救援机器人控制系统的设计毕业设计.docx

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救援机器人控制系统的设计毕业设计

摘要

近年来，由于环境恶化导致的自然灾害以及战争导致的人为灾害经常发生。

在灾难发生后的48小时以内，是在受灾现场废墟中寻找幸存者的黄金时间。

灾难救援现场环境往往是异常复杂、危险、多变，救援行动刻不容缓，在此种环境下，采用救援机器人协同救援人员，进行救援行动，能起到事半功倍的作用。

结合救灾场所的非结构化环境,本毕业设计设计了一款救援使用的探测机器人.机器人采用通用开放式机器人系统，采用模块化设计。

机器人系统的性能和功能可以根据救灾环境的需要很方便的增减。

良好的无线通讯功能允许远程操作。

在演示控制界面可以用单片机语言控制机器人移动状况。

控制系统结构流程：

计算机发出信号经过电平转换到无线收发模块，之后通过无线通讯到无线接收模块，通过单片机处理以及数据锁存最终控制机器人。

调速系统硬件原理是以AT89S51单片机为控制核心。

救援机器人采用了多种传感器共同作用，以便更加精确的获得探测结果，包括使用3CCD感光器获得图像信息、使用超声红外传感器精确确定探测目标的位置。

采用履带式行走机构,履带具有较强的驱动力，可以在阶梯上移动、重心低而稳定。

救援机器人具有可靠的机械系统和智能化的控制系统，可以在救灾现场恶劣的自然环境下工作。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

关键词：

救援机器人；控制系统；传感器；模块化设计；开放式机器人；

Abstract

Inrecentyears,duetothenaturaldisasterscausedbyenvironmentaldegradationandman-madedisasterscausedbythewarhappenedveryoften.Disasterrescuesiteenvironmentisoftencomplicated,dangerous,changeable,soitisurgenttorescue.Inthisenvironment,adopttherescuerobotcoordinatedrescueworkerstocarryontherescueoperation,canhavetheeffectofgettwicetheresultwithhalftheeffort.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

Combinationofreliefplaceunstructuredenvironment,thisgraduationdesigndesignedadetectingrobotusingforrescue.Therobotusesthegeneralopenrobotsystem,adoptsthemodulardesign.Robotsystemperformanceandfunctionalitycanconvenientlyincreaseordecreaseaccordingtotheneedsofdisasterenvironment.Goodwirelesscommunicationfunctiontoallowremoteoperation.Inthedemonstrationcontrolinterfacecancontroltherobotmovementconditionwithsingle-chipcomputerlanguage.TheprincipleofspeedcontrolsystemhardwareisbasedonAT89S51asthecore,includingspeedmeasuringcircuit,PWMwaveformgeneratorandthePWMpoweramplifiercircuit.RescuerobotUSESavarietyofsensorsworktogether,togetmoreaccuratedetectionresults.Usesthecrawlerwalkingmechanism,caterpillarhasstrongdrivingforce,canmoveontheladder,lowcenterofgravityandstability.Aidhasreliablemechanicalsystemandtheintelligentcontrolsystem,canworkundertheharshnaturalenvironmentatthesceneofthedisasterrelief.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

Keywords:

Rescuerobot;Controlsystem;Thesensor;Modulardesign;Opentherobot;opentyperobot;酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

1绪论

1.1引言

近年来，由于自然活动、局部战争和意外事故等导致的灾难经常发生。

在灾难发生的48小时之内，是救援人员抵达现场并在废墟中寻找幸存者的黄金时间。

灾难救援的现场往往异常复杂，形式多变，时间就是生命，在此危险环境下，采用机器人协同救援人员，进行抗灾救援，能起到事半功倍的效果，同时也是机器人技术中具有新型和有挑战性的发展方向。

由于灾难现场环境恶劣，对抗灾救援机器人相应的有更加苛刻的性能要求，需要更可靠的机械系统、更智能化的控制系统[1-3]。

謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。

灾后救援是人类需要共同面对的挑战。

目前世界范围内自然灾难和人为灾难频发，人类需要共同探讨救援对策，研究救援技术。

面对越来越复杂和危险的救援非结构化环境，机器人协助甚至代替人类参与救援工作成为当今救援的重要手段和议题。

国际上每年都有专门的会议研讨救援机器人技术，如：

IEEEInternationalWorkshoponSafety,SecurityandRescueRobotics（SSRR）等。

此外，还有各种测试救援机器人技术的比赛，如RobocopRescue等。

Robocop比赛是机器人领域的奥林匹克，它为检验各项机器人技术提供了一个标准测试环境和平台，各国机器人研究人员和爱好者可以相互交流、协作来促进机器人技术的发展。

