《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)
自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第5期
楊久紅1,,王小增1,2,,李明庭1,,劉祖強(qiáng)1,黃澤鵬1
1.嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,,廣東 梅州514018,; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,陜西 西安710072
摘要: 闡述了GPS自動(dòng)導(dǎo)航的履帶式探測(cè)機(jī)器人的工作原理,,設(shè)計(jì)并制作了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送接收、機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,,給出了基于虛擬儀器環(huán)境下的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,。測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)誤差平均值為1.085 m,相對(duì)誤差平均值為4.34%,。該自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人可以替代人完成一些危險(xiǎn)的工作,。
中圖分類號(hào): TP273
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)05-0037-04
Design of automatic navigation tracked detection robot
Yang Jiuhong1,Wang Xiaozeng1,,2,,Li Mingting1,Liu Zuqiang1,,Huang Zepeng1
1.The School of Electronics and Information Engineering, Jiaying University,,Meizhou 514018,China,; 2.The School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,,China
Abstract: The main working principle of the GPS automatic navigation tracked detection robot(GANTDR) is illustrated. The mechanical structure and the hardware circuits which is composed of the data acquisition, the data wireless send and receive, the GANTDR motor drive circuit are designed. The realization method of automatic navigation system under the LabVIEW environment is realized. The result of experiment indicates that the absolute error of automatic navigation is 1.086 m,and the relative error is 4.34%. The GANTDR can replace humanity to accomplish some danger works.
Key words : GPS,;automatic navigation,;tracked robot;data acquisition

    在對(duì)人類具有威脅,、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合中,,移動(dòng)機(jī)器人發(fā)揮著重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外研制的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式以輪式或履帶式居多,在爬越坡面,、跨越障礙,、壕溝以及在濕地、碎石路面,、泥濘地面上行走時(shí),,履帶式機(jī)器人具有一定的優(yōu)越性[1-3]。定位和導(dǎo)航技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),,移動(dòng)機(jī)器人必須準(zhǔn)確獲取自身位置信息以有效完成指定功能,。采用差分GPS系統(tǒng)或者慣性制導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航,,但成本高昂,目前多用于軍事,、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域[4-5],。低成本的定位導(dǎo)航技術(shù)仍然是阻礙移動(dòng)機(jī)器人推廣應(yīng)用的瓶頸。本文設(shè)計(jì)并制作的機(jī)器人可以解決此問(wèn)題,。

1 工作原理
    GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人總體原理框圖如圖1所示,,是以履帶式移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人底盤(pán),利用機(jī)器人的行駛功能并加以改造,。在機(jī)器人上搭載GPS、電子羅盤(pán),、溫濕度傳感器作為信息采集單元,;搭載紅外傳感器與驅(qū)動(dòng)電路作為機(jī)器人控制單元。信息采集單元與機(jī)器人控制單元都由單片機(jī)實(shí)現(xiàn),。LabVIEW編寫(xiě)的上位機(jī)程序構(gòu)成了導(dǎo)航計(jì)算單元,,通過(guò)無(wú)線通信模塊與信息采集單元、機(jī)器人控制單元形成一個(gè)自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)系統(tǒng),,機(jī)器人上載有數(shù)字?jǐn)z像機(jī),,可以對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境進(jìn)行直觀地探測(cè)。


2 硬件電路設(shè)計(jì)
    GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人硬件電路包括車載的信息采集單元電路,、控制單元電路以及上位機(jī)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)電路,。硬件電路的主要功能是將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī);接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)控制自動(dòng)導(dǎo)航機(jī)器人的運(yùn)行,。
2.1 信息采集單元電路
    本設(shè)計(jì)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng),,定位采用絕對(duì)定位法[6]。方位角的獲得采用GY-26平面數(shù)字羅盤(pán)模塊,,此羅盤(pán)以 RS232協(xié)議與其他設(shè)備通信,,具有重新標(biāo)定的功能,能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角,,其輸出的波特率為9 600 b/s,,具有磁偏角補(bǔ)償功能,可適應(yīng)不同的工作環(huán)境[7],。
    采集單元電路使用兩塊單片機(jī)作為信息采集處理器,,如圖2所示。一塊為STC89C52,,作從處理器,,用于對(duì)GPS傳來(lái)的多種NMEA語(yǔ)句中“GPRMC”語(yǔ)句的提取,并把數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機(jī)串口2的接收口,,以及對(duì)溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,;另一塊為STC12C5A60S2雙串口單片機(jī),,串口1用于對(duì)電子羅盤(pán)的控制與信息獲取,串口2的發(fā)送口用于對(duì)從機(jī)上傳的“GPRMC”語(yǔ)句再次篩選以及把所有信息(經(jīng)度,、緯度,、速度、方位角,、濕度,、溫度)打包后通過(guò)無(wú)線通信模塊APC220發(fā)給上位機(jī)。同時(shí)將經(jīng)緯度,、時(shí)間,、方位角在LCD12864液晶屏上顯示出來(lái)。

