確調(diào)整舵機(jī)動(dòng)作可更好地控制機(jī)器人姿態(tài)，可原地轉(zhuǎn)向。 機(jī)器人底部支撐底盤(pán)自由度為1。 四足式運(yùn)動(dòng)方式主要用于不適合輪式移動(dòng)的崎嶇路面。本機(jī)器人四足式運(yùn)動(dòng)采用靜態(tài)步行方式：即在任一時(shí)刻至少有3 條腿與地面接觸，用于支撐機(jī)器人本體，且保證機(jī)器人重心落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。 位于機(jī)器人中心有一個(gè)支撐底盤(pán)，自由度為1，可以接觸地面支撐整個(gè)機(jī)器人的重量，使得四條機(jī)械腿可以離開(kāi)地面，進(jìn)而控制整個(gè)機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向。 輪式運(yùn)動(dòng)方式應(yīng)用于較平坦地面的快速移動(dòng)。通常采用上圖所示姿態(tài)的四輪驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)行：將腳掌轉(zhuǎn)向機(jī)身外側(cè)，膝關(guān)節(jié)收緊，旋轉(zhuǎn)二號(hào)臀關(guān)節(jié)使膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪接觸地面，并支撐起來(lái)（如下圖），可用輪式在平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。輪式運(yùn)動(dòng)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的速度控制；一號(hào)臀關(guān)節(jié)及二號(hào)臀關(guān)節(jié)可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪之間相對(duì)位置，進(jìn)而控制行駛的位置和方向。同時(shí)利用PWM調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的差速驅(qū)動(dòng)。 2. 3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)部件說(shuō)明 不銹鋼部件 機(jī)器人結(jié)構(gòu)零件用型號(hào)304不銹鋼激光切割后，用彎折機(jī)彎折而成。（附有部分結(jié)構(gòu)零件工程圖紙及部分機(jī)器人分解圖） 舵機(jī) 本機(jī)器人采用的舵機(jī)產(chǎn)品型號(hào)為T(mén)OWERPRO MG995及9805MG，金屬齒輪，采用6伏電壓供電，力矩分別為13kg.cm和25kg.cm。 MG995安裝于一號(hào)臀關(guān)節(jié)、腳掌關(guān)節(jié)及支撐底盤(pán)。 9805MG安裝于二號(hào)臀關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)。 直流電機(jī) 本作品采用的直流電機(jī)調(diào)速性能好，起動(dòng)力矩大，采用降電壓起動(dòng)。即由單獨(dú)的可調(diào)壓直流電源對(duì)電機(jī)電樞供電，結(jié)合PWM、既可使電機(jī)平滑起動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 2. 4 嵌入式控制系統(tǒng) 系統(tǒng)整體功能說(shuō)明 如下圖為本系統(tǒng)的原理組成框圖，主要由主控制電路、串口方向選擇電路、傳感器控制電路、超聲波模塊控制電路、電源電路、電機(jī)控制電路、以及輔助電路組成。其中主控制電路、傳感器控制電路和電機(jī)控制電路主要由MCU及時(shí)序電路組成，負(fù)責(zé)相應(yīng)電路的時(shí)序控制、通信控制和數(shù)據(jù)處理；而串口方向選擇電路、超聲波模塊控制電路主要由組合邏輯電路組成，為系統(tǒng)提供高速的通信線路配置服務(wù)。電源電路則包含整個(gè)系統(tǒng)的電源供電接口，以及無(wú)線數(shù)傳模塊的3.3V供電電源。輔助電路則為系統(tǒng)提供一些輔助性服務(wù)，比如復(fù)位、指示燈等。 （附有整體系統(tǒng)PCB圖） 串口通信方向選擇電路 本系統(tǒng)使用多個(gè)單片機(jī)進(jìn)行協(xié)作的，各MCU各司其責(zé)，需要相互通信。一般情況下單片機(jī)系統(tǒng)的通信可以使用傳統(tǒng)單片機(jī)多機(jī)通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是本系統(tǒng)涉及到要與舵機(jī)控制器進(jìn)行通信的問(wèn)題。舵機(jī)控制器負(fù)責(zé)控制機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作，也通過(guò)串口與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。單片機(jī)通過(guò)串口向舵機(jī)控制器發(fā)送動(dòng)作指令，舵機(jī)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。