基于北斗導航系統智能清障救援機器人設計

金泓旭，李紅雙

（沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136）

0 引言

目前我國有70多個縣區受到泥石流的威脅，發生泥石流之后，對當地生產生活造成了極大影響。首要任務就是精確、高效地發現被大碎石阻斷的交通道路并盡快清理阻障為救援人員開通路線。傳統的清障救援機器人需要人為設計前進路線，在工作過程中需要人工干預。機器人本身存在定位精度低及實時性差等問題會導致其救援效率低，救援進展慢。目前由我國自主設計研發的中國北斗一號衛星高空導航系統具有定位功能、授時功能，短報文通信功能可全天候、全天時地提供衛星導航信息和短信息輸送服務[1]，此外還有很強大的自主判斷能力，具有處理速度快、準確性高、覆蓋面積最廣、高度自動化等優點[2]，在軍事、救援等領域發揮著不可替代作用。

針對現階段清障救援機器人救援效率低、救援進展慢的問題，結合北斗系統特點，提出了基于北斗導航系統的智能救援清障機器人，通過北斗導航的精確定位和高效的視頻信息輸送效率，可以實現實時更新網聯地圖，利用CPU的運算與模糊控制理論相結合去尋找去往目的地的最優解，并將其規劃好的路線發送至救援人員的移動端。通過自動篩選系統，將信號傳給中央處理器，再由處理器發出清障指令來控制機械爪完成清障作業，提高救援效率。圖1所示為智能小車整體設計。

圖1 整體設計結構

1 定位系統設計

隨著物聯網技術的發展和應用，北斗GPS定位系統在智能清障領域中發揮著越來越重要的作用，由我國自主設計的北斗導航系統已初步具備區域導航、定位、授時的能力，其所具備的短報文通信系統通信實時性高、覆蓋范圍廣、傳輸安全可靠[3]，通過短報文通信裝置可以實現每次560比特的定位終端和北斗地面服務站雙向通信，以此可以減少裝入通信系統，提高中央處理器的運算效率。

我們將基于STM32的高精度北斗導航定位系統模塊加裝入機身。考慮到在受災環境下工作，機體可能會出現晃動，導致出現定位不準或者模糊定位的現象，因此設計過程中在定位模塊旁加裝舵機，通過舵機推算進行輔助定位。首先小車內置定位發射模塊，同時向兩顆衛星發射出信號來測量小車與衛星之間的距離，再由小車定位模組接收衛星的感知信號。中央處理器將通過接收這兩段信號，來開啟模糊定位，此時小車已獲得自身模糊位置。中央處理器再次調控定位模塊與舵機，讓發射器向第三顆衛星發射信號，找到3個半徑交點的位置，確定小車的精確位置。中央處理器通過基于北斗短報文通信模塊，將交點的位置以經緯度坐標的形式通過服務器發送至遠程控制單位及救援人員移動端上，實時更新網聯地圖。圖2為定位系統工程流程圖。

圖2 定位系統工程流程

2 自動篩選功能設計

2.1 自動系統概述

智能篩選（如圖3），主要是指能夠感知周圍環境并利用其對外界信息進行處理，從而做出相應動作并且執行特定作業任務，實現自動化工作。本功能采用北斗導航系統作為智能避障小車的自動識別模塊，該技術是基于定位與機器人控制，具有高精度、低價格和實時性等特點。其基本組成包括：外部傳感器——超聲波傳感器，篩選攝像頭，小車上安裝的障礙物角測量電路及其輔助探測元件。

圖3 篩選系統原理圖

2.2 自動工作原理

中央處理器通過對周圍聲波信號中的矢量函數進行運算，來確定周圍任何障礙物的方向，以及判斷周圍區域是否還存在其他障礙物，使中央處理器發出相應情況的指令，使小車實現正確篩選、避障等多種功能。產品設計時在每臺小車的前方甲板上裝有超聲波傳感器。當傳感器開始進行工作時，會實時探測小車前面1 m左右范圍，若在這個區域內出現障礙物，超聲波將會在障礙物表面發生反射，將會由接收端開始接收反射聲波信號，再由中央處理器通過處理超聲波離開和返回超聲波探頭的渡越[4]，來計算小車與障礙物之間距離，在線篩選攝像頭，物體捕捉攝像頭發出工作指令。

2.3 自動工作方案

CPU先控制篩選攝像頭開始運作，篩選攝像頭將開始拍攝并判斷前方物體是否定性為障礙物。確定為障礙物后，物體捕捉攝像頭將向中央處理器上傳圖像。中央處理器會自動開啟抓取模式，通過圖像來判斷物體的大小并控制機械爪的開合。再通過機械爪的定位模塊向處理器提供石塊具體位置，中央處理器將控制機械爪精準抓取下面石塊，由此來實現一次工作周期。

3遠程操作系統設計

3.1 遠程操作系統概述

本設計采用的是以單片機作為核心控制器件實現控制操作平臺系統的操控和管理功能及模塊化設計。當中央處理器無法準確作出判斷時，此時操作系統發出提示，并進行人工操作將原自動化操作系統變為半自動化，進行人為遠程操作來完成相關救援作業。

