智能門衛機器人移動底盤功能模塊的設計

白巖松 竇英東 馬超 韓子軒 于通

【摘要】隨著機器人技術的不斷迭代，以及智能化無人化的發展。社會有了新的需求，據資料顯示，安保從業人員不足需求量的80%，需求缺口不少于112萬人，需求即安保智能化，因此團隊希望能夠實現一種智能門衛機器人。智能門衛機器人是一個集環境感知、路線規劃、動態決策、行為控制以及報警裝置于一體的多功能綜合系統。路線尋跡是其中重要的一個功能。本次簡單設計智能門衛機器人的底部巡線功能塊，采用arduino單片機作為小車底盤的控制核心;采用六路電磁傳感器來檢測軌跡線，傳感器把信號反饋到單片機，使底部巡線功能塊按照內部的程序跟蹤軌跡線完成預定功能。

【關鍵詞】智能門衛;路線循跡;電磁傳感器;灰度傳感器;arduino單片機

一、引言

智能化、無人化技術在時代發展中逐漸展現出其獨特的優點，并且隨著社會的發展，應用也越來越廣泛。本文主要設計了一種智能門衛機器人的底部巡線功能塊，總結概括了出現并存在的主要問題以及解決方案;另外，對智能安保機器人底部巡線功能塊的基本結構及功能進行了闡述。

二、整體設計

1.機械結構設計

需要設計一種可移動底盤，使其具有負重、移動（包括前行，轉彎，修正，掉頭等組合運動）以及良好的穩定性。在實驗室中團隊對要設計的智能門衛機器人進行了模型搭建，對其比例團隊進行了2：1的縮小。首先是負重，在材料上可移動底盤總體使用鋁合金材料，使其在保證足夠強度的條件下，還能保證整體的重量不會偏高，提高底盤的負載能力和靈活性。其次是保證整體的移動，可移動底盤設計兩個獨立輪作為前驅，由兩個步進電機分別驅動，保證底盤可以進行正常的直行及轉彎，在后面由一個萬向輪保證其移動穩定。最后是穩定性，由于智能門衛機器人的設計環境是在室外對來往人員及車輛進行登記，并且需要保持一定的高度，所以其底盤必須具有穩固、不易傾倒的特點，因此團隊將其設計成為圓形底盤，以保證其整體為一圓柱形，其作用可以極大的降低風阻，以保證其在室外環境的正常運行。

2.檢測傳感設計

可移動底盤需要在充電點與檢測登記點之間自行往返，在充電點對機器人進行充能，在檢測登記點對來往行人和車輛進行登記。而其中最重要的就是檢測傳感模塊的正常運行，這也是最容易受到干擾的模塊。檢測傳感模塊主要負責對可移動底盤的位置進行檢測，使其保證循跡線之上。檢測傳感模塊分為兩部分，其中主要模塊為電磁傳感模塊，電磁傳感模塊又分為傳感器和引導電磁線，引導電磁線淺埋于地下，減少了對環境的依賴性，脫離了傳統光電傳感器對于光源的依賴。但是電磁傳感模塊也同樣存在缺點，出現問題時需要更長時間的檢測維護。所以作為備用模塊，檢測傳感模塊還采用了光電模塊對主要的電磁模塊存在的問題進行彌補，而光電模塊同樣分為兩部分，光電傳感器和黑色引導線。備用模塊的好處是當電磁模塊出現問題，或者是當路線需要臨時改變時，可以快速部署。檢測傳感部分采用主模塊和備用模塊結合提高了系統整體的兼容性，對復雜多變的環境有了更好的適應性。

3.動力能源設計

在實驗室模型中，動力部分采用42步進電機進行實驗，采用A4988驅動對電壓調壓接入電機，通過電壓實現對速度的控制;能源部分采用兩大容量12V鋰電池為主要供電源，其能源補充部分采用無線充電模式，當底盤移動至充電點，通過重力開關使得充電裝置開啟，電源進入充電模式。

4.主控程序設計

底盤主控程序通過檢測傳感部分傳回信號進行識別，由程序對信號進行分析處理然后負責對電機轉速進行調控以實現對底盤移動的控制。底盤主控程序由底盤arduino單片機負責，但是底盤功能塊理論上可以受上位機指控。

上位機在充電點進行對外界環境的監測，當監測到外人及未登記車輛進入登記點，上位機發出檢測指令，底盤功能塊接收到檢測指令，執行循跡指令，到達檢測登記點后停止，在檢測登記點由頂部觸控板完成登記后，由行人發布結束指令或者20秒內無人操作后，由上位機發出結束指令，底部功能塊執行掉頭及循跡回到充電點的指令，在充電點再一次掉頭直到下次接收到檢測指令。上位機還負責對障礙物實時監測，當監測到障礙物由上位機發出停止指令，高于底盤功能塊任何命令，直到障礙物消失，底部功能塊繼續執行指令。

底盤功能塊程序需要設計從充電點出發至檢測登記點的啟動，到檢測登記點之前的正常循跡，到達檢測登記點的停止，完成檢測后的掉頭，回到充電點的循跡，到達充電點的掉頭停止，直到下次需要檢測指令的發出。故主要設計循跡程序，然后和其它指令的循環嵌套，首先是障礙物停止指令，在所有程序之上，其次是啟動及完成，最后是循跡。循跡程序采用卡位方案，當左側三路傳感器檢測到數值超過預定正確區間證明需要整體向右轉動，此時程序控制電機原地轉向直至測量值進入合理區間，右側同理，不斷完成對底盤的位置矯正。其它程序需要對主控核心發出的指令接入串口，底部對串口接受的命令進行識別，完成底部功能塊所有程序設計。

三、結論

本文設計的一種智能門衛機器人的底盤，經調試，實現了充電點與檢測點之間的自動循跡與避障等功能，有助于安保管理員提高工作效率，同時本文設計思路為智能門衛機器人的底盤提供了一個可行性的選擇，具有一定的實用性。

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