RoboCupRescueLeague是于2001年加入Robocop的比赛项目[4-5]。

比赛的测试内容和标准是在规定时间内找到遇难伤员数目的多少和获取灾难现场地图的精确度，旨在鼓励救援机器人技术的发展和面向实际的应用。

呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。

灾难救援机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。

它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能、营救行动技术、灾难学等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。

随着灾难救援机器人性能不断地完善，在水灾、火灾、毒气、放射性物质以及地震、爆炸等灾难救援中，起到非常重要的作用[6]。

在此背景下选择了救援机器人控制系统设计这个题目。

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1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在国外，救灾机器人发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用。

在灾难现场中，救灾机器人应能迅速找到幸存者的位置。

日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有1部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。

美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。

InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。

日本大阪大学所制造出的蛇行机器人，可以在崎岖不平的废墟上爬行。

蛇行机器人身上的监视器、传感器，能够在灾难后的废墟中探测幸存者的方位。

除了前面的中小型救灾机器人，微型救灾机器人也正在研究中，美国加州大学伯克利分校研制出世界第1个苍蝇机器人，通过装在它脑袋上的微型传感器与微型摄像机，可以到倒塌的建筑物废墟底下或其他灾难场所寻找幸存者[7]。

麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。

1.2.2国内研究现状

在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。

二十世纪九十年代，我国由国家科学技术委员会正式立项的国家863高科技计划研究发展项目――“消防机器人”研究课题，在公安部上海消防科学研究所通过专家组验收，标志着我国第一代消防机器人正式诞生。

该机器人本体由行走部分、遥控消防炮、防爆系统、图像传输系统、探测系统和冷却自卫系统等构成，其探测系统根据消防机器人正压防爆控制、安全自卫、化学检验、火情侦察的要求。

我国消防机器人技术的发展不但是对消防部队抢险救灾能力的提高，起到减少国家财产损失和灭火救援人员伤亡的作用，同时也对我国机器人技术、通信控制技术、计算机技术等多学科领域技术的发展起到积极的作用和深远的影响[8]。

中科院沈阳自动化所在2002年研制了1种蛇形机器人，由16个单自由度关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。

国防科技大学在2001年也研制了1种蛇形机器人。

中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于2006年6月成功研制了我国第一台用于煤矿救援的CUMT-1型矿井搜救机器人，该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。

能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、CO、粉尘浓度和温度以及高分辨率的现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救[9-10]。

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1.3本文研究主要任务

本文的主要任务是设计一套适用于救援机器人的控制系统，用来控制机器人的行动。

此外，本文还有对救援机器人控制系统的软硬件设计。

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2总体方案设计

2.1救援机器人行走方案的设计

2.1.1走行机构

所有的机器人都有一类共同的组成部分，即车轮、履带、腿足等用于推动车体在地面上进行移动的装置。

配置这些车轮、履带或者腿足使其发挥应有的功能称为移动系统走行机构设计。

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不同的移动机器人由于其用于不同，其工作环境、整体结构都不尽相同，为了达到让机器人平稳而准确地运动这一目的，必须选择一种合适的走行机构。

目前常用的走形机构有3种：

足式走行机构、履带式走行机构和轮式走行机构[11].铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。

2.1.2救援现场非结构化环境特征

非结构化环境是指作业无法在事先布置好的条件下进行,而且在作业过程中环境可能发生变化。

非结构环境是复杂、未知、多样的三维地形，包括平坦地面、斜面、障碍、台阶、沟壕、浅坑等地形。

而发生灾害后，工作环境会遭到不同程度的破坏，因此机器人的移动机构对灾区环境的适应很大一部分也是对于非结构环境的适应。

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通过对这些不同地形的分析，我们可以发现各种复杂地形都是由少数几种基本的地形特征构成，我们称这几种基本地形为“典型地形特征”。

常见的典型地形特征有三种，即水平面、倾斜面和垂直面障碍。

常见的大多数非结构环境的地形都可以视为这三种地形特征不同形式的组合，如沟壕可视为下垂直障碍和上垂直障碍的组合，阶梯可视为连续垂直障碍的组合。

如果移动机器人能够以某种动作或动作序列适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应灾难现场非结构化环境的目的[12-14]。

趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。

2.1.3各类走行机构的性能特点

足式走行机构:

足式行走机构即所谓的步行机器人。

步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路。

它不仅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面上行走，甚至可以跨越障碍、上下台阶，对环境的适应性强，智能程度相对较高，具有轮式机器人无法达到的机动性，具有独特的优越性能。

