基于慧魚技術的小型偵察機器人方案設計

鄧成軍， 何 俊， 李 鋒

(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

0 引 言

隨著社會經濟的迅猛發展以及大型石油化工企業、隧道、地鐵等建設的不斷增多，化學危險品泄漏以及燃燒、爆炸等事故隱患的增加，事故概率提高[1]。一旦發生危險災害事故，經常會遇到情況不明、救援人員面對高溫、輻射、有毒和濃煙等危險環境時，根本無法接近事故現場。基于以上綜合考慮，本文設計一款小型偵察機器人，代替救援人員進入情況不明或難以進入的事故場合去查明現場情況、則可大大減小人員傷亡，提高保障能力和工作效率。

慧魚創意組合模型是技術含量很高的工程技術類智趣拼裝模型[2-3]。它由機械構件、電氣構件、傳感器、氣動構件、電腦控制器及軟件所組成的系統等不同模塊組成[4]；以機械傳動為核心,融傳感器技術、計算機技術、自動控制技術、機器人技術于一體的教學及仿真模型[5]。對于學生直觀、快速地掌握各知識點，具有良好的促進作用，同時能激發學生的創新思維和創新能力[6-8]。本文設計并制作拼裝了小型偵察機器人，主要對偵察機器人的機械系統和控制系統進行了設計。

1 機械系統設計方案

偵察機器人一般要求具有體積小、質量輕、機動性好、轉向靈活，可以方便攜帶進入偵察地點，并且能夠在短時間內準備就緒并投入工作[9]。

根據以上功能目標，小型偵察機器人的機械系統主要有行走動力及輪式移動機構、攝像頭的角度升降機構兩大部分組成，實物模型如圖1所示。

圖1 小型偵察機器人模型

1.1 行走動力及輪式移動機構

偵察車的常規行走動力由兩臺伺服電動機來完成，再通過齒輪傳動來增大其扭矩，其傳動結構示意圖如圖2所示，兩臺電動機可以為車輛的行駛提供足夠的動力，保證行駛速度，并且可以通過兩臺電動機的互相配合達到轉向的目的[10]。車輛的驅動前輪采用越野橡膠輪胎，保證車輪和路面有良好的附著性，以提高偵察車的牽引力、制動性和通過性。后輪采用兩個萬向車輪，以保證車輛在兩個前輪的互相配合下，能夠實現轉彎，以及原地掉頭等功能。

1-電動機M1，2-車輪，3-齒輪，4-電動機M2

圖2 行走動力及輪式移動機構示意圖

1.2 攝像頭的角度升降機構

在偵察機器人前方和攝像頭支臂之間安裝了蝸輪蝸桿機構，主要用于傳遞空間交錯兩軸之間的運動和動力，交錯角一般為90°，在彼此既不平行又不相交的情況下，通常蝸桿是主動件，蝸輪是被動件。使其相互配合可以實現支臂的角度升降調整。在本設計中，小型偵察車的攝像頭角度升降由電動機進行驅動，并且通過多級齒輪減速來驅動蝸桿，如圖3所示，蝸輪與攝像頭的支臂相聯接，該機構可以實現攝像頭與車體本身90°范圍內的任意角度升降調整，以此來擴大攝像頭的視覺范圍。

1-蝸桿，2-蝸輪，3-齒輪箱，4-電動機M3

圖3 攝像頭角度升降機構示意圖

2 控制系統設計方案

偵察機器人一般工作在未知的環境里[11]，它要求偵察機器人具有局部的環境感知、自動檢障和避障、局部自主移動導航等能力，能夠自主完成操作員規劃好的任務，而復雜環境分析、任務規劃、路徑選擇等工作由操作指揮人員來完成。因此，結合有關機器人控制結構體系[12-14]，采用了人機交互方式的半自動進行控制。設計了手動遙控遠程控制和自主偵察移動控制兩種模式，在本設計中，首先通過繪制出偵察機器人的控制方案流程圖，結合流程圖利用慧魚ROBO PRO軟件進行程序和人機交互界面的設計。

