在對人類具有威脅、環(huán)境惡劣的場合中，移動機(jī)器人發(fā)揮著重要的作用。目前國內(nèi)外研制的機(jī)器人驅(qū)動方式以輪式或履帶式居多,在爬越坡面、跨越障礙、壕溝以及在濕地、碎石路面、泥濘地面上行走時，履帶式機(jī)器人具有一定的優(yōu)越性[1-3]。定位和導(dǎo)航技術(shù)是移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，移動機(jī)器人必須準(zhǔn)確獲取自身位置信息以有效完成指定功能。采用差分GPS系統(tǒng)或者慣性制導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航，但成本高昂，目前多用于軍事、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域[4-5]。低成本的定位導(dǎo)航技術(shù)仍然是阻礙移動機(jī)器人推廣應(yīng)用的瓶頸。本文設(shè)計(jì)并制作的機(jī)器人可以解決此問題。

1 工作原理
    GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人總體原理框圖如圖1所示，是以履帶式移動機(jī)器人作為機(jī)器人底盤，利用機(jī)器人的行駛功能并加以改造。在機(jī)器人上搭載GPS、電子羅盤、溫濕度傳感器作為信息采集單元；搭載紅外傳感器與驅(qū)動電路作為機(jī)器人控制單元。信息采集單元與機(jī)器人控制單元都由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。LabVIEW編寫的上位機(jī)程序構(gòu)成了導(dǎo)航計(jì)算單元，通過無線通信模塊與信息采集單元、機(jī)器人控制單元形成一個自動導(dǎo)航探測系統(tǒng)，機(jī)器人上載有數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，可以對機(jī)器人周圍環(huán)境進(jìn)行直觀地探測。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人硬件電路包括車載的信息采集單元電路、控制單元電路以及上位機(jī)無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路。硬件電路的主要功能是將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)控制自動導(dǎo)航機(jī)器人的運(yùn)行。
2.1 信息采集單元電路
    本設(shè)計(jì)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，定位采用絕對定位法[6]。方位角的獲得采用GY-26平面數(shù)字羅盤模塊，此羅盤以 RS232協(xié)議與其他設(shè)備通信，具有重新標(biāo)定的功能，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，其輸出的波特率為9 600 b/s，具有磁偏角補(bǔ)償功能，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境[7]。
    采集單元電路使用兩塊單片機(jī)作為信息采集處理器，如圖2所示。一塊為STC89C52，作從處理器，用于對GPS傳來的多種NMEA語句中“GPRMC”語句的提取，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機(jī)串口2的接收口，以及對溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；另一塊為STC12C5A60S2雙串口單片機(jī)，串口1用于對電子羅盤的控制與信息獲取，串口2的發(fā)送口用于對從機(jī)上傳的“GPRMC”語句再次篩選以及把所有信息(經(jīng)度、緯度、速度、方位角、濕度、溫度)打包后通過無線通信模塊APC220發(fā)給上位機(jī)。同時將經(jīng)緯度、時間、方位角在LCD12864液晶屏上顯示出來。

2.2 控制單元電路

    控制單元采用STC89C52作為處理器，如圖3所示。機(jī)器人通過數(shù)據(jù)無線接收模塊APC220接收上位機(jī)發(fā)來的角度和距離數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由字符型轉(zhuǎn)換成整型，執(zhí)行相對應(yīng)的動作，達(dá)到對機(jī)器人的比例控制，向目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)。單片機(jī)的I/O口接驅(qū)動電路的輸入端，在L298的兩個使能端的控制下，機(jī)器人直流電機(jī)可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而使機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。機(jī)器人驅(qū)動部分采用的L298N是專用驅(qū)動集成電路，其輸出電流為2 A，最高電流為4 A，最高工作電壓為50 V。機(jī)器人采用的電機(jī)工作電壓為7.2 V，工作電流為160 mA～180 mA。
    避障功能采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，傳感器集發(fā)射器和接收器于一體，DATA端接單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)通過掃描I/O口可以判斷前方是否有障礙物。當(dāng)有障礙物時，物體將發(fā)射器發(fā)射足夠量的光線反射到接收器，接收器即產(chǎn)生了開關(guān)信號，信號線低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出。檢測有效距離為0 cm～80 cm，自動避障后，繼續(xù)按照原來的路徑前進(jìn)。
2.3 上位機(jī)無線收發(fā)單元電路
    上位機(jī)無線收發(fā)單元由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及無線收發(fā)模塊APC220構(gòu)成。APC220接收GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人采集的GPS信號，經(jīng)過MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成PC端能識別的232電平。上位機(jī)根據(jù)收到的GPS信號為GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人規(guī)劃好路徑，通過無線收發(fā)模塊APC220，向GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人控制單元發(fā)出控制指令，從而使GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人運(yùn)動到指定目標(biāo)，如圖4所示。

