移動機器人熱感避障探測儀

董琦 祖傳業 韓冬冬

摘要：近年來移動機器人發展迅速，應運而生的就是機器人的自主避障技術，是一個學習的過程，應用在移動機器人的避障傳感器多種多樣，超聲波傳感器、激光測距雷達、深度攝像頭、視覺傳感器等來輔助機器人的工作。但是用熱感傳感器來進行避障領域研究還是比較少，利用熱感探測器將紅外輻射轉換成電信號，進行電路信號可變分析。國內外對于熱感避障探測儀的研究越來越重視，主要應用在機器自主識別上。本次課題主要是針對熱感避障探測儀在移動機器人運動生物檢測上的應用配置。

關鍵詞：移動機器人;熱感避障

中圖分類號：TP3? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0194-03

1引言

近些年來，機器人的運用越來越普遍，涉及自動駕駛、救援、貨物運送等領域。[1] 機器人的這種智能化科技的產生，可以說是機械設計、計算機領域、通信、電路運用、等領域多門工學學科共同發展的一個綜合性的成果，也是科技進步的產物，同時，為社會經濟發展產生了一個重大影響的一門科學技術，如果能將移動機器人和熱感避障探測儀相結合，那將會是一個非常實用的應用。由于移動機器人和熱感避障探測儀的相關度不高，所以本文主要從以下幾個方面研究如何在移動機器人上部署熱感避障探測儀及其應用。

2目標設定

將熱感避障探測儀部署在移動機器人的難點主要體現在機器人結構復雜，如何才能將機器人和熱感避障探測儀相結合并且穩定運行。自主移動化的機器人是一類擁有多電子控制機械關節，集成驅動器，廣自由度的特點，但是自由度的設計、各關節的活動空間范圍大小、驅動器的驅動能力大小、系統耗能都會有可能成為機器人在外觀、行動能力、行走方式、感應靈活度、熱感避障探測儀正常工作的重要影響因素。

我們所研究的這款不但能滿足能將移動機器人和熱感避障探測儀相結合，還能讓熱感避障探測儀在機器人上穩定工作。因此，我們需要根據機器人的關節運動特點、機械自由度、機器人高度等主要影響因素進行數據接口與探測儀系統鏈接。要想設計出這款探測儀的難度可想而知。

2.1移動機器人的導航系統與探測儀系統的綜合配置

機器人的移動是從機器人系統的中央處理器控制相關任務進程，發出位置坐標變化請求時開始。[2]機器人的特殊數字化導航系統通常是通過系統中央微處理器擬定行程規劃或路線軌跡，就接命令從而開始執行位置變化請求指令。行程規劃需考慮到可選路徑、障礙物在機器人系統坐標圖中的坐標位置、機器人能做到的功能以及任何相關的任務目標。（例如，對于物流倉庫里的貨物遞送機器人，遞送位置非常關鍵。就需要合理規劃路線）行程計劃被饋入系統控制器，經系統處理器處理生成傳動信號和方向配置文件用于導航方向控制。這些生成的配置文件經過控制器行程規劃控制舵機執行相應的動作。該運動通常由探測儀的輔助檢測系統進行監控，各檢測系統均產生反饋信號;反饋的控制器中央處理電路信號，通過A/D轉換產生新的行程規劃指令。這就需要探測儀將數據處理輸出信號作為饋入控制器的輸入信號，由機器人的導航系統進行執行這些輸出數據信息指令。

開發探測儀系統的關鍵在于充分其功能，特別要重視其工作主要內容和功能限制。各項功能通常都有明確界定且易于執行的指令內容，但也會提出一些需要加以處理的具有更高要求的限定。這是一個反復測試的過程，即識別和檢測，快速處理進程的限制同時，也會帶來新的優化。對于探測儀應當更好的數據通信接口用于與移動機器人系統的鏈接，更多的是在步行機器人，和輪式機器人身上。而探測儀應盡可能小，這樣才能部署到機器人上。