如果還是使用傳統(tǒng)的多機(jī)通信協(xié)議，由于舵機(jī)控制器無(wú)法識(shí)別協(xié)議，將會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)執(zhí)行錯(cuò)誤的動(dòng)作。 因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)串口通信方向選擇電路，由主控MCU來(lái)進(jìn)行通信方向選擇，保證系統(tǒng)不發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作，而且設(shè)計(jì)增加一個(gè)這樣的電路有利于波特率不同的子系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。 （1）RXD選擇電路 RXD是單片機(jī)串口的數(shù)據(jù)接收端，這里特指主控制MCU的串口接收端。由于其通信方向是固定的，因此可以使用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)電路功能。本電路使用四選一數(shù)據(jù)選擇器74HC153實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能。被選擇的數(shù)據(jù)為子系統(tǒng)MCU的串口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXDn。當(dāng)子系統(tǒng)要求發(fā)生通信時(shí)，先申請(qǐng)，再由主控制MCU建立連接后便可進(jìn)行通信。 （2）TXD分配電路 TXD是單片機(jī)串口的數(shù)據(jù)發(fā)送端，這里特指主控制MCU的串口數(shù)據(jù)發(fā)送端。由于其數(shù)據(jù)傳輸方向是固定的，因此可以使用數(shù)據(jù)分配器實(shí)現(xiàn)其功能。本系統(tǒng)是使用2-4數(shù)據(jù)分配器/譯碼器74HC139實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分配功能。其數(shù)據(jù)輸入端為使能端E，當(dāng)E為高電平時(shí)，芯片的輸出端為高電平，當(dāng)E變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，被選中的輸出端變?yōu)榈碗娖?，從而?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分配功能。被分配的數(shù)據(jù)的目的端口就是子系統(tǒng)MCU的串口數(shù)據(jù)接收端RXDn。當(dāng)子系統(tǒng)要求發(fā)生通信時(shí)，先申請(qǐng)，再由主控制MCU建立連接后便可進(jìn)行通信。 主控制電路 主控制電路是機(jī)器人本體控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)舵機(jī)控制、命令下達(dá)、數(shù)據(jù)處理、全局控制、通信控制等，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。負(fù)責(zé)接收傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)及接受遙控器的命令，可對(duì)舵機(jī)控制器、電機(jī)控制器直接下達(dá)命令。（后附有主控制電路部分核心代碼） 通信部分 主控要和數(shù)據(jù)采集模塊，舵機(jī)控制器，無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行通信，其過(guò)程為不斷從數(shù)據(jù)采集模塊獲得環(huán)境采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的判斷，針對(duì)分析結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的控制命令，同時(shí)控制無(wú)線數(shù)傳模塊把相關(guān)信息發(fā)給遙控器和計(jì)算機(jī)端軟件。 數(shù)據(jù)分析部分 這一部分主要體現(xiàn)在程序設(shè)計(jì)上，通過(guò)分析障礙物和機(jī)器人的距離判斷是否遇到了臺(tái)階等的障礙物，另一方面對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷是否進(jìn)入了異常的環(huán)境。 傳感器控制電路 傳感器控制電路是機(jī)器人的感知系統(tǒng)，是直接對(duì)傳感器進(jìn)行操作并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的電路。電路由STC89C58組成控制元件，負(fù)責(zé)時(shí)序控制、數(shù)據(jù)獲取、與其他電路交換信息，并負(fù)責(zé)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)。與MCU直接相連的芯片為ADC0809，它是光線傳感電路的核心元件，負(fù)責(zé)光強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集。