基于体感控制的智能工程车

周玉林 张雅达 赵秋阳 范翔宇

摘 要：针对市面上智能机器人行动不灵活，价格高昂的现状，文中设计了一款基于体感控制的智能工程车。该智能工程车由运动底盘、摄像设备、多轴机械手臂和姿态手套组成。利用手势姿态控制，消除了多按键复杂操作的弊端;底盘采用麦克纳姆轮在有限空间内可以实现最大程度的运动;摄像设备可为操作人员实时传输地形图像并连接VR眼镜，具有更好的视觉效果;利用多轴机械手臂排除不利因素。该工程车的使用大大提高了人员施工的安全性，具有广阔的应用前景。

关键词：智能工程车;麦克纳姆轮;摄像设备;多轴机械手臂

1 项目产品

目前，许多国家都在积极进行智能工程车的研究和开发，并已将其应用于多个领域。文中设计了一种基于体感控制的智能工程车，此智能工程车主要由运动底盘、摄像设备、多轴机械手臂和姿态手套组成。工程车利用手势姿态控制，消除了多按键复杂操作的弊端，使其在复杂的环境中可以实现更加灵活的作业;底盘采用的特殊轮子结构—麦克纳姆轮在有限空间内可以实现最大程度的运动;工程车上装载的摄像设备可为操作人员实时传输回地形图像，并连接VR眼镜，具有更好的视觉效果;利用多轴机械手臂排除不利因素。此工程车的应用可以大大提高危险作业人员的安全性，有力保障他们的人身安全。

2 项目介绍

2.1 创意背景

随着电子技术、计算机技术和制造技术的快速发展，一些消费类产品逐渐呈现出智能化发展趋势，如今高科技含量的电子类产品俨然成了发展主流，越来越受人们的喜爱。显然传统的系统控制观念无法完全满足人们的需求，因此将智能控制系统与传统控制系统完美结合在科学研究、智能救援等方面具有极高的现实意义。

2.2 技术创意

体感控制工程车底盘安装的麦克纳姆轮使工程车的转弯半径大大减小，能够全向移动，增加灵活度，在狭窄环境中自由行驶。工程车采用人手姿态控制，省去了遥控多按键控制的繁琐步骤，并且降低了遥控设备的携带不便性，遥控只作为备用操作选择，使操作更加便捷。工程车上的多轴机械臂能够稳定移动，对目标进行快速处理。

2.3 可行性

工程车采用STM32F4系列芯片，使用陀螺仪矫正工程车姿态，配合麦克纳姆轮实现全向移动。STM32F4作为处理器，接收传感器传回的数据之后能够通过算法控制工程车四个麦克纳姆轮的速度。

陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒理论实现功能。陀螺仪由一个位于轴心且可旋转的转子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪表现出抗拒方向改变的趋向，判断工程车的行驶方向，配合单片机随时矫正工程车的运行轨迹。

麦克纳姆轮是一种全方位移动方式，基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮原理，这些成角度的周边轮轴把一部分机轮转向力转化到一个机轮法向力上，依靠各自机轮的方向和速度使这些力最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量来保证平台在最终的合力矢量方向上自由移动，而不改变机轮自身的方向。基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

PID是一种基于反馈的自动控制技术，测量的关键是被控变量的实际值和期望值的比较，用该偏差来纠正系统响应，由比例单元P，积分单元I和微分单元D组成，PID能够使系统的输出值趋向于理想状态，确保对工程车的控制更加稳定。

2.4 研究内容

体感智能工程车基于STM32F4芯片设计，工程车由底盘模块、机械手臂、摄像设备和姿态手套组成。

底盘选用麦克纳姆轮和伺服电机，通过全向移动算法，可充分发挥麦克纳姆轮的性能，大大缩小工程车的转弯半径，实现全向移动，使小车在更复杂的环境中也能行走自如。

工程车的底盘和机械臂通过九轴传感器与柔性电阻共同配合来实现体感操作，当手掌握拳时柔性电阻的阻值最小，这时螺陀仪将控制底盘运动;当手掌放松微开时柔性电阻的阻值变大，这时陀螺仪将控制机械臂的姿态变化。

将陀螺仪和柔性电阻集成于手套上，称之为姿态手套。用户通过自制的姿态手套利用nRF905无线通信协议实现远程操控。

在复杂的环境中可以利用摄像设备实时传输图像，利用机械臂实现清障维护等作业。

2.5 目的意义

姿态遥控相比传统的遥控操作简便、灵活。数据显示，很多勘测作业人员就是在进行作业时发生了意外危险而导致受伤或者死亡。基于体感的智能勘测工程车不仅操作方便，更大大保障了勘测人员的安全。

3 硬件组成

3.1 工程车底盘

工程车底盘实物。

3.2 机械手臂

车载的多轴机械手臂通过平行四边形连杆和双摇杆机构可以将电机安装在基座上，控制机械手臂运动，实现活动范围的最大化，并保持整体稳定。用户通过自制的姿态遥控利用nRF905无线通信协议实现远程操控与简单的清障维护等操作。

3.3 麦克纳姆轮

麦克纳姆轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是一种应用广范的全方位轮。使用4个该新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。在此基础上研制的全方位叉车及全方位运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的舰船环境，在提高舰船保障效率、增加舰船空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。

3.4 伺服电机

伺服电机（Servo Motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。

使用伺服电机控制速度，位置精度高，可将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，能快速反应，在自动控制系统中用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。电机分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

4 市场分析

基于体感控制的智能工程车也称为无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动操纵车辆进行障碍清除等作业。系统将多重传感器与控制器进行了良好结合，该工程车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等。该类小车的研究除了进行勘测作业之外，还可应用于科学研究，并且具有潜在的军用价值。

目前市场上已经有扫地、浇花、防盗巡查等运用此类技术的智能小车，但是缺少一个为勘测人员进行工作，减少他们伤亡率的智能機器人，并且大部分机器人都是用复杂的遥控按键控制极为不便，遥控在此只作为备用操作方式，本项目由此诞生。

开发的姿态遥控相比传统的遥控操作简便、灵活。当工程车作为勘测机器人时，代替人类实地勘察、搬运、转移可疑物，减少不必要的人员伤亡，最大限度保护人员安全。

市场上遥控操作的智能车型机器人遥控按键多，操作复杂。国内现有的类似机器人运动不灵活且成本高，而该智能工程车解决了这些问题，具有良好的发展前景。