3機器人探測儀位置的確定

人類在工作時，是利用自己的感覺器官反饋信號到大腦，大腦控制身體各部分肌肉的力量大小在自己骨骼和肌腱的承受能力范圍內每個人的承受能力不同。同樣，機器人也是如此，不同的機器人采用不同類型的力和力矩傳感器來模擬人的這種力度大小檢測，在通過壓力傳感器檢測構件的受力情況，確保各個構件在使用過程中能夠保持正常，從而保護機器人的機械構件不被破壞，是因為機器人是一個精度化靈敏度高的機械，為了防止機器人和周圍環境物體的碰撞，需要采用壓力傳感器、距離傳感器、觸覺傳感器等來避免相互碰撞。這對探測儀系統的要求就有所提高與要與這幾類傳感器相互鏈接。機器人被設計的目的是服務人類，目的為了保護人類以免其害，解決人類所面臨的危險處境等。在實際應用中會出現各種各樣的情況，可能會因為傳感器安裝高度不合理或者各類傳感器數量密度低等原因導致探測儀無法準確獲得周圍環境的數字信息，無法做出正確的信號處理，從而影響機器人整體的控制，機器人可能做出不可預知的動作，對周圍環境造成破壞。探測儀的傳感器需要根據機器人特點全方位判斷傳感器的安裝合理性，不能單純僅僅做信號處理，需根據工作環境的特點研究最恰當的避障傳感器在機器人各個部位的分配方式。

3.1探測儀的部件配置

對于探測儀首要部件就是傳感器的選擇，其次就是與電路相關的硬件配置，傳感器精度問題是關鍵的問題，對于機器人來說傳感器不僅需要精確度高，而且可靠性穩定性要好。機器人在探測感知系統的輔助下，自主完成人類指定的工作指令，不需要再次人為干預其行動，傳感器就是類似人的各種器官，傳感器的精度決定機器人的靈敏程度以及工作內容的作業質量，傳感器工作不穩定或者可靠性低，可能引起機器人出現無可預知的故障，輕者致使工作不能正常執行，嚴重造成生命安全事故。因此傳感器的重要性可想而知，可靠性和穩定性是機器人探測儀系統必不可少的重要條件。其次系統的抗干擾能力，由于機器人往往工作在未知的環境中，并不是在實驗室那種比較理想的環境中運行，因此要求系統整體具有抗電波干擾，振動、潮濕、污漬，等惡劣的環境下干擾能力，要保證探測儀在電路硬件系統中的正常工作。針對性的設計處在特定環境下的機器人，對探測儀的體積和安裝方向就有了特定的要求。在進行電路設計保證滿足電路設計基本要求再滿足應用電路需求。對于pcb板上的主要硬件CPU芯片選擇至關重要，需要選擇一款適合探測儀并且適合啟動的芯片。

4結構設計

對于探測儀的功能設計，主要是由兩部分組成的：一部分是用于檢測傳感器狀態部分，另一部分是用于傳感器的掃描數據處理以及與系統處理器的對接部分。由于傳感器部分主要用于檢測環境變量，對于探測儀可以分開進行設計，主體部分主要由電路設計與單電機控制板構成，進行電信號處理。對于外部檢測部分主要由傳感器組成，用于環境變量檢測以及數據傳送到數據處理中心。

4.1布置多樣性

多樣性對機器人的研究來說是關鍵的。對于探測儀而言也是如此，對于移動機器人不可能僅有一種傳感器來為機器人進行環境的查看，需要各類傳感器進行一起工作來完成機器人的基本功能，對于探測儀而言不單單針對一類傳感器設計，這樣就造成資源的浪費，本身機器人就需要大量的部件組成，對于探測儀的電路結構設計要能兼容各類傳感器的鏈接進行數據傳輸，此探測儀的應用將移動機器人的上熱感傳感器與其他傳感器的使用效率上大大增加。

4.2電路驅動方案

硬件電路設計是進行探測儀設計的最底層的設計，是整個探測儀中核心的部分。它設計的好壞決定著整個系統的平穩定性和可拓展性。本次設計的探測器系統硬件控制電路主要包括兩個部分，一部分是傳感器的檢測電路，包括：諧波振蕩電路、信號放大電路和電磁檢測線圈、峰值檢波電路，DAC轉換器、stm3f407微處理器、LED顯示電路、 聲音警報電路及開關電源總路等。