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但对设计和制造者来说，步行机器人的研究极具挑战性，其主要难点在于各腿之间的协调控制、机身姿态控制、转向机构和转向控制、动力的有效传递和走行机构机理。

足式机器人的种类很多，一般分为两足机器人和多足机器人，如图所示。

一般将有两条腿机构的移动机器人叫做两足步行机器人，两足步行机器人基本上是近似或模仿人的下肢机构形态而制成；三足以上的机器人称为多足机器人，主要研究模仿四足和六足动物的各种步态而制成，具有复杂的步态。

视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。

步行机器人的结构复杂，由于其运动学及动力学模型复杂，控制难度较大。

从移动的范围来讲，车轮型及履带形的移动机构，无论它有多么复杂都只能在二位平面内移动，虽然能够应付一定的坡度和凹凸表面，但是车体与移动机构始终保持着固定的位置关系。

而步行机器人的移动却有着很大的不同，它可以在保持身体姿态不变的前提下，能前后左右移动又能沿着楼梯拾阶而上，从这一点来看步行机器人的移动是三维空间移动。

另外，要控制它的步行和不倾倒有很大的难度，目前实现上述功能的机器人很少。

正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上还不成熟，不适用于对灵活性和可靠性要求较高的场合中[15]。

偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。

履带式走行机构:

为了提高车轮对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式走行机构被广泛采。

履带方式又叫做循环轨道方式，其最大的特征是将圆环状的循环轨道履带卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与路面接触，利用履带可以缓冲路面状态，因此就可以在各种路面上行走。

图为履带式行走机器人。

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机器人采用履带行走方式有以下优点：

（1）由于冲角的作用，能登上较高的台阶。

（2）履带具有较强的驱动力，适合在阶梯上移动。

（3）能够原地旋转，所以适合在狭窄的屋内移动。

（4）因重心低而稳定[16]。

履带式走行机构广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

履带式行走机构的不足之处是转弯不如车轮灵活。

在要改变方向时，要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，或者反向驱动来实现车体的原地自转。

但这都会使履带与路面产生相对横向滑动，不但加大了机器人车体的能耗，还有可能损坏路面。

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轮式走行机构:

轮式走行机构由滚动代替滑动摩擦，主要特点是效率高，适合在平坦的路面上移动，定位精确，而且重量较轻，制作简单。

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绝大多数轮式机构都是非完整运动约束驱动系统，轮式移动方式的分类有很多种，按照轮的数目划分有三轮、四轮、五轮。

目前机器人中最常用的是三轮或者四轮移动方式，在某些特殊应用情况下也有用五轮以上的机器人，但这种机器人结构和控制都很复杂[17]。

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2.1.4行走方案的确定

根据以上的定性分析，探测器需要一个良好的工作性能，要想较好的完成任务，需要平稳的移动方式。

很明显，履带式移动机构的移动性能居于轮式和腿式移动机构之间，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。

履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面以及沟壑等，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为探测机器人的推进系统。

所以采用履带式的移动方式。

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2.2救援机器人机械结构

救援机器人为探测机器人，设计探测机器人采用了模块化设计，总体分为四个模块，即计算机模块，传感器模块，电源及驱动模块，运动底盘模块。

模块化设计的探测机器人结构比较明了，而且在一些模块预留了一些空间，可以在需要的时候更换或添加其他模块。

其简图如图2-1：

邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。

底盘运动模块

图2-1机器人机械结构简图

其性能参数的基本要求如表2-1所示

表2-1性能参数基本要求

性能

参数

额定电压

24VDC

工作电流

2A

驱动方式

直流电机驱动

电池

铅酸蓄电池组

最大速度

1m/s

最小速度

0.01m/s

最大负载

30kg

工作时间

6小时

爬地能力

30度

越障能力

3cm

2.3传感器模块的设计

2.3.1传感器概念及特点

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

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传感器的特点包括：

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类[18]。

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2.3.2救援机器人传感器模块

传感器用于机器人感知外部环境，探测机器人必需要有这方面的设计，视觉传感器也有他的局限性，实现视觉的功能是需要光的，如果在夜间执行任务时就很难实现其功能，为更好的使机器人完成认为，再加超声波传感器和温度传感器。

通过多种传感器共同作用更全面的进行探测。

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传感器模块是一个由金属材料板组成的圆柱体，这种结构是根据主板的形状设计的，传感器模块虽然结构简单，但里边所安装的电路主板是机器人的枢纽，机器人各个部分的电路板都在这里，所以密封工作一定要做好。

