基于單片機(jī)的智能攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顏翠翠 張浩浩 韓歡 孫夢(mèng)杰

摘? 要：該文基于STC89C52單片機(jī)，采用真空負(fù)壓原理設(shè)計(jì)了一款能夠在直立墻面、頂部爬行的智能機(jī)器人，小車能夠?qū)崿F(xiàn)在墻面上循跡、避障、實(shí)時(shí)視頻傳輸?shù)墓δ埽捎糜诟邩黔h(huán)境下的拍攝、軍事偵察、災(zāi)后尋找傷員、高空作業(yè)等多種場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：攀爬? 高樓? 吸附

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（a）-0033-02

隨著城市高樓的不斷興建，樓房、工業(yè)建筑越來(lái)越高，對(duì)于高層建筑的作業(yè)需求隨之而來(lái)，爬墻機(jī)器人也因此成為未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，當(dāng)高層發(fā)生火災(zāi)、地震等緊急情況，救援人員無(wú)法進(jìn)入狹隘的環(huán)境或越過(guò)高墻了解內(nèi)部情況，或者對(duì)樓房結(jié)構(gòu)、高層玻璃質(zhì)量檢修時(shí)工作人員往往無(wú)法上升至高層，了解樓層建筑結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)畫面。這些工作都很重要，但是又極度危險(xiǎn)。這時(shí)就需要體積較小且能沿著墻面攀爬的搜救設(shè)備進(jìn)入人員被困位置，檢測(cè)人員狀況，探測(cè)復(fù)雜地形，方便救援人員制定方案進(jìn)行救援。因此研究人員制作了一款能夠爬行在直立墻面的一款攀爬機(jī)器人，來(lái)替代人們進(jìn)行危險(xiǎn)高層作業(yè)。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能攀爬小車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

基于上述框圖設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)一款集沿垂直墻面或頂層攀爬，具備避障與實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏敼δ転橐惑w的智能攀爬小車的設(shè)計(jì)。各階段具體實(shí)施方案如下。

（1）使用真空負(fù)壓原理[1]，使機(jī)器人內(nèi)部產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差，使機(jī)器人緊緊吸附在墻壁、玻璃等平面上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人吸附墻壁功能。

（2）采用光電傳感器循跡和探測(cè)障礙物，實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，即時(shí)避障。攝像頭實(shí)時(shí)傳輸畫面，輔助人為避障。實(shí)現(xiàn)避障功能。

（3）利用WiFi傳輸技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)圖像傳感器與設(shè)備主控端的通信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻傳輸功能。

（4）最終實(shí)物利用3個(gè)離心式風(fēng)機(jī)，達(dá)成吸附墻面功能;4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)行走功能;紅外發(fā)送接收傳感器，攝像頭等實(shí)現(xiàn)信息采集功能;使用單片機(jī)對(duì)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)整合運(yùn)算，采用WiFi視頻傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 吸附功能的實(shí)現(xiàn)

此設(shè)計(jì)的核心在于爬墻吸附功能的實(shí)現(xiàn)，在小車的中部布置3個(gè)可以抽風(fēng)的風(fēng)扇組成一個(gè)離心式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，由車身底部的直流電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪，使空氣高速排出，從而在車身底部的空氣不斷地補(bǔ)充到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，致使車身內(nèi)部空間產(chǎn)生瞬時(shí)真空，和外界大氣壓形成負(fù)氣壓差，來(lái)滿足吸附的實(shí)現(xiàn)。但是由于葉片抽風(fēng)的過(guò)程中空氣還會(huì)不斷地快速流失，導(dǎo)致負(fù)壓差會(huì)過(guò)小難以吸附牢靠，因此筆者在離心機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了耐磨的布條來(lái)減少空氣快速的流失，在經(jīng)過(guò)改進(jìn)后此負(fù)壓差將被擴(kuò)大，攀爬小車才能夠緊緊吸附在墻壁、玻璃等平面上，從而達(dá)到使攀爬小車車附著在墻面等垂直或水平平面上的效果。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

在此次設(shè)計(jì)中基于STC89C52為主控芯片[2]，通過(guò)對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)、避障電路、循跡電路、數(shù)碼管顯示電路、功能切換按鈕、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓電路以及遙控電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終完成了智能攀爬小車硬件電路總設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

在攀爬機(jī)器人前部安裝有循跡傳感器與避障傳感器，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能循跡功能以及遇到障礙物時(shí)避障的實(shí)現(xiàn);功能切換按鈕和數(shù)碼管顯示電路安裝在機(jī)器人中部用于功能的切換與顯示，實(shí)現(xiàn)設(shè)定程序的轉(zhuǎn)換;遙控電路也搭配在機(jī)器人中部采用HS0038一體化接收頭為單片機(jī)進(jìn)行遙控信號(hào)的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)遙控控制機(jī)器人的行走;驅(qū)動(dòng)電路采用一款價(jià)格低廉的雙驅(qū)動(dòng)芯片L293D來(lái)完成4臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，利用差速控制小車前后左右行走。設(shè)計(jì)中選擇LM7805穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)電路電壓需求。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能攀爬機(jī)器人軟件部分也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分之一，我們不僅需要硬件部分，還需要加上軟件部分才能使機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)。該系統(tǒng)主要由避障模塊子程序、循跡模塊子程序、遙控模塊子程序構(gòu)成。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，由于避障模塊、循跡模塊，以及遙控模塊可同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)掃描，這種模式不僅占用CPU，且多個(gè)程序同步運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生沖突。故該設(shè)計(jì)將各個(gè)模塊的程序集中嵌入到一個(gè)遙控器中，該方式不占CPU且便于控制。

4? 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)系統(tǒng)總體方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了智能攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)。論文主要闡述了智能攀爬機(jī)器人基本功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主墻面攀爬運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)，在今后的實(shí)踐過(guò)程中，為了完善機(jī)器人的功能，可以裝設(shè)其他所需要的傳感器和裝置，如人體傳感器、墻面勘測(cè)傳感器、滅火裝置、玻璃清潔裝置等，擴(kuò)展攀爬機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。在高樓不斷興建的背景下，攀爬機(jī)器人將會(huì)進(jìn)入人類日常生活當(dāng)中，如墻面修補(bǔ)、墻面探測(cè)、墻面清潔等具有一定危險(xiǎn)程度的高層工作，終究有一天會(huì)被爬墻機(jī)器人所替代。因此該研究的智能攀爬小車是一個(gè)平臺(tái)，可以搭載輕質(zhì)量的工具進(jìn)行墻面工作，也可以搭載相應(yīng)的傳感器進(jìn)行相應(yīng)的墻面檢測(cè)工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 王惠霄，張秀敏，M.R.Horgan.真空吸附技術(shù)[J].輕工機(jī)械，1998（4）：41-42.

[2] 喻偉闖，王銘，付豪，等.基于STC89C51單片機(jī)的避障移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016（1）：60-63.