基于探索者平台的远程环境探测机器人系统设计

王晓旭，王承林，刘嘉成，张奕龙，贺晓辰

（邢台学院，河北邢台，054001）

远程环境探测机器人广泛应用于高危复杂环境作业，如航天航空、海底探测、核工业、排险防爆等方面。近年来，地震、核泄漏、矿难等时有发生，远程探测机器人可以代替人们进入高危环境进行探测，辅助救援开展，以减少救援工作中的伤亡。探测机器人的快速发展，主要在远程测控、循迹避障、无人操控等方面研究较为深入，像我国成功发射的嫦娥五号探测器和天问一号火星探测器，都属于集成度、可靠性和稳定性非常高的探测机器人。

本设计将传感检测技术、无线技术与智能小车技术相结合，利用机器人作为载体，实现遥控探测获取周围的环境状况，监控图像和障碍物距离信息实时传输，上位机软件可实时远程监控，多维度还原机器人周围的场景[1]。

1 系统设计方案

系统设计方案框图如图1 所示。本设计以Arduino 控制板和扩展板为控制核心，主要分为三部分：（1）移动小车平台设计。利用探索者平台套件完成小车底盘和云台的组装，小车采用直流电机驱动，云台采用舵机驱动；（2）WiFi 路由器将摄像头采集的图像信息传递给上位机监控软件，同时该软件可控制云台左右、上下各180°的旋转，还可通过手机APP 实现对小车的运动控制；（3）超声波测距数据经蓝牙无线传输至上位机雷达扫描软件进行显示。

图1 系统设计方案框图

2 硬件原理及设计

■2.1 主控板和扩展板

Basra 是一款基于 Arduino 开源方案设计的开发板，控制板含 3A、6V 的稳压芯片，可为舵机提供 6V 额定电压。两个 2×5 的杜邦座扩展坞，方便蓝牙、OLED、无线模块等扩展模块进行直插连接[2]。

BigFish 扩展板板载2 片直流电机驱动芯片L9170、舵机接口、MAX7219LED 驱动芯片，可直接驱动直流电机、舵机、数码管等机器人控制常规执行元件[3]。

扩展板和控制板堆叠连接使用，Basra 与BigFish 扩展板引脚接口示意图如图2 所示。

图2 Basra 与BigFish 扩展板引脚接口示意图

■2.2 移动小车单元

利用探索者创新套件进行车体的组装，车轮可采用轮胎式或履带式，采用四驱直流电机驱动。将左侧、右侧电机分别用1 拖2 直流电源线连起来，左侧两电机由BigFish 扩展板的直流电机接口D5、D6 控制，右侧两电机由D9、D10控制。当D5（D9）为高电平1、D6（D10）为低电平0 时左侧（右侧）电机正转，反之电机反转[1]。

■2.3 舵机云台模块

采用两个180 度舵机分别控制水平旋转和垂直旋转，形成二自由度云台，用于装载摄像头和超声波模块，车体原地不动时可实现超声波和摄像头上下、左右180 度的扫描。舵机三个引脚分别是GND、VCC、PWM，两舵机分别对应接在扩展板3 针舵机接口上，PWM 引脚接D3、D4。

用Arduino 控制舵机一般有两种方法：

①通过Arduino 的数字引脚产生不同占空比的方波，模拟产生PWM 信号，通过调整输入PWM 信号脉宽改变舵机的旋转角度，从而控制舵机运行[4]。所用舵机其对应关系如图3 所示。

图3 PWM 信号脉冲宽度与舵机旋转角度的关系

②直接利用Arduino 自带的Servo 库进行控制。

■2.4 WiFi 视频组模块

WiFi 视频组包含GL-AR150 路由器、USB 摄像头以及通信转接板。该视频模块是一个TP-Link 的703N 型小型路由器，刷上了Linux 开源的OpenWrt 系统，在系统中加载了摄像头驱动，支持连接USB 摄像头，作为高清无线网络监控。PC 或手机通过WiFi 连接视频模块后，利用应用程序打开视频模块上的摄像头，通过上位机可以随时随地轻松访问。

通信转接板的USB 接口与WiFi 路由器上的电源接口相连，转接板上的串口线GND、RX、TX 分别与路由器上的GND、TX、RX 对应相连接，USB 摄像头连接到路由器的标准USB 接口。

工作时，上位机连接路由器WiFi，输入密码连接成功后，上位机软件即可实现对摄像头采集图像的显示，以及对舵机云台的控制，摄像头可跟随云台上下、左右180 度旋转。

■2.5 蓝牙超声测距模块

该模块实现障碍物测距及数据无线传输功能。

HC-SR04 超声波测距模块可具有 2cm～400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度为 3mm；模块包含超声波发射器、接收器与控制电路[5]。模块的ECHO 和TRIG 分别连接主控板的A0、A1 传感器接口。

