基于北斗导航系统智能清障救援机器人设计

金泓旭，李红双

（沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳 110136）

0 引言

目前我国有70多个县区受到泥石流的威胁，发生泥石流之后，对当地生产生活造成了极大影响。首要任务就是精确、高效地发现被大碎石阻断的交通道路并尽快清理阻障为救援人员开通路线。传统的清障救援机器人需要人为设计前进路线，在工作过程中需要人工干预。机器人本身存在定位精度低及实时性差等问题会导致其救援效率低，救援进展慢。目前由我国自主设计研发的中国北斗一号卫星高空导航系统具有定位功能、授时功能，短报文通信功能可全天候、全天时地提供卫星导航信息和短信息输送服务[1]，此外还有很强大的自主判断能力，具有处理速度快、准确性高、覆盖面积最广、高度自动化等优点[2]，在军事、救援等领域发挥着不可替代作用。

针对现阶段清障救援机器人救援效率低、救援进展慢的问题，结合北斗系统特点，提出了基于北斗导航系统的智能救援清障机器人，通过北斗导航的精确定位和高效的视频信息输送效率，可以实现实时更新网联地图，利用CPU的运算与模糊控制理论相结合去寻找去往目的地的最优解，并将其规划好的路线发送至救援人员的移动端。通过自动筛选系统，将信号传给中央处理器，再由处理器发出清障指令来控制机械爪完成清障作业，提高救援效率。图1所示为智能小车整体设计。

图1 整体设计结构

1 定位系统设计

随着物联网技术的发展和应用，北斗GPS定位系统在智能清障领域中发挥着越来越重要的作用，由我国自主设计的北斗导航系统已初步具备区域导航、定位、授时的能力，其所具备的短报文通信系统通信实时性高、覆盖范围广、传输安全可靠[3]，通过短报文通信装置可以实现每次560比特的定位终端和北斗地面服务站双向通信，以此可以减少装入通信系统，提高中央处理器的运算效率。

我们将基于STM32的高精度北斗导航定位系统模块加装入机身。考虑到在受灾环境下工作，机体可能会出现晃动，导致出现定位不准或者模糊定位的现象，因此设计过程中在定位模块旁加装舵机，通过舵机推算进行辅助定位。首先小车内置定位发射模块，同时向两颗卫星发射出信号来测量小车与卫星之间的距离，再由小车定位模组接收卫星的感知信号。中央处理器将通过接收这两段信号，来开启模糊定位，此时小车已获得自身模糊位置。中央处理器再次调控定位模块与舵机，让发射器向第三颗卫星发射信号，找到3个半径交点的位置，确定小车的精确位置。中央处理器通过基于北斗短报文通信模块，将交点的位置以经纬度坐标的形式通过服务器发送至远程控制单位及救援人员移动端上，实时更新网联地图。图2为定位系统工程流程图。

图2 定位系统工程流程

2 自动筛选功能设计

2.1 自动系统概述

智能筛选（如图3），主要是指能够感知周围环境并利用其对外界信息进行处理，从而做出相应动作并且执行特定作业任务，实现自动化工作。本功能采用北斗导航系统作为智能避障小车的自动识别模块，该技术是基于定位与机器人控制，具有高精度、低价格和实时性等特点。其基本组成包括：外部传感器——超声波传感器，筛选摄像头，小车上安装的障碍物角测量电路及其辅助探测元件。

图3 筛选系统原理图

2.2 自动工作原理

中央处理器通过对周围声波信号中的矢量函数进行运算，来确定周围任何障碍物的方向，以及判断周围区域是否还存在其他障碍物，使中央处理器发出相应情况的指令，使小车实现正确筛选、避障等多种功能。产品设计时在每台小车的前方甲板上装有超声波传感器。当传感器开始进行工作时，会实时探测小车前面1 m左右范围，若在这个区域内出现障碍物，超声波将会在障碍物表面发生反射，将会由接收端开始接收反射声波信号，再由中央处理器通过处理超声波离开和返回超声波探头的渡越[4]，来计算小车与障碍物之间距离，在线筛选摄像头，物体捕捉摄像头发出工作指令。

2.3 自动工作方案

CPU先控制筛选摄像头开始运作，筛选摄像头将开始拍摄并判断前方物体是否定性为障碍物。确定为障碍物后，物体捕捉摄像头将向中央处理器上传图像。中央处理器会自动开启抓取模式，通过图像来判断物体的大小并控制机械爪的开合。再通过机械爪的定位模块向处理器提供石块具体位置，中央处理器将控制机械爪精准抓取下面石块，由此来实现一次工作周期。

3远程操作系统设计

3.1 远程操作系统概述

本设计采用的是以单片机作为核心控制器件实现控制操作平台系统的操控和管理功能及模块化设计。当中央处理器无法准确作出判断时，此时操作系统发出提示，并进行人工操作将原自动化操作系统变为半自动化，进行人为远程操作来完成相关救援作业。

