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申报书2
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1设计目的1
2工作原理（硬件）2
2.1工业探测机器人平台电子系统硬件设计的基本原则2
2.1.1模块化2
2.1.2局部自主性3
2.1.3各模块之间的通信3
2.2工业探测机器人硬件系统中的四个子系统3
2.2.1感知系统3
2.2.2通讯系统4
2.2.3运动系统5
2.2.4控制系统7
3设计计算（软件）8
4功能特点8
5创新性9
6今后需要进一步开展的工作9
附录1液晶显示模块程序10
附录2传感器采集模块程序16
工业探测机器人开发说明书
1设计目的
出于重要的战略意义，资源领域已经成为各科技强国相互竞争的一个焦点，出于安全性等因素的考虑，对工业探测机器人的研究设计也成为了开发资源的重要硬件之一，工业探测机器人可以帮助人类完成一些不能完成的任务。
近年来，工业机器人的研究受到重视，特别是在黑洞探测、军事排爆等领域。
人们已经清楚地体会到地面工业探测机器人的优越性。
工业探测机器人能够移动到固定式机器人无法到达的预定目标，完成设定的操作任务。
相应地对工业探测机器人系统也提出了更高的要求，特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高，其核心技术主要包括研究了机器人的运动控制系统、传感器系统以及操作员控制器。
近年来恐怖组织活动越来越频繁，恐怖活动已成为社会的一大公害。
恐怖分子的破坏力是我们所不能想象的，在每次恐怖袭击中，都造成了大部分人员的受伤乃至死亡，为了尽最大力度减少人员伤亡，我们对探测机器人进行研究，这也是很多国家正在研究的课题。
随着核化工业的飞速发展，发生重大核化事故的概率也大大增加。
如果利用机器人代替工作人员进入化学事故现场和情况不明、人员无法接近或高度危险的区域查明现场情况、采集信息、执行高危险性的工作，则可大大减少人员伤亡，提高保障能力和工作效率，响应汪洋书记提出的“幸福广东”的口号。
所以现今对探测机器人的研究的前景也是比较广阔的。
2006年，中国政府制定的《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006——2020年）》，将发展航天事业置于重要地位。
根据上述两个规划纲要，中国政府制定了新的航天事业发展规划，明确了未来五年及稍长一段时期的发展目标和主要任务。
按照这一发展规划，国家将启动并继续实施载人航天、月球探测、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等重大航天科技工程，以及一批重点领域的优先项目，加强基础研究，超前部署和发展航天领域的若干前沿技术，加快航天科技的进步和创新。
要发展航天事业，对月球进行探索，那么研究设计探测机器人也是必不可少的过程。
于是我们计划通过对工业探测机器人研究及设计，研究出一种能较稳定准确地的传输信息从而进行黑洞探测、军事排爆的工业探测机器人。
2工作原理（硬件）
2.1工业探测机器人平台电子系统硬件设计的基本原则
2.1.1模块化
由于工业探测机器人功能的复杂性，为了提高系统的可靠性和增强系统的扩展性能，系统采用模块化的结构，即系统由若干功能独立的模块组成，各模块协作完成系统的功能。
由于各模块功能单一、复杂性低、实现容易，且通过增减模块或者修改模块的功能来改变系统的功能，可以提高系统的可靠性和扩展性。
图1液晶显示模块原理图（陈东升绘）
图2液晶显示模块实物图（余少敏摄）
2.1.2局部自主性
系统各个模块功能相对独立，不受其它功能模块的影响。
如信号采集模块独立采集信息，由单片机实现信号的预处理、控制计算或者控制输出等工作，再把信息传送给别的模块。
机器人身体的移动模块拥有四个数字式红外距离传感器，相当于四只眼睛，单片机能根据周围的环境进行自主判断、决策及控制机器人身体的移动。
2.1.3各模块之间的通信
各功能模块之间采用并行通信的方式，通信介质使用315M高频的无线电信号传输模式，这样能实现远程监视和远距离操控。
模块之间无需连接很长的信号线，降低了信号传输过程中出现误码的概率，相互之间的干扰也降至最低。
2.2工业探测机器人硬件系统中的四个子系统
2.2.1感知系统
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。
国际电工委员会（IEC:
InternationalElectrotechnicalCommittee）的定义为：
“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。
”按照学者Gopel等的说法是：
“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而传感器系统则是组合有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器。
传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
传感器就像人类的感觉器官，探测机器人必须要有这方面的设计。
本机器人身上装有有害气体检测、测距、温度测量、火焰测量和亮度反馈等传感器，共同构成感应反馈系统。
气体传感器主要对可燃性气体甲烷有检测功能和有毒气体一氧化碳进行检测，当浓度达到一定的含量就会报警。
这样对于在工业应用上，像煤矿的探测有很好的效果，这样基本能对矿井下面的有毒气体和可燃性气体进行检测，达到预防危险事故的发生。
测距作用主要是感知前面物体的位置距离，能让机器人更好地处理，正确地避开物体，对物体的具体位置有正确的感知效果。
