一种室内智能机器人靶车设计

王聿彪 陈冬波 张千伟

摘 要：设计了一种室内智能机器人靶车，其能携带一个平面半身多部位靶，实现多部位报靶功能，且能携带侧转机构组件或起倒机构组件，实现运动过程中侧转或起倒等拟人动作，还能根据激光雷达自主定位，实现靶车按预设路径运行的要求。靶车经过设计计算确定驱动电机参数，并通过试验验证，满足设计要求。

关键词：智能机器人靶车;平面半身多部位靶;自主定位

0    引言

随着当前警用实弹战术射击实战化训练的推进，对运动靶标所模拟的假想敌的运动特性逼真度要求也越来越高，为此，本文设计了一种室内智能机器人靶车，其能携带一个平面半身多部位靶，实现多部位报靶功能，且能携带侧转机构组件或起倒机构组件，实现运动过程中侧转或起倒等拟人动作，还能根据激光雷达自主定位，在多种室内靶场中按预设路径或自主规划路径运行，模拟假想敌目标的多种特征。

1    设计要求

某项目要求研制一种室内智能机器人靶车，该机器人靶车总重为60 kg，最大速度为4 m/s，能够携带平面多部位靶，且能实现起倒功能[0°～90°（前向），起倒时间≯1 s]或侧转功能[0°～360°，侧转角速度≮180（°）/s]。

2    室内智能机器人靶车组成及设计

室内智能机器人靶车主要由机器人平台、側转机构组件或起倒机构组件、摄像头云台组件、激光雷达组件、平面多部位靶等部分组成，如图1所示。机器人平台主要负责靶车移动，侧转机构组件负责实现靶标侧转功能，起倒机构组件负责实现靶标起倒功能，摄像头云台组件用于对训练人员进行持续跟踪，激光雷达组件用于建图和自主定位，平面多部位靶实现多部位报靶功能。

2.1    机器人平台设计

如图2所示，机器人平台所有零部件都固定在基板上，平台主要由基板、轮毂电机、驱动器、主控制器、锂电池、万向轮等组成。

机器人平台共有两个轮毂电机，分别居中安装在平台两侧，负责平台的运动控制，驱动器为一拖二驱动器，分别用来控制两个轮毂电机。锂电池负责给设备供电。在平台四角分别安装一个万向轮，对平台进行支撑。轮毂电机安装时设计了弹簧减震机构，确保驱动轮时刻与地面接触，以防失去驱动力。

2.2    机器人平台驱动电机功率计算

室内智能机器人靶车采用低压直流无刷伺服轮毂电机驱动，通过光电编码器测量反馈、闭环控制。

在当前速度v下，电机转速为：

根据电机扭矩的输出公式：

则车轮输出力矩为：

其中x为驱动电机个数，忽略风阻对车体加速度的影响，车体的加速度为：

将式（4）进行积分运算，得到车体从静止状态加速运动到最大速度的时间：

整理后得到加速时间为：

式中的电机功率P单位为瓦。已知η=0.85，m=60 kg，μ=0.02，vmax=4 m/s，把以上参数代入公式，并通过MATLAB程序仿真输出电机功率-加速时间曲线图，如图3所示。设定靶车加速度为2 m/s2，换算成加速时间，即靶车从0加速到4 m/s需不大于2 s，对应的总功率约为200 W。考虑靶车在橡胶砖地面行驶，摩擦系数大，电机总功率应留些余量，最终选择总功率为320 W。

2.3    侧转机构组件设计

如图4所示，侧转机构组件主要由侧转机构支架、侧转电机、蜗轮蜗杆减速器、光电开关、靶夹转盘、导电滑环等组成。

侧转电机通过蜗轮蜗杆减速器传动后把动力传动到靶夹转盘，侧转靶夹固定在靶夹转盘上，从而带动平面半身多部位靶旋转，实现靶标侧转功能。在蜗轮蜗杆减速器输出轴另一端安装一个光电开关，用于零位检测。导电滑环用于侧转机构组件与平面多部位靶板之间走线，防止侧转机构旋转时绕线。

2.4    起倒机构组件设计

起倒机构组件主要由起倒机构支架、起倒电机、蜗轮蜗杆减速器、扭簧、光电开关、轴承座、靶夹法兰等组成。

起倒电机通过蜗轮蜗杆减速器把动力输出到传动轴上，传动轴带动靶夹法兰旋转运动，从而实现靶标起倒功能。扭簧用来缩小起靶时蜗轮蜗杆减速器间隙造成的晃动。光电开关用于零位检测。

2.5    平面半身多部位靶设计

室内智能机器人靶车可安装平面半身多部位靶。平面半身多部位靶采用多层导电布组合而成，主要用于室内智能机器人靶车在复杂运行轨迹下的全方位射击训练。

当子弹穿过平面半身多部位靶时，靶板可产生头部、心部、胸部、腹部和其他部位5个报靶短路信号。

3    试验验证

智能机器人靶车经过总装调试后，进行了试验验收。试验验收主要对靶车最大速度、侧转角度范围和侧转角速度、起倒角度范围和起倒角速度等主要技术指标进行了测试。

所选靶车驱动电机为两个160 W低压伺服轮毂电机，额定转速为500 r/min，轮胎直径为0.169 m。故理论上靶车最大速度为：

用遥控器遥控靶车以最大速度向前直线运行12 m，记录靶车从第4米运行到第9米（5 m）的时间t，重复采集3次，采集的时间分别为1.1 s、1.09 s、1.08 s，平均时间为1.09 s，则靶车最大速度约为4.6 m/s，满足指标要求。

所选靶车侧转电机为200 W低压伺服电机，额定转速为3 000 r/min，减速器减速比为60，故理论上侧转机构组件侧转速度为：

即理论侧转角速度为299（°）/s。用遥控器遥控靶车以最大速度侧转299°，记录时间t，重复采集3次，采集的时间分别为1.05 s、1.08 s、0.98 s，平均时间为1.04 s，则靶车实测侧转角速度为288（°）/s，大于指标要求的180（°）/s。

所选靶车起倒电机为400 W低压伺服电机，额定转速为3 000 r/min，减速器减速比为60，与侧转电机测试方法相同，实测起倒电机起倒角速度同样为288（°）/s，大于指标要求的90（°）/s。

4    结语

试验结果表明，所设计的室内智能机器人靶车满足指标要求，设计的侧转机构组件和起倒机构组件实现了靶标运动过程中的侧转或起倒动作，且通过加装的激光雷达组件，机器人靶车能实现自主定位，从而实现靶车自主路径规划和跟踪功能，大大提高了假想敌目标的运动特性和逼真程度。

[参考文献]

[1] 李建中，牛天宏，王兆旭，等.轨道式遥控靶车系统设计[J].火炮发射与控制学报，2006（4）：50-53.

收稿日期：2020-12-11

作者简介：王聿彪（1984—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：机器人设计。