无轨巡检机器人的设计研究

2024-04-05刘科明辛炤龙赵成龙谭秋月郝楚堂姚进玲莫灿苗

中国储运 2024年2期

文/刘科明辛炤龙赵成龙谭秋月郝楚堂姚进玲莫灿苗

随着科学技术的进步，人们对新兴事物的探索研究越来越深入，智能巡检机器人是近年来新兴的一种智能巡检工具。与人工巡检相比较，它可以创建全方位的盲点监控，全天准确无休息地巡查检测，在紧急情况下可以及时地处理报警，预防灾难发生，甚至可以通过温度传感器预测火灾或爆炸的发生。无轨巡检机器人适用于多种场景，无论是高压变电站、煤矿厂区等都可以有效监控，做到及时避免意外的发生。

1.巡检机器人功能

（1）自主巡检。智能自动巡检及导航智能机器人还将通过搭载的包括红外激光雷达、毫米波红外跟踪雷达、超声波红外检测雷达、组合型卫星空间惯导仪系统（GPS）及接收机模块等功能模块，结合机器人的深度感知智能深度学习智能算法模块的设计理念和智能机器人的多尺度智能传感器数据技术有机融合，让这些智能机器人可以做到在任何一特定的环境状况相互作用下都能完全独立地实现其自主的路径规划、自主的定位及导航、自动的巡检。（2）室内室外复杂环境精准定位。综合运用超宽带无线基站自动组网定位仪模块、激光接收器雷达阵列系统、惯性组件系统以及轮速计模块等多信号源的传感器系统，通过深度数据交叉融合集成的新方式可进行实时高精度的SLAM 图像解算，解决各种室内外等复杂信号环境作用下出现的高精度主动定位问题。（3）全域障碍物避障。激光雷达阵列可同时与环向式的超声波传感器阵列及云台相机阵列等器件共同组合，运用起来作为对自动点位障碍物区的主动检测的传感器，实现了对巡检机器人的当前位置智能识别，让自动巡检的机器人真正实现其在进行自主巡检作业的整个过程，具备对静态点位障碍区障碍物的智能识别避障等，变得更加灵活方便安全稳定且控制精准和高效。（4）超前的轨迹预测能力。DA-M 100A不具备但又具有的避障识别能力及对目标深度的感知跟踪能力（立体感知）如台阶障碍物探测、高度障碍物，同时系统还能快速对目标周围环境内隐藏的各种障碍物信息进行跟踪检测分析和动态跟踪，同时还预测目标障碍物在未来的一段时间范围内发生的主要运动、位置信息，如行进方向、速度分布及运动的轨迹等。（5）手势指挥的人机交互体验。综合利用双光相机采集图像并智能处理及分析图像数据，通过机器人自建强大的图像手势语音识别和数据库，与机器人之间实现了实时准确的语音手势语音交流或互动方式来直接对机器人动作进行实时动作控制。（6）全区域通信覆盖。合理有效布置巡检通信，实现了巡检通信区域的通信全区域覆盖，保证了巡检传输信息的实时有效性。

2.设计方案

根据机器人实际使用中的各种限制与需求，设计智能机器人的整体结构。该机器人底盘使用由双面覆铜硬化板，以防止因底盘质量问题发生的形变、断裂、短路等问题；在电机方面选择使用TT马达，该马达可防止由于电机突然启动引起火花干扰，导致信号错误触发的情况，并可有效减小噪音；轮胎方面则使用了不易变形、表面平整的航模水平防滑橡胶轮胎，能够让机器人更稳定地运动，减少在行走和制动时出现的打滑现象。此外，专门用马达锁在底盘上固定马达，车轮也是用轴连接马达的。包括电池模块、视频监控模块等，其余硬件部分都固定在智能机器人的机箱上。

3.工作原理

为了保证智能机器人始终严格按照轨迹正常运行，尽量避免外界光线环境对智能机器人行驶的干扰，在智能机器人车辆的左底盘上放置好了道路信号检测模块电路板，智能机器人车的左右侧端上放置好了红外传感器和循迹监测模块，智能机器人车辆的最左侧端上放置好了超声波避障模块，智能机器人车辆的最上面端放置好了单片机控制板，以有效保持智能机器人的平衡。采用红外光作为侦测光源，从而避免在光线不足的环境下工作时对机器人侦测的干扰与影响。