2.2 控制單元電路

 


    控制單元采用STC89C52作為處理器,,如圖3所示,。機(jī)器人通過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)線接收模塊APC220接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的角度和距離數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)由字符型轉(zhuǎn)換成整型,,執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作,,達(dá)到對(duì)機(jī)器人的比例控制,向目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn),。單片機(jī)的I/O口接驅(qū)動(dòng)電路的輸入端,,在L298的兩個(gè)使能端的控制下,機(jī)器人直流電機(jī)可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),,從而使機(jī)器人前進(jìn),、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn),。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分采用的L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路,,其輸出電流為2 A,最高電流為4 A,,最高工作電壓為50 V,。機(jī)器人采用的電機(jī)工作電壓為7.2 V,工作電流為160 mA~180 mA,。
    避障功能采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn),,傳感器集發(fā)射器和接收器于一體,DATA端接單片機(jī)的I/O口,,單片機(jī)通過(guò)掃描I/O口可以判斷前方是否有障礙物,。當(dāng)有障礙物時(shí),物體將發(fā)射器發(fā)射足夠量的光線反射到接收器,,接收器即產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào),,信號(hào)線低電平輸出,正常狀態(tài)是高電平輸出,。檢測(cè)有效距離為0 cm~80 cm,,自動(dòng)避障后,,繼續(xù)按照原來(lái)的路徑前進(jìn)。
2.3 上位機(jī)無(wú)線收發(fā)單元電路
    上位機(jī)無(wú)線收發(fā)單元由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及無(wú)線收發(fā)模塊APC220構(gòu)成,。APC220接收GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人采集的GPS信號(hào),,經(jīng)過(guò)MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成PC端能識(shí)別的232電平。上位機(jī)根據(jù)收到的GPS信號(hào)為GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人規(guī)劃好路徑,,通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊APC220,,向GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人控制單元發(fā)出控制指令,從而使GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定目標(biāo),,如圖4所示,。


3 自動(dòng)導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)程序在LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā),下位單片機(jī)程序采用C51開(kāi)發(fā),。下位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件用于接收GPS,、電子羅盤(pán)、溫度等數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī),,下位機(jī)控制軟件負(fù)責(zé)接收上位機(jī)控制指令并控制機(jī)器人的運(yùn)行。上位機(jī)程序用來(lái)接收下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,,并規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)行路徑,。
3.1 自動(dòng)導(dǎo)航算法
    通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊,上位機(jī)獲取機(jī)器人所在位置的經(jīng)緯度,、方位角等數(shù)據(jù),;由于目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度已知,所以可以通過(guò)高斯-克呂格投影變換法得到目標(biāo)點(diǎn)與出發(fā)點(diǎn)的直角坐標(biāo),;由電子羅盤(pán)檢測(cè)機(jī)器人的指向角來(lái)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人路徑,。由于機(jī)器人受重心以及各種外界因素的影響,行駛過(guò)程可能出現(xiàn)偏差,。因此,,采用反饋校正的方式,即發(fā)送給機(jī)器人指令前一瞬間當(dāng)作機(jī)器人的起始位置,,再次與目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行路徑規(guī)劃,。自動(dòng)校正指令發(fā)送的周期可以根據(jù)實(shí)際情況加以設(shè)置。當(dāng)機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)非常接近時(shí)(3 m~6 m),,上位機(jī)發(fā)送最后一次指令給機(jī)器人(即上位機(jī)不再發(fā)送指令給機(jī)器人),,避免由GPS模塊精度不高而帶來(lái)的機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)打轉(zhuǎn)的問(wèn)題。
3.2 GPS數(shù)據(jù)提取程序設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)提取程序流程如圖5所示,,當(dāng)數(shù)據(jù)幀頭為$GPRMC時(shí),,提取并顯示目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度、速度,、時(shí)間和溫濕度,。