它也控制著超聲波選擇電路（第27頁(yè)有詳細(xì)說(shuō)明）。 電機(jī)控制電路 電機(jī)控制電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制及數(shù)據(jù)通信。其作用為產(chǎn)生PWM信號(hào)控制電機(jī)控制器，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該電路的核心元件為STC14C5410，該芯片具有四路PWM輸出可以對(duì)機(jī)器人的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行差速控制。其內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換模塊也可應(yīng)用到相關(guān)電路中，方便拓展更多功能，例如對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行測(cè)速等。 其他電路 包括電源接口、無(wú)線數(shù)傳模塊穩(wěn)壓電源電路及接口電路、濾波電容、蜂鳴器控制電路、指示燈電路、復(fù)位電路等。這些電路能對(duì)系統(tǒng)電路的工作提供必要的輔助。 舵機(jī)控制器 此舵機(jī)控制器是整個(gè)機(jī)器人動(dòng)作控制的核心部件，是本機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形適應(yīng)能力的基礎(chǔ)。 本機(jī)器人利用了舵機(jī)控制器的17路輸出來(lái)控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)。 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 本機(jī)器人利用此模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)5個(gè)光敏電阻的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 ADC0809 是帶有8位A/D 轉(zhuǎn)換器、8 路多路開(kāi)關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS 組件。它是逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。OE 為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0 為數(shù)字量輸出線。CLK 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809 的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。 光強(qiáng)傳感器 本機(jī)器人使用光敏電阻檢測(cè)環(huán)境中的光強(qiáng)，通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理和控制，其中光敏電阻和AD的連接電路如下圖所示。 器件簡(jiǎn)介：光敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的。它所用的材料主要有：硒、硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍、硒化鎘、硒化鋅、砷化鎵、硅等。其中對(duì)可見(jiàn)光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種。光敏電阻在使用時(shí)，可以加直流偏壓，也可以加交流偏壓，它的電流隨電壓呈線性變化。光敏電阻在無(wú)光照時(shí)，其暗阻值一般大于1500 kΩ ，在有光照時(shí)，其亮阻值為幾千歐，兩者相差大。 溫度傳感器 DS18B20 本機(jī)器人采用一共5個(gè)溫度傳感器進(jìn)行對(duì)機(jī)器人自身溫度和環(huán)境溫度的測(cè)量。 簡(jiǎn)介：此處使用度傳感器是DS18B20數(shù)字溫度計(jì)，它是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以連接多個(gè)數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 本機(jī)器人利用了DS18B20產(chǎn)品的如下特點(diǎn)： （1）用一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 （2）每個(gè)DS18B20中都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。 （3）實(shí)際應(yīng)用中不需要外圍電路即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 超聲波測(cè)距系統(tǒng) 超聲波模塊 采用壓電脈沖反射式超聲波收發(fā)器。 