整只机器人共使用了四个数字红外测距传感器，可比作“人”的四只“眼睛”，能看得清周围的地势。
这直接使得机器人对壁障和自主决策提供了可能。
温度传感器主要是用来反馈探测现场温度的高低。
采用高精度的数字温度传感器DS18B20，该芯片具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种精密数字测温场合和控制领域。
测温范围从负55℃至125℃，能在非常恶劣的环境下稳定工作。
该芯片读取方式为串行方式，具有速度快，错误率极低的优势。
我们选用该测温芯片能保证机器人安全进行任务。
温度传感器可比作“人”的皮肤。
火焰传感器的使用主要针对明火。
因为机器人工作的场合往往是非常危险的，时刻都有可能发生明火，为了保护好机器人以及及时发现意外火源，减少不必要的损伤，因此在机器人的正前方安装了两个模拟火焰传感器。
可比作“人”的两个鼻子。
亮度传感器主要是对现场亮度进行调节。
采用光敏电阻器作为该传感器作为该电路的主要元器件，它能精准感知外界的光线亮度，然后通过电阻值的变化使得传输给处理ICmega8的AD值产生变化。
外界光线越暗，AD值越高。
根据实验测试，供给5V的直流电压，其在室内正常光线下输出4.7V的AD值，当光线明显较暗是，其输出4.94V的AD值。
图3感知系统（陈东升摄）
2.2.2通讯系统
机器人与操作员这间的通讯就通过这个模块进行的，机器人把探测到的信息通过单片机进行处理，再将处理好的信号通过无线模块反馈到液晶显示屏，将信息反馈给操作员，操作员再根据具体情况，通过操作杆对机器人进行操作。
2.2.2.1编码方法
设置地址码的原则是：
同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。
在这里我们采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：
悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用。
这里我们可以随便改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。
图4发射接收模块（余少敏摄）
采用2262与2272作为以电磁波传输介质的无线通信模块，具有距离远、信号稳定、无误触发等特点。
并且模块与模块之间能够做隔离，即是具有ID识别的功能。
进我们多次的实验，在1m至24m的距离进行遥控，正确率为100%，并且无延迟响应；在15m至45m的距离进行遥控，正确率为99.6%，但有约100ms的响应延迟，其中非正确的0.4%为探测装置不动作；在45m以上的距离进行遥控，正确率为%98.1，但有300ms到550ms的响应延迟，其中非正确的1.9%为探测装置不动作。
2.2.3运动系统
本机器人使用四个H桥电路来控制四个直流电机，四个H桥由N沟道MOS晶体管组成，使用大电流MOS晶体管的好处是增大了机器人的驱动能力，功率比一般的机器人增大了几倍，这样能更好地使得了机器人在崎岖的环境和坡度较高的坏境下能够自由地行走。
以AVRMega128单片机作为主要控制核心，主控板带有4路的大电流电机驱动电路，可扩展12路舵机控制端口和8路AD转换电路，并能通过串口与PC机通信。
本机器人用四个FAULHABER2342空心杯电机作为主要推进动力。
该电机功率大，输出扭矩较大，运转平稳。
配套的减速器也具有良好的机械性能，非常适合作为轮子。
AVRMega128单片机作为主要控制核心，产生控制信号，从而达到快速平稳的运动控。
考虑到工业探测现场的环境还有自身的技术，该机器人采用了轮式的移动方式，它的能耗小，能工作的时间较长，移动速度快，控制起来也比较容易。
本机器人采用了舵机控制端口，这样也就解决了命令发送和执行的时间同步的问题。
采用舵机进行控制，使机械手臂的灵活度大大地增加，能更好地对危险物品进行操作。
图5二度机械手臂（张灿杰摄）
图6采用的FAULHABER234212CR直流电机（张灿杰摄）
图7H桥驱动电路原理图（陈东升绘）
2.2.4控制系统
控制中心根据模块外部各变量做出相应的决策。
电机控制模块使用avrmega128作为核心；液晶显示模块和舵机控制模块采用51系列单片机作为核心；传感器采集模块采用avrmega8作为核心。
这种配合方式灵活、合理，对资源不易造成浪费。
操作员通过液晶屏上机器人返回的信息，决定需不需要手动干预机器人的运动。
操纵器上有四个操作杆，其中位于上方的两个用于控制机器人的运动，其中一个是用来控制机器人前进、后退，另一个是用来控制机器人左转、右转；位于下方的两个用于控制机械手臂的动作，其中一个控制机械手臂的上下移动，另一个控制机械手臂的开合。
合理的配合动作能实现用机械手臂进行排爆。
当机器人采用自主决策模式，即没有人为干预的模式时，机器人通过各种传感器所获取的信息，进行智能判断，完成探险任务。
图8控制发射信号的一组摇杆（卫兵摄）
3设计计算（软件）
传感器采集模块的程序主要负责检测各个传感器所返回的AD值，然后进行判断、分析，得出外界环境的安全与否，再将情况发射至液晶显示模块。
液晶显示模块只负责显示探测装置的现状，及时将信息反馈给操作者。
机械操作杆模块共有两组操作杆，位于上方的一组用于发射控制前进、后退、左转和右转的指令；位于下方的一组用于发射控制机械手向上、向下、张开和闭合的指令。
运动系统根据两组操作杆的指令，配合起来进行移动，并且依据“四只眼睛”所“看”到的外界环境，智能的避开障碍物。
程序主要是决定工作模式——自由模式和手动模式。
如果是自由模式，将控制直流电机配合移动，收集危险场合各地方的信息，完成任务后返回安全地带。
如果是手动模式，将在遥感的配合使用下避开障碍物，移动到指定的地点，精确地进行排爆。
当人为操作违反机器人安全规则是，机器人不动作，如会导致机器人翻身等危险动作。