3.2 远程操作系统工作原理

当开始进行远程操作时，控制端的显示器上会显示环境信息和机器人姿态信息，实现用户操作指令等功能[5]，小车先通过超声波传感器和筛选摄像头这两种传感器来采集数据判断现场情况。先通过超声波传感器来判断前方存在物体，向中央处理器传递信息。处理器再控制筛选摄像头，捕捉摄像头开启，通过对物体视觉信号的分析，将前方物体的体积、轮廓等相关数据传输至远程控制端，将前方障碍物图像显示在屏幕上，在图像旁边有显示机械爪开合度、升降高度等相关操作建议的小窗口。相关操作人员会通过控制操作指令来实现机械爪开合、机械臂升降，完成相关作业，图4为远程操作系统原理图。

图4 远程操作系统原理图

4 机械装置设计

4.1 清障装置设计

机械爪是机器人的一个重要组成部分，机器人手爪既是一个主动感知工作环境信息的感知器，又是最后的执行器，是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统[6]，可以代替人类完成一些生产作业。智能机械爪具有以下特点：1）实用性强，一般用在军事上和科研领域；2）可替代人畜做农业搬运工作或进行搜救等任务。

4.1.1 机械爪工作原理

我们设计在机身前面板安装两个机械臂并在前端配备机械爪来实现清障功能，在进行清障工作时，车身的超声波传感器可以快速确定前方障碍物的方位。通过中央处理器向主机发送清障信号，当中央处理器将会控制第三电动机高速转动进行转向，控制双轴电动机转动来进行清障机器人的横向移动，待到达障碍物处时，物体捕捉摄像头，锁定障碍物相对于机器人的具体方位。中央处理器发送信号控制双轴电动机和第三电动机对小车自身的方位进行微调，直至机械爪对准障碍物。

4.1.2 机械爪定位系统原理

机械爪在障碍物上方后，机械爪内部的定位系统开始工作。首先通过中央处理器按预定开合程度指令控制机械爪。同时机械爪定位模组开始工作，在机械爪中央安装有抽动杆，当定位到石块后抽动杆抵住物体，此时抽动杆开始向内抽动以实现机械爪的闭合，机械爪闭合抱紧物体。随即筛选摄像头开始对障碍物进行工作，发送图像信号给中央处理器。处理器便开始控制第二电动机的输出端转动，将障碍物移动至车体翻斗内上方，机械爪松开障碍物掉入翻斗中，图5所示为机械爪结构。

图5 机械爪结构

4.2 减震底盘设计

4.2.1 减震装置概述

减震装置是机器人小车的一个重要组成部分，在智能清障小车中，避障和躲避时采用超声波传感器来进行路面凹凸情况探测。当前方有障碍物时系统会根据当前环境实时检测到反射回来的信号并做出相应反应；同时单片机通过计算判断出与障碍物之间距离后发出指令给电动机驱动模块及转向器上移机构（即车轮转动），调节至正常工作所需达到的高度，进而控制小车实现躲避障碍、循迹等动作。图6所示为底盘结构设计图。

图6 底盘结构

4.2.2 减震工作装置原理

由于本文研究的机器人要探测障碍物，必须在传感器上安装减震装置。车身通过调节底座高度来进行减震进而稳固机身，以实现在复杂地势的行驶。可调底座由车轮、调节杠、超声波探测仪及减震底座构成。底座前面板装有一颗超声波探测仪，超声波探测仪时刻发射声波信号，当在其前方10 cm范围内有声音信号被阻挡时，底座控制器先使车辆停止，开始通过拉伸杆调节底座使底座升高，底座升高到前方10 cm无信号阻挡时，底座控制器开始控制小车继续前进。在遇到复杂环境时，减震底座中加入的空气减震弹簧将调节机身的稳定性，使小车稳定运行。图7所示为底盘工作原理流程图。

图7 底盘工作原理

5 结论

通过对本文设计的清障救援机器人控制系统、机械结构的分析，可以获得如下结论：

1）基于北斗系统设计的定位导航与北斗短报文通信功能，可以使得小车快速精确地将交点的位置通过服务器发送到远程控制端及救援人员移动端，提高救援效率。

2）在筛选系统的设计上，采用两种图像传感器共同工作，弥补了单一传感器的不准确性，实现了高精度物体筛选，避免了在救援过程中出现判断失误，提高系统容错率，提高救援效率。

3）采用机械手爪设计，可以大幅度提高清障速度，节省救援时间。

4）考虑到小车行驶道路状况不佳，采用了传感器与机械装置相配合设计可调节高度底盘，来时刻保持行驶过程中车身稳定，使得传感器元件可以正常工作。