2.1 控制流程方案設計

2.1.1手動遙控遠程控制功能

為了使機器人能夠在人不能及的環境中進行偵察任務，必須采用遙控操作，實現機器人前進、后退、轉彎和越障以及攝像頭裝置運動等動作[15]，操作員通過攝像頭實時采集的現場圖像來實現視覺導航并觀察前方情形,其控制功能流程圖4所示。按照機器人的控制功能方式通過慧魚ROBO PRO軟件設計出上位機的人機操作控制界面，如圖5所示。

圖4 手動操作功能流程圖

圖5 人機遠程遙控操作界面及視頻圖像

2.1.2無線遙控遠程控制功能

為了實現遠程控制功能，就要求偵察機器人的控制命令的發出和接收以及視頻圖像的傳輸必須使用無線通信的方式。本文中，無線通信方式是通過下位機ROBOTICS TXT控制器自身內置的WiFi模塊發出的信號與上位機的人機操作界面進行無線通信，來實現視頻圖像傳輸和控制命令的發送和接收。

2.1.3自主偵察控制功能

要實現自主偵察功能，這就要求機器人能夠對周圍環境的感知來檢測判斷障礙，從而自動避開障礙。通過自動軌跡追蹤，實現沿著操作指揮人員規劃的路徑進行偵察。本文中，通過利用光敏傳感器、軌跡傳感器、超聲波傳感器，熱敏傳感器、攝像頭等來實現機器人對周圍環境的感知，采用局部路徑規劃方法，讓移動機器人通過傳感器對目標位置進行定位，同時通過傳感器對行走路線不斷的修正，最后達到目標[16]。此類方法對未知環境表現出較強的適應能力，已有針對未知環境中路徑規劃問題的研究也多集中于此類方法[17],其控制功能流程如圖6所示。

2.2 控制程序設計

結合偵察機器人的功能控制流程圖，使用慧魚ROBO PRO軟件進行程序的編制，其自主偵察及手動遙控偵察控制程序分別如圖7、圖8所示。

圖6 自主偵察控制功能流程圖

圖7 自主偵察移動控制程序

2.3 各分支機構控制方案

偵察機器人的每個動作都是由程序進行控制，各元件的名稱與對應的功能如表1所示。

圖8 手動遙控遠程控制程序

元件實現功能元件實現功能M1驅動左邊車輪電動機I2攝像頭角度上限位M2驅動右邊車輪電動機I3軌跡追蹤功能M3驅動攝像頭升降電動機USB?A連接攝像頭實時監控I1攝像頭角度下限位I4檢測環境的光敏度I5檢測障礙物距離O8光線不足時，用于照明

(1) 前進、后退功能。要求機器人前進時，操作人員可以通過人機交互界面按下“前進”按鈕，則M1、M2同步正轉，機器人直線前進。當需要后退時，按下“后退”按鈕，則M1、M2反轉，機器人直線后退。由于兩伺服電動機通過ROBOTICS TXT控制器采用同步控制，能夠保證具有相同的速度。

(2) 左轉、右轉功能。要求機器人左轉時，操作人員可以通過人機交互界面按下“向左”按鈕，則M2正轉，M1保持停止，機器人向左轉彎。當需要右轉時，按下“向右”按鈕，則M1正轉，M2保持停止，機器人向右轉彎。

(3) 攝像頭角度升降調整功能。要求攝像頭角度上升時,按下“攝像頭向上”按鈕，則M3電動機正轉，攝像頭緩慢向上升起，直到最佳觀察位置，松開按鈕，M3電動機停止。要求攝像頭角度下降則按下“攝像頭向下”按鈕，則M3電動機反轉，攝像頭緩慢下降，直到最佳觀察位置，松開按鈕，M3電動機停止。本設計中，攝像頭角度調整的范圍為0°～90°。為了防止超程，設置了I1和I2兩個行程開關。

(4) 偵察機器人原地掉頭功能。本設計中，偵察機器人可以實現原地向左和原地向右兩種方式掉頭，同時也幫助攝像頭實現360°偵察功能。原地向左掉頭時，電動機M1反轉，電動機M2正轉。原地向右掉頭時，電動機M1正轉，電動機M2反轉。

(5) 實時視頻監控功能。該功能采用USB-A攝像頭實時采集現場視頻圖像，通過ROBOTICS TXT控制器的WiFi信號傳輸視頻圖像，實時顯示在人機操作界面上，以幫助操作指揮人員實時了解現場情況，實現手動遙控操作的視覺導航功能，如圖9所示。