3 自動導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)程序在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)，下位單片機(jī)程序采用C51開發(fā)。下位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件用于接收GPS、電子羅盤、溫度等數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)，下位機(jī)控制軟件負(fù)責(zé)接收上位機(jī)控制指令并控制機(jī)器人的運(yùn)行。上位機(jī)程序用來接收下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)行路徑。
3.1 自動導(dǎo)航算法
    通過無線數(shù)據(jù)采集模塊，上位機(jī)獲取機(jī)器人所在位置的經(jīng)緯度、方位角等數(shù)據(jù)；由于目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度已知，所以可以通過高斯-克呂格投影變換法得到目標(biāo)點(diǎn)與出發(fā)點(diǎn)的直角坐標(biāo)；由電子羅盤檢測機(jī)器人的指向角來規(guī)劃機(jī)器人路徑。由于機(jī)器人受重心以及各種外界因素的影響，行駛過程可能出現(xiàn)偏差。因此，采用反饋校正的方式，即發(fā)送給機(jī)器人指令前一瞬間當(dāng)作機(jī)器人的起始位置，再次與目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行路徑規(guī)劃。自動校正指令發(fā)送的周期可以根據(jù)實(shí)際情況加以設(shè)置。當(dāng)機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)非常接近時（3 m～6 m），上位機(jī)發(fā)送最后一次指令給機(jī)器人(即上位機(jī)不再發(fā)送指令給機(jī)器人)，避免由GPS模塊精度不高而帶來的機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)打轉(zhuǎn)的問題。
3.2 GPS數(shù)據(jù)提取程序設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)提取程序流程如圖5所示，當(dāng)數(shù)據(jù)幀頭為$GPRMC時，提取并顯示目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度、速度、時間和溫濕度。

3.3 上位機(jī)程序
    上位機(jī)對機(jī)器人控制有自動和手動兩種模式。自動導(dǎo)航適用于遠(yuǎn)距離導(dǎo)航，在上位機(jī)輸入指定一個目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度，通過轉(zhuǎn)換，最后發(fā)給機(jī)器人的是一個角度和距離，機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)后向目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)。在行駛過程中可以對行駛路線進(jìn)行若干次自動校正，以提高導(dǎo)航能力。手動控制通過上位機(jī)發(fā)送響應(yīng)指令控制機(jī)器人的前后左右動作，適合短距離位置調(diào)整和探測。上位機(jī)程序流程圖如圖6所示。

4 機(jī)器人系統(tǒng)測試
    對硬件電路制作的GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。
    自動導(dǎo)航試驗(yàn)地點(diǎn)選于某地一廣場，首先運(yùn)行LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，先采集目標(biāo)位置，并顯示到上位機(jī)監(jiān)控軟件中；然后把GPS自動導(dǎo)航探測機(jī)器人拿到出發(fā)位置；最后在上位機(jī)監(jiān)控軟件界面上點(diǎn)擊自動導(dǎo)航按鈕，機(jī)器人自動向目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)發(fā)。其中，試驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)經(jīng)緯度為(E11607.45785、N2419.88293)，目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度為（E11607.45931、N2419.88526），實(shí)際距離為25 m。通過10次機(jī)器人自動導(dǎo)航試驗(yàn)，測得機(jī)器人最后停止位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離如表1所示。測試結(jié)果的絕對誤差平均值為1.085 m，相對誤差平均值為4.34％。
    本文介紹的GPS自動導(dǎo)航履帶式探測機(jī)器人對地面的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以在對人體有害的環(huán)境中代替人運(yùn)動到指定位置，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，完成一些危險的工作。在前往目標(biāo)點(diǎn)的途中機(jī)器人能實(shí)時測量并發(fā)送當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、溫濕度、有害氣體濃度、機(jī)器人的方位角、速度等，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)能實(shí)時反映機(jī)器人周圍的環(huán)境，并在上位機(jī)主界面上，直觀地顯示出所采集的各種信息；導(dǎo)航的平均誤差為1.086 m，最大數(shù)據(jù)采集間間隔為3 s，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220的無線傳輸距離為1 000 m，能夠通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
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