超聲波模塊控制電路 一個(gè)超聲波模塊要占用兩位IO口，而本系統(tǒng)所使用的超聲波模塊的數(shù)量達(dá)到16個(gè)，因?yàn)槌暡K無(wú)使能端，無(wú)法復(fù)用端口，若模塊直接與單片機(jī)相連，將會(huì)占用單片機(jī)32位I/O口，且這些I/O將無(wú)法和其他部件共用。為了節(jié)約端口資源，提高M(jìn)CU資源的利用率，必須設(shè)計(jì)添加超聲波模塊控制電路。 （1）TX端口分配電路 TX是單片機(jī)向超聲波模塊發(fā)送信號(hào)的端口，其數(shù)據(jù)方向是固定的，因此可以使用數(shù)據(jù)分配器來(lái)實(shí)現(xiàn)電路功能。TX端口分配電路的原理圖如圖1的下半部分所示。其核心元件是3-8譯碼器74HC138，由兩片74HC138組成4-16數(shù)據(jù)分配器。 由于74HC138的輸出端口在沒(méi)有選通的情況下是輸出高電平的，這樣會(huì)造成超聲波模塊誤觸發(fā)，不斷地發(fā)送超聲波干擾正在工作的模塊，因此要在74HC138的輸出端接上非門(mén)。74HC138的輸入數(shù)據(jù)是從使能端OE1輸入的，這是為了保證數(shù)據(jù)相位的正確，當(dāng)OE1為高電平時(shí)，芯片上被選擇的輸出端變?yōu)榈碗娖?，?duì)應(yīng)的非門(mén)就會(huì)輸出高電平；當(dāng)OE1為低電平時(shí)，芯片的輸出端變?yōu)楦唠娖?，?duì)應(yīng)非門(mén)變?yōu)榈碗娖剑@就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分配功能。非門(mén)U1A輸入端為地址端的最高位A4，通過(guò)這個(gè)非門(mén)對(duì)兩個(gè)芯片的使能端OE2A和OE2B的控制，就可以把兩片3-8數(shù)據(jù)分配器組合成4-16數(shù)據(jù)分配器。 （2）RX端口選擇電路 RX是超聲波向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的端口，其數(shù)據(jù)傳輸方向是固定的，因此可以用數(shù)據(jù)選擇器來(lái)實(shí)現(xiàn)電路功能。RX端口選擇電路的原理圖如圖1的上半部分所示。其核心元件是8選1數(shù)據(jù)選擇器74HC151，由兩片74HC151組成16選1數(shù)據(jù)選擇器。 非門(mén)U1A輸入端為地址端的最高位A4，通過(guò)這個(gè)非門(mén)對(duì)兩個(gè)芯片的使能端STB的控制，就可以把兩片8選1數(shù)據(jù)選擇器組合成16選1數(shù)據(jù)選擇器。為了避免邏輯錯(cuò)誤，兩片8選1數(shù)據(jù)選擇器的輸出端需使用或門(mén)來(lái)進(jìn)行端口合并。 軟件控制系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)必須配上適當(dāng)?shù)目刂栖浖到y(tǒng)才能正常工作。對(duì)本功能電路進(jìn)行控制的程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，統(tǒng)一放在頭文件中，其接口函數(shù)為： unsigned char readdis(unsigned char n)； 這個(gè)函數(shù)的返回值就是以厘米為單位的整數(shù)距離值，這個(gè)值的最大值為255cm，已經(jīng)能滿足系統(tǒng)的需要。入口參數(shù)n為指定超聲波模塊的序號(hào)，函數(shù)將會(huì)根據(jù)序號(hào)給出硬件地址并進(jìn)行距離測(cè)量。該超聲波控制程序具有防卡死功能，當(dāng)測(cè)量距離超出范圍或沒(méi)有返射信號(hào)時(shí)，函數(shù)可以自動(dòng)結(jié)束等待并返回最大值255cm。 無(wú)線數(shù)傳模塊 NRF24L01P+PA+LNA無(wú)線數(shù)傳模塊工作于免許可證的2.4G ISM頻段,可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或組成星型網(wǎng)絡(luò),此模塊的核心為挪威NORDIC公司的最新的高性能無(wú)線數(shù)傳芯片NRF24L01+,外圍輔助以大功率PA和LNA芯片,射頻開(kāi)關(guān),帶通濾波器. 本作品使用的51內(nèi)核的STC89C58單片機(jī)不具備SPI硬件接口，所以用了一組I/O口實(shí)現(xiàn)了模擬SPI協(xié)議。 無(wú)線攝像頭 攝像頭安裝位置為機(jī)器人底部的支撐底盤(pán)（云臺(tái)）上，可上下調(diào)整或隨底盤(pán)左右旋轉(zhuǎn)，具備更好的視野。 本機(jī)器人使用彩色 CMOS無(wú)線攝像頭，可同時(shí)承載音頻信號(hào)，在救災(zāi)中達(dá)到更好的效果。 2.5 手持式遙控器模塊說(shuō)明 手持式遙控器整體功能 本遙控器是連接機(jī)器人本體系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的中間節(jié)點(diǎn)，起到了信息轉(zhuǎn)發(fā)的作用。其主要功能是顯示機(jī)器人所攝實(shí)時(shí)圖像，顯示機(jī)器人周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，以及遙控機(jī)器人的各種動(dòng)作。 