《電子技術應用》
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自動導航探測機器人設計
來源:電子技術應用2012年第5期
楊久紅1,王小增1,2,李明庭1,劉祖強1,黃澤鵬1
1.嘉應學院 電子信息工程學院,廣東 梅州514018; 2.西北工業(yè)大學 航空學院,陜西 西安710072
摘要: 闡述了GPS自動導航的履帶式探測機器人的工作原理,設計并制作了機器人機械結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)的無線發(fā)送接收、機器人電機驅(qū)動電路,給出了基于虛擬儀器環(huán)境下的自動導航系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。測試結(jié)果的絕對誤差平均值為1.085 m,相對誤差平均值為4.34%。該自動導航探測機器人可以替代人完成一些危險的工作。
中圖分類號: TP273
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)05-0037-04
Design of automatic navigation tracked detection robot
Yang Jiuhong1,Wang Xiaozeng1,2,Li Mingting1,Liu Zuqiang1,Huang Zepeng1
1.The School of Electronics and Information Engineering, Jiaying University,Meizhou 514018,China; 2.The School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China
Abstract: The main working principle of the GPS automatic navigation tracked detection robot(GANTDR) is illustrated. The mechanical structure and the hardware circuits which is composed of the data acquisition, the data wireless send and receive, the GANTDR motor drive circuit are designed. The realization method of automatic navigation system under the LabVIEW environment is realized. The result of experiment indicates that the absolute error of automatic navigation is 1.086 m,and the relative error is 4.34%. The GANTDR can replace humanity to accomplish some danger works.
Key words : GPS;automatic navigation;tracked robot;data acquisition

    在對人類具有威脅、環(huán)境惡劣的場合中,移動機器人發(fā)揮著重要的作用。目前國內(nèi)外研制的機器人驅(qū)動方式以輪式或履帶式居多,在爬越坡面、跨越障礙、壕溝以及在濕地、碎石路面、泥濘地面上行走時,履帶式機器人具有一定的優(yōu)越性[1-3]。定位和導航技術是移動機器人的關鍵技術,移動機器人必須準確獲取自身位置信息以有效完成指定功能。采用差分GPS系統(tǒng)或者慣性制導系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確的定位和導航,但成本高昂,目前多用于軍事、航空航天等關鍵領域[4-5]。低成本的定位導航技術仍然是阻礙移動機器人推廣應用的瓶頸。本文設計并制作的機器人可以解決此問題。

1 工作原理
    GPS自動導航探測機器人總體原理框圖如圖1所示,是以履帶式移動機器人作為機器人底盤,利用機器人的行駛功能并加以改造。在機器人上搭載GPS、電子羅盤、溫濕度傳感器作為信息采集單元;搭載紅外傳感器與驅(qū)動電路作為機器人控制單元。信息采集單元與機器人控制單元都由單片機實現(xiàn)。LabVIEW編寫的上位機程序構(gòu)成了導航計算單元,通過無線通信模塊與信息采集單元、機器人控制單元形成一個自動導航探測系統(tǒng),機器人上載有數(shù)字攝像機,可以對機器人周圍環(huán)境進行直觀地探測。


2 硬件電路設計
    GPS自動導航探測機器人硬件電路包括車載的信息采集單元電路、控制單元電路以及上位機無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路。硬件電路的主要功能是將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機;接收來自上位機的數(shù)據(jù)控制自動導航機器人的運行。
2.1 信息采集單元電路
    本設計采用WGS84坐標系統(tǒng),定位采用絕對定位法[6]。方位角的獲得采用GY-26平面數(shù)字羅盤模塊,此羅盤以 RS232協(xié)議與其他設備通信,具有重新標定的功能,能夠在任意位置得到準確的方位角,其輸出的波特率為9 600 b/s,具有磁偏角補償功能,可適應不同的工作環(huán)境[7]。
    采集單元電路使用兩塊單片機作為信息采集處理器,如圖2所示。一塊為STC89C52,作從處理器,用于對GPS傳來的多種NMEA語句中“GPRMC”語句的提取,并把數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機串口2的接收口,以及對溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)進行采集;另一塊為STC12C5A60S2雙串口單片機,串口1用于對電子羅盤的控制與信息獲取,串口2的發(fā)送口用于對從機上傳的“GPRMC”語句再次篩選以及把所有信息(經(jīng)度、緯度、速度、方位角、濕度、溫度)打包后通過無線通信模塊APC220發(fā)給上位機。同時將經(jīng)緯度、時間、方位角在LCD12864液晶屏上顯示出來。

2.2 控制單元電路

 