3.3 上位機(jī)程序
    上位機(jī)對(duì)機(jī)器人控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式,。自動(dòng)導(dǎo)航適用于遠(yuǎn)距離導(dǎo)航,在上位機(jī)輸入指定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度,,通過(guò)轉(zhuǎn)換,,最后發(fā)給機(jī)器人的是一個(gè)角度和距離,機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)后向目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn),。在行駛過(guò)程中可以對(duì)行駛路線進(jìn)行若干次自動(dòng)校正,,以提高導(dǎo)航能力。手動(dòng)控制通過(guò)上位機(jī)發(fā)送響應(yīng)指令控制機(jī)器人的前后左右動(dòng)作,,適合短距離位置調(diào)整和探測(cè),。上位機(jī)程序流程圖如圖6所示。


4 機(jī)器人系統(tǒng)測(cè)試
    對(duì)硬件電路制作的GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn),,并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,。
    自動(dòng)導(dǎo)航試驗(yàn)地點(diǎn)選于某地一廣場(chǎng),首先運(yùn)行LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件,,先采集目標(biāo)位置,,并顯示到上位機(jī)監(jiān)控軟件中;然后把GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人拿到出發(fā)位置,;最后在上位機(jī)監(jiān)控軟件界面上點(diǎn)擊自動(dòng)導(dǎo)航按鈕,,機(jī)器人自動(dòng)向目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)發(fā)。其中,,試驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)經(jīng)緯度為(E11607.45785,、N2419.88293),目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度為(E11607.45931,、N2419.88526),,實(shí)際距離為25 m。通過(guò)10次機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航試驗(yàn),,測(cè)得機(jī)器人最后停止位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離如表1所示,。測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)誤差平均值為1.085 m,相對(duì)誤差平均值為4.34%,。
    本文介紹的GPS自動(dòng)導(dǎo)航履帶式探測(cè)機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)能力強(qiáng),,可以在對(duì)人體有害的環(huán)境中代替人運(yùn)動(dòng)到指定位置,完成數(shù)據(jù)采集任務(wù),,完成一些危險(xiǎn)的工作,。在前往目標(biāo)點(diǎn)的途中機(jī)器人能實(shí)時(shí)測(cè)量并發(fā)送當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、溫濕度,、有害氣體濃度,、機(jī)器人的方位角、速度等,數(shù)字?jǐn)z像機(jī)能實(shí)時(shí)反映機(jī)器人周圍的環(huán)境,,并在上位機(jī)主界面上,,直觀地顯示出所采集的各種信息;導(dǎo)航的平均誤差為1.086 m,,最大數(shù)據(jù)采集間間隔為3 s,,無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220的無(wú)線傳輸距離為1 000 m,能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)距離監(jiān)控,。
參考文獻(xiàn)
[1] LIU J G,,WANG Y C,MA S G,,et al.Analysis of stairs  climbing ability for a tracked reconfigurable modular robot[C].Proceedings of the 2005 IEEE International Workshop on Safety,,Security and Rescue Robotics Kobe.Japan:IEEE,2005:36-41.
[2] 姜紅娟,,孟慶鑫.城市主排水管道穿纜檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)特性的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,,2006.
[3] LI Y W,GE S R,,F(xiàn)ANG H F,,et al.Effects of the fiber releasing on step-climbing performance of the articulated tracks robots[C].Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Guilin,China:IEEE,,2009:818-823.
[4] 賈銀山,,賈傳熒,魏海平,,等.基于GPS和電子海圖的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,,29(1):194-195,,255.
[5] 劉晶,劉鈺,,陸雨花.基于FPGA+ARM的視覺(jué)導(dǎo)航輪式機(jī)器人[J].計(jì)算機(jī)工程,,2010,36(21):194-195,,198.
[6] 田學(xué)軍.非差分GPS在移動(dòng)機(jī)器人位點(diǎn)導(dǎo)航中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,,2009,31(6):78-81.
[7] 于日平,,王德興.基于GPS與電子羅盤(pán)的定向天線自動(dòng)定向裝置[J].微計(jì)算機(jī)信息,,2009(25):121-122.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。