遙控器接收機(jī)器人發(fā)出的環(huán)境數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析并判斷機(jī)器人目前所處的環(huán)境以及是否有特殊事件，比如前進(jìn)途中有溝壑障礙或環(huán)境溫度過(guò)高等，然后將環(huán)境數(shù)據(jù)及分析結(jié)果同時(shí)顯示在液晶屏上，供操作者參考，操作者可以按下不同的按鍵發(fā)送具體指令，完成相應(yīng)的動(dòng)作。 7寸彩色液晶屏 與無(wú)線攝像頭的手動(dòng)諧調(diào)接收器相連，顯示機(jī)器人所攝圖像。（后附實(shí)物圖及主要參數(shù)） 矩陣鍵盤(pán) 鍵盤(pán)的功能是供操作者發(fā)送指令或設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式，如前進(jìn)，后退，變形等。 分為兩部分：1)機(jī)器人模式設(shè)置鍵, 可對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行設(shè)置；2)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制鍵,可對(duì)機(jī)器人前進(jìn)后退等運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。 藍(lán)牙模塊 藍(lán)牙模塊是手持遙控器和計(jì)算機(jī)的連接紐帶，通過(guò)藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)等發(fā)送到計(jì)算機(jī)端監(jiān)控軟件，計(jì)算機(jī)端監(jiān)控軟件可以發(fā)送簡(jiǎn)單的文字信息到手持遙控器 液晶顯示模塊 其主要工作是顯示環(huán)境數(shù)據(jù)和與計(jì)算機(jī)端監(jiān)控軟件交換的信息。 2.4上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件說(shuō)明 監(jiān)控軟件是救災(zāi)指揮中心所使用的，其可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)，有報(bào)警功能，可同手持遙控器進(jìn)行通訊。是對(duì)手持遙控器的補(bǔ)充。
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設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的: 地震等自然災(zāi)害導(dǎo)致巨大的傷亡。為減少救援的二次傷亡，做好前期偵察非常必要。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了能夠在搜救前快速執(zhí)行任務(wù)的偵察機(jī)器人，為開(kāi)展搜救，減少傷亡提供更先進(jìn)的救災(zāi)設(shè)備。 思路: ①為順利執(zhí)行偵察任務(wù)，機(jī)器人應(yīng)有良好的快速機(jī)動(dòng)能力和地形適應(yīng)能力，所以特別設(shè)計(jì)了基于輪式行走和四足行走的復(fù)合式可變形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu),既能以四輪驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng),也能通過(guò)變形成為四足方式運(yùn)動(dòng)行走。 ②控制系統(tǒng)模塊化，方便系統(tǒng)搭建拓展。 ③安裝攝像頭及多種傳感器。 ④設(shè)計(jì)手持式遙控器,可遠(yuǎn)程觀察和遙控機(jī)器人。 ⑤開(kāi)發(fā)上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件，可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上位機(jī)監(jiān)控。 創(chuàng)新點(diǎn): ①輪式機(jī)器人與四足機(jī)器人相結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)動(dòng)性和地形適應(yīng)性強(qiáng)，單腿4自由度，可改變運(yùn)動(dòng)模式，適應(yīng)在多種地形下的運(yùn)動(dòng)要求。 ②可用手持式遙控器在遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控和獲取偵察信息，上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、上位機(jī)監(jiān)控和信息存儲(chǔ)。機(jī)器人、遙控器和監(jiān)控軟件三位一體，快速可靠地執(zhí)行偵察任務(wù)。 技術(shù)關(guān)鍵: ①基于輪式機(jī)器人與四足機(jī)器人相結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，科學(xué)地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。 ②機(jī)器人變形及行走動(dòng)作的仿生設(shè)計(jì)。 ③設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，遙控系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)軟件三部分。 技術(shù)指標(biāo): ①機(jī)器人四足行走轉(zhuǎn)彎半徑1米，四足式行走0.1米/秒。 ②輪式行進(jìn)最高速度2米/秒，轉(zhuǎn)彎半徑1米。 ③視頻傳輸距離一百米,遙控距離可達(dá)一千米。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性： 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)線通信，信息處理，自動(dòng)控制，仿生學(xué)等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集：復(fù)合式運(yùn)動(dòng)方式提供強(qiáng)于單一運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的機(jī)動(dòng)能力，具備輪式的快速運(yùn)動(dòng)能力及多足式的地形適應(yīng)能力；使用測(cè)距，溫度，氣體等傳感器以及攝像頭，為偵察提供更多數(shù)據(jù)。 手持式遙控器及上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件：人性化設(shè)計(jì)的上位計(jì)算機(jī)平臺(tái)監(jiān)控軟件為手持式遙控器在數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行補(bǔ)充。 先進(jìn)性： 結(jié)合輪式和多足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，有獨(dú)特的變形結(jié)構(gòu)，變形幅度大，動(dòng)作靈活，能適應(yīng)復(fù)雜地形，提高機(jī)器人的移動(dòng)效率。機(jī)器人單腿4自由度，比傳統(tǒng)的2自由度或3自由度足式機(jī)器人有更強(qiáng)的姿態(tài)控制能力。驅(qū)動(dòng)輪與關(guān)節(jié)各自獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采用輪式或者四足式運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)受到另一種結(jié)構(gòu)的影響。中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：變?yōu)樗淖闶叫螒B(tài)時(shí)，機(jī)器人轉(zhuǎn)向任何方向后不影響運(yùn)動(dòng)方式,依然可以前后左右進(jìn)行相同運(yùn)動(dòng)；變?yōu)檩喪叫螒B(tài)時(shí)，前后對(duì)稱。利用腿部冗余自由度，可實(shí)現(xiàn)更佳的姿態(tài)控制。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年在學(xué)校某科技競(jìng)賽中獲得校“特等獎(jiǎng)”。 2011年第八屆“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽獲得“特等獎(jiǎng)”。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無(wú)技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：機(jī)器人啟動(dòng)后將數(shù)據(jù)及圖像傳回手持式遙控器及上位計(jì)算機(jī)平臺(tái),可遙控具體動(dòng)作和運(yùn)行方式。遙控器實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)及所攝圖像,電腦端監(jiān)控軟件可保存歷史數(shù)據(jù)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1）復(fù)合式結(jié)構(gòu),輪式或四足運(yùn)動(dòng)，形態(tài)轉(zhuǎn)換靈活，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。 2）自帶電池運(yùn)行，遙控距離遠(yuǎn)。以遙控器及監(jiān)控軟件作為輔助，利于執(zhí)行偵察任務(wù)。 3）零件易加工，組裝簡(jiǎn)便。 適應(yīng)范圍：適于在地震廢墟、洞穴、敵方布防區(qū)域等環(huán)境中執(zhí)行偵察任務(wù)。 推廣前景：地震等自然災(zāi)害，安全事故和暴力犯罪事件中，由于環(huán)境偵察不足造成人員的二次傷亡是一個(gè)突出的問(wèn)題。若本機(jī)器人進(jìn)行大范圍部署，可減少救災(zāi)、救援等二次人員傷亡。軍用可增強(qiáng)軍隊(duì)偵察能力。因此，本偵察機(jī)器人具有良好的應(yīng)用前景。 市場(chǎng)分析：可作為“救災(zāi)偵察機(jī)器人”，“巡邏安保機(jī)器人”或“軍用偵察機(jī)器人”等使用，有效減少人員傷亡。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：批量生產(chǎn)成本約為7500元。有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