其中涉及的较复杂的算法是舵机的控制和四路电机的控制。
这些都需要产生独立的PWM控制信号，另外直流电机控制采用软件PID算法进行恒速控制。
4功能特点
（1）机器人装有多种传感器，能全面采集现场的信息。
（2）采用无线通信，两个装置之间可以远距离实时传输信息。
（3）操作界面清晰、简洁。
采用12864液晶屏显示当前信息。
（4）当探测环境温度达到一定的高度时，会发出报警信号，并将探测环境的温度反馈到液晶显示屏上。
（5）本工业探测机器人探测到有害气体一氧化碳的时候，并且气体浓度达到一定值的时候，就会发出报警信号。
（6）实现人机交互。
能控制机器人的移动和机械手的操作。
（7）机器人装有两度机械手，能准确稳定进行排爆。
（8）进行实验表明态度机器人在较高温度下还能正常的工作，能很好地对未知的危险情况进行探测，满足危险品在探测的要求。
5创新性
（1）作品由于体积小、稳定性高、反应速度块、可操作性强、生存能力强、成本低等特点，适用军事上和民用的推广。
（2）使用模块化设计。
由于工业探测机器人功能的复杂性，为了提高系统的可靠性和增强系统的扩展性能，系统采用模块化的结构，即系统由若干功能独立的模块组成，各模块协作完成系统的功能。
由于各模块功能单一、复杂性低、实现容易，且通过增减模块或者修改模块的功能来改变系统的功能，可以提高系统的可靠性和扩展性。
（3）硬件功能的局部自主。
各功能模块一般都是由独立采取信息，由单片机实现信号处理、控制计算或者控制输出等工作，再把信息传送到12864液晶屏显示当前信息。
各部分功能相对独立，不受其它功能模块的影响。
（4）系统各功能部件之间的松散耦合。
系统内部各功能模块之间的连接采用无线并行通信方式，这样硬件之间的联系最少。
（5）可以任意采用某一种工作方式：
①人进行的干预很少的自由方式。
②人进行的干预很多的手动方式。
6今后需要进一步开展的工作
工业探测移动机器人是一个复杂的大系统，涉及到机械、电子、计算机、通信、图像处理、人工智能、智能控制等多个学科，且由于相关的许多理论和技术仍然处于研究和探索阶段，本文所做的工作也只是这个大系统中的小部分，因此，结合本文的研究内容，今后需要进一步开展的研究工作有：
（1）进一步完善平台的硬件设计，完善环境感知系统，增加工业探测模块。
（2）进一步研究和改进无线视频传输系统，获得实时性、可靠性、图像质量等各方面的最佳。
（3）进一步研究人与机器人的交互技术，完善操作员控制器在接口的安全性、远程感知、操作控制、命令输入、机器人所处场景和状态再现等方面的性能和效果。
（4）研究GPS定位等系统。
实现多传感器信息融合，使机器人能很好地满足工业探测过程中自主导航时的避障要求。
附录1液晶显示模块程序
/****************************************************************
51单片机显示程序-128*64LCD显示
LCD型号：
（带汉字库）或兼容型号控制器ST7920
****************************************************************/
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
/*端口定义*/
#defineLCD_dataP0//数据口
sbitLCD_RS=P3^5;//寄存器选择输入
sbitLCD_RW=P3^6;//液晶读/写控制
sbitLCD_EN=P3^4;//液晶使能控制
sbitwe=P2^6;
sbitdu=P2^7;
sbitTEST_01=P1^4;
sbitTEST_02=P1^5;
sbitTEST_03=P1^6;
sbitTEST_04=P1^7;
ucharcodedis1[]={"有害气体"};
ucharcodedis2[]={"亮度"};
ucharcodedis3[]={"火源"};
ucharcodedis4[]={"温度"};
ucharcodedis5[]={"安全"};
ucharcodedis6[]={"危险"};
#definedelayNOP（）;{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;};
voidlcd_pos（ucharX,ucharY）;//确定显示位置
/**********延时函数**********/
voiddelay（intms）
{
while（ms--）
{
uchari;
for（i=0;i<250;i++）
{
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
}
}
/*************检查LCD忙状态*******/
/**lcd_busy为1时，忙，等待；lcd-busy为0时,闲，可写指令与数据*****/
bitlcd_busy（）
{
bitresult;
LCD_RS=0;
LCD_RW=1;
LCD_EN=1;
delayNOP（）;
result=（bit）（P0&0x80）;
LCD_EN=0;
return（result）;
}
/***************写指令数据到LCD***********/
/****RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码*******/
voidlcd_wcmd（ucharcmd）
{
//while（lcd_busy（））;
LCD_RS=0;
LCD_RW=0;
LCD_EN=0;
_nop_（）;
_nop_（）;
P0=cmd;
delayNOP（）;
LCD_EN=1;
delayNOP（）;
LCD_EN=0;
}
/************写显示数据到LCD*********/