HC-04 蓝牙串口通信模块是基于 V2.1（SPP）经典蓝牙协议和 V4.0（BLE）蓝牙协议的双模数传模块。无线工作频段为 2.4GHz ISM，调制方式是 GFSK[6]。从机和单片机连接，主机和电脑USB 口连接，用于距离数据的无线传输。蓝牙从机与Bigfish 扩展板的RX 和TX 对应连接，上电后，主从机会自动配对，成功后主机和从机的指示灯会常亮。

3 运动及检测程序设计

■3.1 小车及云台运动控制程序设计

控制流程如图4 所示。

图4 运动控制程序流程图

本设计采用Servo 库进行舵机控制。Servo 库常用函数：

Attach（接口）—设定舵机接口。

Write（角度）—用于设定舵机旋转的角度，可设定范围0°～180°。

接通电源，上位机连接WiFi 成功后，通过串口通信向下位机单片机发送指令0、1、2、3、4，利用switch()case、servo.write()语句和整型变量a 和b 值的变化来控制舵机的转动。

case 0 为保持a 和b 的值为当前值，舵机不动；

case 1 为使a 自增1，对应水平舵机1 向右转动1 度；

case 2 为使a 自减1，对应水平舵机1 向左转动1 度；

case 3 为使b 自增1，对应竖直舵机2 向右转动1 度；

case 4 为使b 自减1，对应竖直舵机2 向左转动1 度。

上位机通过串口通信向下位机单片机发送指令0、1、2、3、4，利用switch()case、digitalWrite()语句控制直流电机正反转实现小车停止、向左、向右、向前、向后的运动控制。两侧电机停止则小车停止，两侧均正转小车前进，两侧均反转小车后退，左侧正转右侧反转小车右转，右侧正转左侧反转小车左转。

■3.2 超声波测距程序设计

程序设计流程图如图5 所示。

图5 超声波测距程序设计流程图

给Trig 引脚施加至少10μs 的高电平触发脉冲，HCSR04 则自动发射8 个40kHz 的方波（即为超声波）。从向外发射超声波的时刻开始，Echo 引脚就会变成高电平，高电平会一直持续到HC-SR04 接收到回波为止。波从发射到返回的时间即为高电平的持续时间，测试距离=（高电平时间×声速（340m/s））/2[5]。

4 上位机软件设计

■4.1 小车及云台摄像头监控软件

小车的运动控制可通过移动端软件WIFIRobot.apk 软件操作。首先需要手机连接小车路由器WiFi，打开软件设置界面如图6 所示。控制小车运动的控制参数中指令01--前进，02--后退，03--左转，04--右转，00--停止。

图6 手机端软件参数设置

确认后进入图7 所示控制界面，显示摄像头采集的图像，同时通过控制前、后、左、右按钮即可控制小车的运动。

图7 手机端控制软件

打开电脑端WiFiRobot 软件，联网并进行相应参数设置后，执行“视频”指令，可显示当前摄像头采集图像，如图8 所示。执行“前、后”指令，控制竖直云台舵机动作。执行“左、右”指令，控制水平云台舵机左右转动，“停止”指令则控制舵机云台静止。

图8 手机端控制软件

另外，在浏览器中输入：192.168.8.1，登录界面输入密码，在监控页面可以对画面分辨率进行设置，然后在浏览器地址栏中输入“IP：端口号”（192.168.8.1:8083），即可在浏览器端访问摄像头，如图9 所示。

图9 网页端监控画面

■4.2 Processing 雷达扫描软件

为了能实时直观地展现超声波探测的数据和环境内整体障碍物情况，制作一款数据图形化显示软件。Processing是为开发面向图形的应用而生的简单易用的编程语言和编程环境[7]，基于Processing 编写测距雷达扫描软件，主要包含serialEvent()（串口数据读取）、drawRadar()（雷达图弧线和角度线绘制）、drawObject()和drawLine()（障碍物测距雷达扫描线绘制）、drawText()（角度、距离等文本显示）函数的编写。

电脑端Processing 上位机软件接收来自蓝牙主机的数据，包括水平舵机转动的角度和超声波模块与障碍物的距离值，绘制具有雷达扫描效果的监视器画面动态图形，相当于一个障碍物空间扫描雷达，直观显示出探测环境内的具体情况。探测小车及障碍物扫描如图10 所示。

图10 探测小车及障碍物距离雷达扫描图

5 结语

该环境探测机器人具有距离测量、障碍物扫描、视频监控等功能。移动小车搭载二自由度云台，探测范围广，360 度无死角。图形化数据显示形象直观，从视频和距离数据两个维度反映所探测的环境信息，可更全面还原真实场景。同时移动小车可选择使用履带式驱动或四轮式驱动，可满足仓库、居家、矿井、山洞等多种复杂环境下的环境探测工作。

该环境探测机器人可以快速采集、实时信息传输，通过功能的扩展可达到不同的探测目的。如巡检机器人，加装不同传感器可用于受限空间、有毒有害气体等特殊环境下的信息采集；排爆机器人，若加装机械臂能够完成远程操控排爆的任务；若加装生命探测仪也可完成震后灾区搜救任务等。