同類課題研究水平概述
- 單一運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀： 地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有很多?；旧峡梢苑譃檩喪揭苿?dòng)機(jī)器人、足式移動(dòng)機(jī)器人和蠕動(dòng)爬行移動(dòng)機(jī)器人等。足式移動(dòng)機(jī)器人與輪式移動(dòng)機(jī)器人相比,優(yōu)點(diǎn)是對(duì)行走路面的要求低,可以跨越障礙物、過(guò)沙地、沼澤等特殊路面,用于工程探險(xiǎn)勘測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等人類無(wú)法完成的或危險(xiǎn)的工作。 日本東京工業(yè)大學(xué)的四足移動(dòng)機(jī)器人TITAN-VIII，行走速度一般在0.3～0.9m/s之間。卡爾斯魯厄大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)研發(fā)中心研發(fā)的六足行走機(jī)器人LAURON II最快速度0.5m/s。美國(guó)武器合約商波士頓動(dòng)力公司研發(fā)“大狗”運(yùn)輸機(jī)器人可以1.5m/s行進(jìn)。 就其移動(dòng)速度來(lái)看，四足移動(dòng)機(jī)器人的速度并不理想。而輪式移動(dòng)機(jī)器人則有較高的運(yùn)動(dòng)速度, 在平坦的環(huán)境中具有獨(dú)特的優(yōu)越性，同時(shí),輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)比較容易,穩(wěn)定性也較足式機(jī)器人好。但避障能力和非結(jié)構(gòu)環(huán)境下移動(dòng)性能不如多足式移動(dòng)機(jī)器人。 輪式機(jī)構(gòu)由于存在轉(zhuǎn)彎半徑大、與地面易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)等,降低了機(jī)器人的靈活性,不適于在密集的環(huán)境中運(yùn)行,嚴(yán)重阻礙了移動(dòng)機(jī)器人的通用化。 單一運(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)器人在機(jī)器人研究領(lǐng)域已得到深入的研究。但單一方式的移動(dòng)機(jī)器降低了其運(yùn)動(dòng)的環(huán)境適應(yīng)性且影響運(yùn)動(dòng)效率。 復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀： 2006年山東科技大學(xué)發(fā)表文章提出了一種多足式和履帶試結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。單腿自由度為2，整體結(jié)構(gòu)為前后、左右對(duì)稱。文章未提及的是，此機(jī)器人在以多足式行走時(shí)，為了防止履帶滑動(dòng)，應(yīng)加入抱死系統(tǒng)，這增加了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。 清華大學(xué)提出一種多足式與輪式結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。同樣，單腿自由度為2，整體結(jié)構(gòu)為前后、左右對(duì)稱。驅(qū)動(dòng)輪與關(guān)節(jié)結(jié)合為一體，用離合器控制驅(qū)動(dòng)輪或關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。增加了關(guān)節(jié)處的機(jī)械結(jié)構(gòu)及具體控制的復(fù)雜度。 從以上研究能發(fā)現(xiàn)，單腿自由度都為2，整體結(jié)構(gòu)為前后、左右對(duì)稱。在機(jī)器人以多足式行走時(shí)，其在轉(zhuǎn)向及姿態(tài)控制方面顯得不足。缺少自由度，重心偏移控制不足。同時(shí)，以輪式或履帶式運(yùn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑大。 現(xiàn)階段大部分具有改變運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)能力的機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)的改變還停留在較小幅度。美國(guó)最新的核動(dòng)力探測(cè)車(chē)“好奇”號(hào)，其驅(qū)動(dòng)部分可以自適應(yīng)地形，6個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的中心點(diǎn)可以在多個(gè)平面上變化，但其變化后依然是以輪式來(lái)運(yùn)動(dòng)的。