上面加了一个稍大的金属盖板，传感器块周围安装了24路红外传感器、温度传感器和超声波传感器。

当人遥控机器人执行任务且视频效果较好时可以关闭红外、温度和超声波传感器，当视频效果不好或是机器人自行执行任务时，红外、温度和超声波传感器都要开启。

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2.4电源及驱动模块的设计

电源系统的质量直接影响到电子系统的稳定性。

在任何一个机器人的电控硬件系统设计中，稳压电源的设计是其最基本的部分，它为整个机器人的智能单元和执行机构模块提供所需的能量。

一个电压稳定、抗干扰能力较强的电源系统是机器人稳定运行的保证。

电源工作不稳定，会导致系统工作不稳定，甚至会导致整个系统无法工作。

因此，要设计好一个控制系统，首先要注重电源的设计[19]。

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电源及驱动模块是为机器人提供能源的部分，安装有电池组和左右电机驱动器，因为电池组驱动部分有一些重量，所以采用铸铁作为箱体。

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2.5计算机模块的设计

计算机模块分为两部分结构，下端是计算机的保护架，上端为支撑架。

保护架是用来防止计算机受到外界环境的撞击，另外保护架提高了摄像设备的高度，可以看的更远一些。

支撑架的作用是控制摄像头的检测方向。

将摄像头安装在支撑架的套筒里的目的是减小如水、阳光腐蚀等外界环境对摄像头表面和线路的影响，此设计虽然不能完全隔离外界的影响，但却尽量增加了摄像头的使用寿命。

在支撑架的下方和右方安装了两个舵机，使套筒具有左右、上下两个自由度，从而摄像头可以全方位的检测周围的非结构化环境。

其结构简图如图2-2所示。

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图2-2计算机模块结构简图

2.6底盘运动模块

2.6.1履带的选择

由于在考虑履带装置设计时，基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，梯形双面齿同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。

同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。

同步带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。

传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98％。

传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。

因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的转速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。

传动效率高，结构紧凑，适宜于较为恶劣的场所下正常工作。

浹繢腻叢着駕骠構砀湊。

从以上对同步带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿同步带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。

鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。

图2-3双面齿同步带

2.6.2履带、齿轮的设计计算

常见的行走机构形式就是同步带/齿形带。

同步带/齿形带传动具有带传动，链传动和齿轮传动的优点。

同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。

同步带通常以钢丝或玻璃纤维为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可以用于较高速度。

传动的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98%。

传动噪音比带传动，链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需有润滑，寿命比摩擦带长。

其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。

所以同步带广泛应用于要求传动比准确地中，小功率传动中，如家用电器，计算机，仪器及机器人，机床，化工，石油等机械。

惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。

同步带的设计计算

1．选择设计功率

（2-1）

2．选择带型和节距

选取带型为H型

（2-2）

3．根据带型H和小带轮转速n1

查得最小齿轮

，此处取Z=20

小带轮节圆直径d1

（2-3）

查表得其外径

设计Z2=Z1=20

4．带速v=

（2-4）

5．定轴间距

=400mm

6．带长及其齿数

（2-5）

7．查表应选用带长代号为420的H型同步带，其节线长

，节线上的齿数Z=84

8．实际轴间距a=

（2-6）

9．小带轮啮合齿数

（2-7）10．基本额定功率

（2-8）贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。

查得

所需带宽

（2-9）嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。

查表得：

H型带

（2-10）薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。

查表得应选带宽代号为150的H型带，其

11．带轮结构和尺寸

传动选用同步带为H150

带轮Z1=Z2=20，d1=d2=80.85mm,da1=da2=79.48mm

采用同步带作为履带的优点是：

效率高，最高效率能达到90%以上；设计简单，只须根据标准规格选择节矩，齿数，长度，宽度就可以了。

但是同步带一旦选定，长度，宽度就是固定的，因此基本属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带。

这个特点限制了同步带应用的灵活性。

齡践砚语蜗铸转絹攤濼。

本设计还附加了轮式底盘的移动方式，2轮加万向轮，因为尽管履带移动方式的稳定性比较强，但机动性比较差，所以，在必要的时候，可以根据地形的不同，装配不同的移动方式。

轮式底盘的装配图在附录中，其他模块不变。

绅薮疮颧訝标販繯轅赛。

2.6.3锥齿轮的设计

这是轮式移动方式中，传动是通过锥齿轮来实现的。

锥齿轮的计算如下：

齿轮比u=1

大端分度圆直径de1=20mm

齿数Z1=Z2=30

大端模数me1=de1/Z1=6.67（2-11）饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。

分锥角δ1=45°

外锥距Re=de1/2sinδ1=141.4（2-12）烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。

齿宽b1=φRRe=42.42（2-13）鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。

齿宽系数φR=b/Re=0.3（2-14