文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)05-0037-04
在對(duì)人類(lèi)具有威脅、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合中,移動(dòng)機(jī)器人發(fā)揮著重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外研制的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(shí),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(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),移動(dòng)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(dòng)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(wèn)題。
1 工作原理
GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人總體原理框圖如圖1所示,是以履帶式移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人底盤(pán),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(pán)、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(dòng)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(xiě)的上位機(jī)程序構(gòu)成了導(dǎo)航計(jì)算單元,通過(guò)無(wú)線通信模塊與信息采集單元、機(jī)器人控制單元形成一個(gè)自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)系統(tǒng),機(jī)器人上載有數(shù)字?jǐn)z像機(jī),可以對(duì)機(jī)器人周?chē)h(huán)境進(jìn)行直觀地探測(cè)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人硬件電路包括車(chē)載的信息采集單元電路、控制單元電路以及上位機(jī)無(wú)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(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)控制自動(dòng)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(duì)定位法[6]。方位角的獲得采用GY-26平面數(shù)字羅盤(pán)模塊,此羅盤(pán)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(duì)GPS傳來(lái)的多種NMEA語(yǔ)句中“GPRMC”語(yǔ)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(duì)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(duì)電子羅盤(pán)的控制與信息獲取,串口2的發(fā)送口用于對(duì)從機(jī)上傳的“GPRMC”語(yǔ)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(guò)無(wú)線通信模塊APC220發(fā)給上位機(jī)。同時(shí)將經(jīng)緯度、時(shí)間、方位角在LCD12864液晶屏上顯示出來(lái)。
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(guò)數(shù)據(jù)無(wú)線接收模塊APC220接收上位機(jī)發(fā)來(lái)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(duì)應(yīng)的動(dòng)作,達(dá)到對(duì)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(dòng)電路的輸入端,在L298的兩個(gè)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(dòng)部分采用的L298N是專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)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(guò)掃描I/O口可以判斷前方是否有障礙物。當(dāng)有障礙物時(shí),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(kāi)關(guān)信號(hào),信號(hào)線低電平輸出,正常狀態(tài)是高電平輸出。檢測(cè)有效距離為0 cm~80 cm,自動(dòng)避障后,繼續(xù)按照原來(lái)的路徑前進(jìn)。
2.3 上位機(jī)無(wú)線收發(fā)單元電路
上位機(jī)無(wú)線收發(fā)單元由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及無(wú)線收發(fā)模塊APC220構(gòu)成。APC220接收GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人采集的GPS信號(hào),經(jīng)過(guò)MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成PC端能識(shí)別的232電平。上位機(jī)根據(jù)收到的GPS信號(hào)為GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人規(guī)劃好路徑,通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊APC220,向GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人控制單元發(fā)出控制指令,從而使GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定目標(biāo),如圖4所示。
3 自動(dòng)導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)程序在LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā),下位單片機(jī)程序采用C51開(kāi)發(fā)。下位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件用于接收GPS、電子羅盤(pán)、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(lái)接收下位機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,并規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)行路徑。
3.1 自動(dòng)導(dǎo)航算法
通過(guò)無(wú)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(guò)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(pán)檢測(cè)機(jī)器人的指向角來(lái)規(guī)劃?rùn)C(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(guò)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(dòng)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(shí)(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(lái)的機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)打轉(zhuǎn)的問(wèn)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(shí),提取并顯示目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度、速度、時(shí)間和溫濕度。
3.3 上位機(jī)程序
上位機(jī)對(duì)機(jī)器人控制有自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。自動(dòng)導(dǎo)航適用于遠(yuǎn)距離導(dǎo)航,在上位機(jī)輸入指定一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度,通過(guò)轉(zhuǎn)換,最后發(fā)給機(jī)器人的是一個(gè)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(guò)程中可以對(duì)行駛路線進(jìn)行若干次自動(dòng)校正,以提高導(dǎo)航能力。手動(dòng)控制通過(guò)上位機(jī)發(fā)送響應(yīng)指令控制機(jī)器人的前后左右動(dòng)作,適合短距離位置調(diào)整和探測(cè)。上位機(jī)程序流程圖如圖6所示。
4 機(jī)器人系統(tǒng)測(cè)試
對(duì)硬件電路制作的GPS自動(dòng)導(dǎo)航探測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。
自動(dòng)導(dǎo)航試驗(yàn)地點(diǎn)選于某地一廣場(chǎng),首先運(yùn)行LabVIEW開(kāi)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(dòng)導(dǎo)航探測(cè)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(dòng)導(dǎo)航按鈕,機(jī)器人自動(dòng)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(guò)10次機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航試驗(yàn),測(cè)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(cè)試結(jié)果的絕對(duì)誤差平均值為1.085 m,相對(duì)誤差平均值為4.34%。
本文介紹的GPS自動(dòng)導(dǎo)航履帶式探測(cè)機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)能力強(qiáng),可以在對(duì)人體有害的環(huán)境中代替人運(yùn)動(dòng)到指定位置,完成數(shù)據(jù)采集任務(wù),完成一些危險(xiǎn)的工作。在前往目標(biāo)點(diǎn)的途中機(jī)器人能實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)反映機(jī)器人周?chē)沫h(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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220的無(wú)線傳輸距離為1 000 m,能夠通過(guò)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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