    控制單元采用STC89C52作為處理器,如圖3所示。機器人通過數(shù)據(jù)無線接收模塊APC220接收上位機發(fā)來的角度和距離數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)由字符型轉(zhuǎn)換成整型,執(zhí)行相對應的動作,達到對機器人的比例控制,向目標點前進。單片機的I/O口接驅(qū)動電路的輸入端,在L298的兩個使能端的控制下,機器人直流電機可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),從而使機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)。機器人驅(qū)動部分采用的L298N是專用驅(qū)動集成電路,其輸出電流為2 A,最高電流為4 A,最高工作電壓為50 V。機器人采用的電機工作電壓為7.2 V,工作電流為160 mA~180 mA。
    避障功能采用紅外傳感器實現(xiàn),傳感器集發(fā)射器和接收器于一體,DATA端接單片機的I/O口,單片機通過掃描I/O口可以判斷前方是否有障礙物。當有障礙物時,物體將發(fā)射器發(fā)射足夠量的光線反射到接收器,接收器即產(chǎn)生了開關信號,信號線低電平輸出,正常狀態(tài)是高電平輸出。檢測有效距離為0 cm~80 cm,自動避障后,繼續(xù)按照原來的路徑前進。
2.3 上位機無線收發(fā)單元電路
    上位機無線收發(fā)單元由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及無線收發(fā)模塊APC220構(gòu)成。APC220接收GPS自動導航探測機器人采集的GPS信號,經(jīng)過MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成PC端能識別的232電平。上位機根據(jù)收到的GPS信號為GPS自動導航探測機器人規(guī)劃好路徑,通過無線收發(fā)模塊APC220,向GPS自動導航探測機器人控制單元發(fā)出控制指令,從而使GPS自動導航探測機器人運動到指定目標,如圖4所示。


3 自動導航軟件設計
    上位機程序在LabVIEW環(huán)境下開發(fā),下位單片機程序采用C51開發(fā)。下位機數(shù)據(jù)處理軟件用于接收GPS、電子羅盤、溫度等數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機,下位機控制軟件負責接收上位機控制指令并控制機器人的運行。上位機程序用來接收下位機數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換,并規(guī)劃機器人的運行路徑。
3.1 自動導航算法
    通過無線數(shù)據(jù)采集模塊,上位機獲取機器人所在位置的經(jīng)緯度、方位角等數(shù)據(jù);由于目標點經(jīng)緯度已知,所以可以通過高斯-克呂格投影變換法得到目標點與出發(fā)點的直角坐標;由電子羅盤檢測機器人的指向角來規(guī)劃機器人路徑。由于機器人受重心以及各種外界因素的影響,行駛過程可能出現(xiàn)偏差。因此,采用反饋校正的方式,即發(fā)送給機器人指令前一瞬間當作機器人的起始位置,再次與目標點進行路徑規(guī)劃。自動校正指令發(fā)送的周期可以根據(jù)實際情況加以設置。當機器人與目標點非常接近時(3 m~6 m),上位機發(fā)送最后一次指令給機器人(即上位機不再發(fā)送指令給機器人),避免由GPS模塊精度不高而帶來的機器人在目標點打轉(zhuǎn)的問題。
3.2 GPS數(shù)據(jù)提取程序設計
    數(shù)據(jù)提取程序流程如圖5所示,當數(shù)據(jù)幀頭為$GPRMC時,提取并顯示目標點經(jīng)緯度、速度、時間和溫濕度。

3.3 上位機程序
    上位機對機器人控制有自動和手動兩種模式。自動導航適用于遠距離導航,在上位機輸入指定一個目標點的經(jīng)緯度,通過轉(zhuǎn)換,最后發(fā)給機器人的是一個角度和距離,機器人接收到數(shù)據(jù)后向目標點前進。在行駛過程中可以對行駛路線進行若干次自動校正,以提高導航能力。手動控制通過上位機發(fā)送響應指令控制機器人的前后左右動作,適合短距離位置調(diào)整和探測。上位機程序流程圖如圖6所示。


4 機器人系統(tǒng)測試
    對硬件電路制作的GPS自動導航探測機器人進行了試驗,并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析。
    自動導航試驗地點選于某地一廣場,首先運行LabVIEW開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件,先采集目標位置,并顯示到上位機監(jiān)控軟件中;然后把GPS自動導航探測機器人拿到出發(fā)位置;最后在上位機監(jiān)控軟件界面上點擊自動導航按鈕,機器人自動向目標點進發(fā)。其中,試驗的出發(fā)點經(jīng)緯度為(E11607.45785、N2419.88293),目標點經(jīng)緯度為(E11607.45931、N2419.88526),實際距離為25 m。通過10次機器人自動導航試驗,測得機器人最后停止位置與目標點的距離如表1所示。測試結(jié)果的絕對誤差平均值為1.085 m,相對誤差平均值為4.34%。
    本文介紹的GPS自動導航履帶式探測機器人對地面的適應能力強,可以在對人體有害的環(huán)境中代替人運動到指定位置,完成數(shù)據(jù)采集任務,完成一些危險的工作。在前往目標點的途中機器人能實時測量并發(fā)送當前位置的經(jīng)緯度、溫濕度、有害氣體濃度、機器人的方位角、速度等,數(shù)字攝像機能實時反映機器人周圍的環(huán)境,并在上位機主界面上,直觀地顯示出所采集的各種信息;導航的平均誤差為1.086 m,最大數(shù)據(jù)采集間間隔為3 s,無線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220的無線傳輸距離為1 000 m,能夠通過計算機實現(xiàn)機器人的遠距離監(jiān)控。
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