3.2 遠程操作系統工作原理

當開始進行遠程操作時，控制端的顯示器上會顯示環境信息和機器人姿態信息，實現用戶操作指令等功能[5]，小車先通過超聲波傳感器和篩選攝像頭這兩種傳感器來采集數據判斷現場情況。先通過超聲波傳感器來判斷前方存在物體，向中央處理器傳遞信息。處理器再控制篩選攝像頭，捕捉攝像頭開啟，通過對物體視覺信號的分析，將前方物體的體積、輪廓等相關數據傳輸至遠程控制端，將前方障礙物圖像顯示在屏幕上，在圖像旁邊有顯示機械爪開合度、升降高度等相關操作建議的小窗口。相關操作人員會通過控制操作指令來實現機械爪開合、機械臂升降，完成相關作業，圖4為遠程操作系統原理圖。

圖4 遠程操作系統原理圖

4 機械裝置設計

4.1 清障裝置設計

機械爪是機器人的一個重要組成部分，機器人手爪既是一個主動感知工作環境信息的感知器，又是最后的執行器，是一個高度集成的、具有多種感知功能和智能化的機電系統[6]，可以代替人類完成一些生產作業。智能機械爪具有以下特點：1）實用性強，一般用在軍事上和科研領域；2）可替代人畜做農業搬運工作或進行搜救等任務。

4.1.1 機械爪工作原理

我們設計在機身前面板安裝兩個機械臂并在前端配備機械爪來實現清障功能，在進行清障工作時，車身的超聲波傳感器可以快速確定前方障礙物的方位。通過中央處理器向主機發送清障信號，當中央處理器將會控制第三電動機高速轉動進行轉向，控制雙軸電動機轉動來進行清障機器人的橫向移動，待到達障礙物處時，物體捕捉攝像頭，鎖定障礙物相對于機器人的具體方位。中央處理器發送信號控制雙軸電動機和第三電動機對小車自身的方位進行微調，直至機械爪對準障礙物。

4.1.2 機械爪定位系統原理

機械爪在障礙物上方后，機械爪內部的定位系統開始工作。首先通過中央處理器按預定開合程度指令控制機械爪。同時機械爪定位模組開始工作，在機械爪中央安裝有抽動桿，當定位到石塊后抽動桿抵住物體，此時抽動桿開始向內抽動以實現機械爪的閉合，機械爪閉合抱緊物體。隨即篩選攝像頭開始對障礙物進行工作，發送圖像信號給中央處理器。處理器便開始控制第二電動機的輸出端轉動，將障礙物移動至車體翻斗內上方，機械爪松開障礙物掉入翻斗中，圖5所示為機械爪結構。

圖5 機械爪結構

4.2 減震底盤設計

4.2.1 減震裝置概述

減震裝置是機器人小車的一個重要組成部分，在智能清障小車中，避障和躲避時采用超聲波傳感器來進行路面凹凸情況探測。當前方有障礙物時系統會根據當前環境實時檢測到反射回來的信號并做出相應反應；同時單片機通過計算判斷出與障礙物之間距離后發出指令給電動機驅動模塊及轉向器上移機構（即車輪轉動），調節至正常工作所需達到的高度，進而控制小車實現躲避障礙、循跡等動作。圖6所示為底盤結構設計圖。

圖6 底盤結構

4.2.2 減震工作裝置原理

由于本文研究的機器人要探測障礙物，必須在傳感器上安裝減震裝置。車身通過調節底座高度來進行減震進而穩固機身，以實現在復雜地勢的行駛。可調底座由車輪、調節杠、超聲波探測儀及減震底座構成。底座前面板裝有一顆超聲波探測儀，超聲波探測儀時刻發射聲波信號，當在其前方10 cm范圍內有聲音信號被阻擋時，底座控制器先使車輛停止，開始通過拉伸桿調節底座使底座升高，底座升高到前方10 cm無信號阻擋時，底座控制器開始控制小車繼續前進。在遇到復雜環境時，減震底座中加入的空氣減震彈簧將調節機身的穩定性，使小車穩定運行。圖7所示為底盤工作原理流程圖。

圖7 底盤工作原理

5 結論

通過對本文設計的清障救援機器人控制系統、機械結構的分析，可以獲得如下結論：

1）基于北斗系統設計的定位導航與北斗短報文通信功能，可以使得小車快速精確地將交點的位置通過服務器發送到遠程控制端及救援人員移動端，提高救援效率。

2）在篩選系統的設計上，采用兩種圖像傳感器共同工作，彌補了單一傳感器的不準確性，實現了高精度物體篩選，避免了在救援過程中出現判斷失誤，提高系統容錯率，提高救援效率。

3）采用機械手爪設計，可以大幅度提高清障速度，節省救援時間。

4）考慮到小車行駛道路狀況不佳，采用了傳感器與機械裝置相配合設計可調節高度底盤，來時刻保持行駛過程中車身穩定，使得傳感器元件可以正常工作。