4.机器人硬件

机器人的主模板芯片为以STM 32F103系列单片机为主模板控制器，由一个32位的ARM 微控制器，该系列芯片是由德国意法半导体（ST），其核心是架构M 3。

5.软件部分

超声波传感器模块选择的使用了HC-SR04超声波模块，该传感器模块是可实时将被检测信号到传感器的位置信息直接传输到主控制器，来进行超声波信号进行转换，在主控制器模块内可通过检测高低电平信号来进行超声波智能检测判断。使用PWM 脉冲进行信号输出，直流电动机的功率控制方式是要通过改变输入PWM 波信号的频率占空比值来进行实现的。在驱动该机器人运行的单片机主控制器单元内至少具有两个16位的定时器，并且对于每个定时器至少有多达4个输出信道，每个输入信道还会各自产生可控制左右两侧马达速度方向的两个PWM 输出。TC89C51单片机控制系统中内置的定时器的输入信号捕获处理功能是用以产生处理速度的脉冲信号，可自动计算和得到驱动机器人车辆的平均行驶的速度。技术参数在智能机器人本体内还预留设计处预留了一个串口通信的接口，可方便通过主控制器内部的一个串行数据通信的接口来与机器人其余所有设备接口进行串口数据的传输转换与串行通信。

6.模块设计

（1）电机驱动模块。本次采用L298N电机驱动芯片对电机进行驱动。该芯片具有高压、大电流的特点，使用标准逻辑电平对电机进行控制。该电机驱动器可直接使用STM 32单片机控制器内的PWM 驱动功能，将其插入STM 32主控制器，实现对电机的驱动和PWM 的速度调节。首先，将定时器和与之对应的IO口启用；然后，初始化定时器，并设置向上计数的计数模式；最后，该驱动芯片可使用定时器并通过更改比较值CCRX实现不同占空比。（2）红外避障模块。在红外避障模块，本次选择HJ-IR2红外传感器。该传感器可以减小光线对检测情况的影响，在机器人内起到电子开关作用。在检测到障碍时输出低电平，无障碍时输出高电平，该传感器由发射管和接收管构成。其红外工作原理为运用物体表面对红外光线固有的反射吸收性质，当前方若无障碍物时，由红外线发射管接收发出来的正红外激光将射向前方，不会直接发生红外反射，接收管一般不需工作；当前方在规定波长范围内如出现有障碍物，发射管上发出去的正红外光也会直接经此障碍物而反射信号至接收管。接收管也收到正红外光线的反射信号，经由比较器处理后，输出低电平信号至单片机，并由单片机主控制器对信号进行处理。（3）控制终端模块。该智能机器人支持PC端与Android端进行控制，可通过控制终端模块对智能机器人实现状态监控与运动状态控制。（4）无线视频监控模块。在无线视频监控模块采用USB接口摄像头，该摄像头拥有高清画质，满足机器人对外界状况进行捕捉和检测的需求。视频数据则可同时通过无线传输信号直接传输至接口的界面中显示，以最终达到视频实时在线监控管理的效果。（5）温度传感器模块。在该智能机器人的温度传感器部分，选用陶瓷制热敏电阻。该电阻具有灵敏性高、响应时间短、使用成本低、体积小、结构简单等特点。因其特性，所以该热敏电阻在温度不变时，会处于不动作状态；而当温度上升时，阻值会急剧减小，使得电路内电流急剧增大，从而获得温度变化数据。

7.无轨巡检机器人功能特点

（1）对于行进路线的智能规划能力：包括智能避障功能、规划最优路径能力、定位功能、预警功能等。（2）24小时不间断巡检：该智能机器人可实现全天24小时在线，帮助减轻值守人员工作繁忙的难题，并可实现低电量自主回充，实现真正的无人化值守。（3）AI智能图形分析：通过高清摄像头对人脸、车辆、表盘等进行图像处理，自动综合研判，保证巡检路段安全。（4）危险预警：通过高清USB接口摄像头进行全景监控，对危险、可疑处进行识别和预警，遇到险情可及时向后台报警，实时传达数据，使得安全问题可防可控。（5）终端协同能力：监控数据及视频实时回传终端，实现决策与行动的同时进行。（6）定制设计：允许在机器人上加装各种设备，以适应不同场景需求。系统框架可实现扩展，对不同行业的需求可进行定制化满足。传统巡检机器人采用大量预设坐标来定位，耗费大量的人员来维护，才能使机器人稳定工作。无轨巡检机器人采用视觉导航技术，在系统中采用模糊识别的算法来对现场的设备进行学习，在工作过程中，自动识别设备，自动定位检测，提高工作效率。