圖9 人機操作界面視頻圖像顯示

(6) 避障功能。偵察機器人根據自身攜帶的超聲波傳感器I5來檢測周圍的障礙物以及距離，從而自動避開障礙物，主要應用在自主偵察模式。

(7) 自動照明功能。偵察機器人利用自身攜帶的光敏傳感器I4，自動檢測周圍環境的光線強弱，當光敏傳感器檢測到周圍環境光線較暗時，自動打開照明燈，以輔助攝像頭傳回更加清晰的視頻圖像。光線明亮時，自動關閉照明燈，該功能主要應在自主偵察模式。

(8) 軌跡追蹤功能。該功能主要應用在自主偵察模式，利用I3軌跡識別傳感器的軌跡追蹤功能，讓偵察機器人沿著操作指揮員預先設定的軌跡路線進行偵察。

3 結 語

本設計完成的小型偵察機器人完成了對半自主偵察的整個過程的模擬，完成了偵察的整個流程。雖然該小型偵察機器人的結構設計基于慧魚模型的特點，離具體的工程實際應用還有很大的差距，但是該模型的設計方案及理念對實際偵察機器人的設計制造具有一定的指導意義。

此外，通過慧魚創意組合模型偵察機器人方案設計，使學生完成了從理論到具體實踐的跨越，彌補了在實踐環節中的一些不足，同時也培養了學生的創新意識和和創新能力，提高了學生的動手能力。

[1] 張樹生，裴文良，孫 寧,等．消防滅火偵察機器人的研制與應用[J]．制造業自動化，2016，38(6)：55-58.

[2] 萬佑紅．機器人教育與大學生創新能力培養的探索[J]．電氣電子教學學報，2005，27(4)：6-8．

[3] 竇艷濤，黃豪杰，李 健,等．基于慧魚技術的家用洗碗機方案設計[J]．實驗室研究與探索，2013，32(3)：31-33．

[4] 方 琳，張遠明．基于“慧魚”模型實習課程的改革與啟迪[J]．電氣電子教學學報，2014，36(2)：79-81．

[5] 黎澤倫，黃友均．慧魚機器人在機電創新實驗教學中的應用研究與實踐[J]．考試周刊，2015，54：122．

[6] 楊孟杰，張應紅，李雪梅,等．基于慧魚模型的“卓越工程師”機械原理實驗教學改革[J]．教育觀察，2016，5(21)：103-104．

[7] 李公法，孔建益，蔣國璋,等．卓越工程師培養背景下的《機械原理》建設實踐[J]．長江大學學報(自然科學版)，2013，34(10)：85-88．

[8] 黃朝陽．“工程對象教學法”在機電創新實踐教學中的應用研究—以慧魚模型為載體[J]．大學教育，2014(2)：71-75．

[9] 唐鴻儒，宋愛國．危險環境偵察機器人的研究進展[J]．機器人應用，2007(5)：29-35．

[10] 竇艷濤，袁亞雷，蔡曉君,等．一種水陸兩棲救災車方案設計[J]．實驗室研究與探索，2012，31(6)：22-24．

[11] 吳 琳，梁建宏．半自主偵察機器人的控制體系結構研究[J]．機器人技術與應用，2007(6)：34-38．

[12] BROOKS R A．A robust layered control system for a mobile robot[J]．IEEJ of Robotics and Automation，1986，RA-2(1)：14-23．

[13] FABRICE R N，RAJACC．Plan execution monitoring and control architeture for mobiler robots[J]．IEEE Transactions on Robotics and Automation，1995，11(2)：255-266．

[14] 唐鴻儒，宋愛國．半自主偵察機器人研究[J]．制造業自動化，2005，27(12)：30-35．

[15] 陳殿生，楊 喜，李 強．小型地面偵察機器人移動載體技術研究[J]．機器人技術應用，2006(6)：43-46．

[16] 徐 偉．未知環境下局部路徑規劃方法在慧魚移動機器人開發中的應用探討[J]．實驗技術與管理，2015，32(2)：110-113．

[17] 劉 歡，王 健，李金鳳,等．未知環境下機器人避障設計研究[J]．機械設計與制造，2013(10)：236-238．