/*RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据*/
voidlcd_wdat（uchardat）
{
//while（lcd_busy（））;
LCD_RS=1;
LCD_RW=0;
LCD_EN=0;
P0=dat;
delayNOP（）;
LCD_EN=1;
delayNOP（）;
LCD_EN=0;
}
/****LCD初始化设定****/
voidlcd_init（）
{
we=0;
du=0;
lcd_wcmd（0x34）;//扩充指令操作
delay（5）;
lcd_wcmd（0x30）;//基本指令操作
delay（5）;
lcd_wcmd（0x0C）;//显示开，关光标
delay（5）;
lcd_wcmd（0x01）;//清除LCD的显示内容
delay（5）;
}
/****************主程序****************/
main（）
{
uchari;
delay（10）;//延时
lcd_init（）;//初始化LCD
//*********显示初始化
lcd_pos（0,0）;//设置显示位置为第一行的第1个字符
i=0;
while（dis1[i]!
='\0'）
{//显示字符
lcd_wdat（dis1[i]）;
i++;
}
lcd_pos（1,0）;//设置显示位置为第二行的第1个字符
i=0;
while（dis2[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis2[i]）;//显示字符
i++;
}
lcd_pos（2,0）;//设置显示位置为第三行的第1个字符
i=0;
while（dis3[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis3[i]）;//显示字符
i++;
}
lcd_pos（3,0）;//设置显示位置为第四行的第1个字符
i=0;
while（dis4[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis4[i]）;//显示字符
i++;
}
//***************************
//显示数据
TEST_01=TEST_02=TEST_03=TEST_04=1;
while
（1）
{
if（TEST_01==0）
{
lcd_pos（0,5）;i=0;
while（dis5[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis5[i]）;i++;}}//正常
else
{
lcd_pos（0,5）;i=0;
while（dis6[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis6[i]）;i++;}}//不正常
if（TEST_02==0）
{
lcd_pos（1,5）;i=0;
while（dis5[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis5[i]）;i++;}}//正常
else
{
lcd_pos（1,5）;i=0;
while（dis6[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis6[i]）;i++;}}//不正常
if（TEST_03==0）
{
lcd_pos（2,5）;i=0;
while（dis5[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis5[i]）;i++;}}//正常
else
{
lcd_pos（2,5）;i=0;
while（dis6[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis6[i]）;i++;}}//不正常
if（TEST_04==0）
{
lcd_pos（3,5）;i=0;
while（dis5[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis5[i]）;i++;}}//正常
else
{
lcd_pos（3,5）;i=0;
while（dis6[i]!
='\0'）{lcd_wdat（dis6[i]）;i++;}}//不正常
delay（10）;
//delay（500）;
//lcd_wcmd（0x01）;
//while
（1）
//P0=0xff;
lcd_pos（0,0）;//设置显示位置为第一行的第1个字符
i=0;
while（dis1[i]!
='\0'）
{//显示字符
lcd_wdat（dis1[i]）;
i++;
}
lcd_pos（1,0）;//设置显示位置为第二行的第1个字符
i=0;
while（dis2[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis2[i]）;//显示字符
i++;
}
lcd_pos（2,0）;//设置显示位置为第三行的第1个字符
i=0;
while（dis3[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis3[i]）;//显示字符
i++;
}
lcd_pos（3,0）;//设置显示位置为第四行的第1个字符
i=0;
while（dis4[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（dis4[i]）;//显示字符
i++;
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