STM32是基于ARM? Cortex? M 處理器內核的 32位閃存微控制器，，STM32單片機程序都是模塊化的，為MCU開辟了一個全新的自由開發空間接口相對簡單些，因為它自身帶好多功能，工作速度也快。STM32 MCU及時性、融通性能高、數字信號處理、功耗低于一身，同時是一種高度集成的微型化芯片和可開發的功能全面的特點。stm32外設共有12條DMA信息通道、一個CRC計算單元， stm32微控器比stc51芯片功能更強，支持96位唯一標識碼。正是由于stm32芯片的這些優勢，[4]作為智能化芯片對于系統數據處理以及穩定性有著很大的幫助，并且對于數據處理輸出還能更好地與機器人系統對接。這也是為何選擇新型stm32芯片的原因。

4.3探測儀的穩定性和精準性

設計此款探測儀對機器人的自主移動有著非常重要的作用，探測儀正常工作是機器人運動的前提，探測儀不穩定將造成移動機器人的不穩定工作與運行，其次是傳感器的精準度問題，探測儀的數據來源就是來源自傳感器，傳感器不精準對于探測儀的精準數據輸出是一個嚴峻的考驗。傳感器穩定性表示傳感器在一個較長的時間內檢測精度能維持在其執行標準變化的有效范圍以內。理論狀態下，傳感器的特性參數都不隨時間變化。但實際上，隨著產品的長期應用，傳感器是電子化產品，其自身特性會因為環境的影響而發生輕微改變。這是因為敏感元件或構成傳感器的部件的應用造成的電子產品氧化，其特性會隨時間發生變化，進而影響整個系統的穩定性。為避免此類問題的產生，需選擇產品質量優質的產品，定期維護探測儀的電子元器件。

移動機器人和人類有著類似點，人類的身體是由我們的皮膚作為保護，當我們的身體接觸到地面時，皮膚的組織可以起到一定的減震作用，避免的身體內部受到嚴重傷害。因此給探測儀配備恰當的電子減震器也可以保證探測儀的穩定性。經過多番查詢資料得到，諧波減震器有著良好的機器人應用性能，這樣一來，設計的此款探測儀就能很好地和機器人本身有機結合成一個整體。

5探測儀的設計對機器人產業的影響

機器人這一新興科技，這個時代是屬于它幼年時代，它的發展前景廣闊，在中國，特別在一線城市，機器人相關的智能化企業，也是特別的多都在致力于機器人技術的研發，但是都是屬于探索前進的進程中，對與特定環境下的機器人避障已經能做到很好，但是對于常規環境下的機器人避障還都是處在一個中等偏上的水平，科技化的企業在當今社會有著很大發展潛力，此款探測儀的研究將推動移動式機器人的發展，在移動化機器人避障領域將有著重要作用，探測儀能很好綜合各類傳感器的使用，重點突出熱感避障下的應用，很好的應用在自主移動式機器人上，通過合理的技術修改也可以作為固定式機器人上的應用裝備（汽車產業的機械臂組裝，產品流水線的工作機器人），幫助企業研發新型移動化機器人。如今，我們的生活中出行機器人已經應用在很多領域，這也對機器人行業的發展提供了商機，有些機器人制造業廠家看到了機器人時代的來臨，早早開始默默為機器人制造業改型做準備，作為制造業中重要的一個環節，機器人制造業在生產生活中發揮著重要作用，極大地減少人工體力支出，生活中也可以輔助人們操作作業，機器人的優勢正在一點點展現在人們的眼前，這也吸引了越來越多的人關注機器人產業。如今智能化機器人高速發展，機器人制造業借助這個時代帶來的機遇，快速、準確的實現機器人產業的更新換代，促進了機器人產業的快速發展。

6 結語

本次課題的設計主要是針對熱感避障探測儀在自主化運動機器人上應用的配置。將此設計探測儀配置在機器人身上，可以更好地輔助機器人的自主運動能力。根據對傳感器，物理電路的研究，以及機器人運動的需要研究，我們確定所需要的熱感傳感器、CPU選擇，電路設計方案，減震器的選擇，以及機器人對探測儀位置要求進行確定選擇，并對其進行結構分析。

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【通聯編輯：朱寶貴】