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【摘要】本論文主要以單片機(jī)AT89C52為系統(tǒng)控制核心進(jìn)行智能巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究設(shè)計，利用PWM控制方式實現(xiàn)智能機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動、利用超聲波傳感器和紅外反射式傳感器實現(xiàn)智能機(jī)器人的智能避障及自動循跡，利用高清攝像頭實現(xiàn)防水、防風(fēng)、防撞擊、防火災(zāi)、防短路電流等災(zāi)害全過程記錄。

【關(guān)鍵詞】智能機(jī)器人；巡線；反射式紅外傳感器

1前言

隨著城市的發(fā)展，電網(wǎng)越來越龐大，變電站越建越多，但是變電站巡檢人員卻有限，雷電、大風(fēng)雨等極端天氣中電力工人戶外工作艱難。要是一味地延續(xù)以往的巡視維護(hù)工作方式，企業(yè)將要投入更多的人力物力，引入智能機(jī)器人可以大大減輕運行人員在運維工作中的壓力。更重要的是，可以提高巡檢質(zhì)量。機(jī)器人通過精準(zhǔn)的計算及監(jiān)控手段，對電力設(shè)備無死角巡視，可以發(fā)現(xiàn)一般肉眼難以發(fā)現(xiàn)的情況，杜絕人工巡視時出現(xiàn)的疲勞工作現(xiàn)象，保證巡視工作保質(zhì)高效完成。本設(shè)計就是在這樣的背景下提出的，為了適應(yīng)變電站巡線的發(fā)展對智能機(jī)器人的要求，提出簡易智能巡線機(jī)器人的構(gòu)想，設(shè)計出了一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。

2智能機(jī)器人簡介

智能機(jī)器人采用電機(jī)與車輪一對一驅(qū)動方式，L298D驅(qū)動模塊配合單片機(jī)實現(xiàn)四輪驅(qū)動功能，其中包括機(jī)器人的前進(jìn)功能、后退功能、左轉(zhuǎn)功能以及右轉(zhuǎn)功能。采用紅外對管傳感模塊將信號反饋給單片機(jī)的方式實現(xiàn)紅外循跡避障功能，其中包括機(jī)器人的黑白線自動循跡功能、機(jī)器人的紅外感應(yīng)避障功能。采用高清攝像頭實現(xiàn)防水、防風(fēng)、防撞擊、防火災(zāi)、防短路電流等災(zāi)害全過程記錄功能。

2．1系統(tǒng)架構(gòu)

智能機(jī)器人的整體性能與控制系統(tǒng)的性能有很大的關(guān)系，一個好的控制系統(tǒng)是設(shè)計一個性能優(yōu)良的機(jī)器人的基礎(chǔ)。本為以AT89C52單片機(jī)為中樞，建立擁有驅(qū)動系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)及圖像識別系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)，同時，由電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備和電力儲藏設(shè)備構(gòu)成的供電系統(tǒng)為智能機(jī)器人的正常運行提供了電力支持。

2．2實現(xiàn)功能

智能機(jī)器人的設(shè)計目標(biāo)是機(jī)器人能在變電站正常環(huán)境中穩(wěn)定工作，它的行為既可以由操作人員控制也可以自主完成。本文設(shè)計的機(jī)器人可以實現(xiàn)的功能如下:(1)正常運動功能:機(jī)器人的前進(jìn)功能、后退功能、左轉(zhuǎn)功能以及右轉(zhuǎn)功能。(2)尋線功能:根據(jù)規(guī)劃好的路徑，在地面上做出導(dǎo)航線，要求機(jī)器人能夠沿導(dǎo)航線自行移動:要求機(jī)器人具有自主防撞能力，在運行中遇到人或障礙物時，能夠暫停移動。(3)避障規(guī)劃:在設(shè)有障礙物的道路上，能夠主動識別并避開障礙物，規(guī)劃處最優(yōu)路徑，到達(dá)預(yù)訂目的地。(4)圖像識別功能:機(jī)器人按照預(yù)設(shè)軌跡巡查變電站設(shè)備及輸電線路，實現(xiàn)防水、防風(fēng)、防撞擊、防火災(zāi)、防短路電流等災(zāi)害全過程記錄，可以記錄災(zāi)害的全過程－倒搭影響全過程、位移變化曲線、氣象全過程數(shù)據(jù)等。

3系統(tǒng)設(shè)計

3．1驅(qū)動模塊

由于服務(wù)機(jī)器人的工作空間主要在變電站，地面平坦，不需要太大的輸出扭矩，必須能靈活操控，而且要求體積小，重量輕、方便檢修，我們在普通電機(jī)和直流伺服電機(jī)之間做了比較。與普通電機(jī)相比，由于伺服電機(jī)在調(diào)速范圍，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度，響應(yīng)快速性等方面均占優(yōu)，且當(dāng)控制電壓改變?yōu)榱銜r能立即停止轉(zhuǎn)動;普通電機(jī)則做不到。同時從結(jié)構(gòu)上比較，兩者的區(qū)別在于電樞鐵心的長度與直徑之比，伺服電機(jī)較大，而氣隙較小，因此在精密定位和寬調(diào)速范圍的應(yīng)用場合，一般都選用伺服電機(jī)。智能機(jī)器人將借助L293D驅(qū)動芯片來驅(qū)動以及控制四輪小車的4個直流電機(jī)，每個L293D驅(qū)動芯片可驅(qū)動及控制兩個直流電機(jī)。L293D具有很強(qiáng)的驅(qū)動力，可以同時控制獨立改變各個電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向;可以通過PWM控制使能端的信號輸入實現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。與控制板連接，接受控制信號，并可以通過改變輸入端的邏輯電平實現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

3．2傳感器模塊

要想使移動式機(jī)器人在運動空間中安全穩(wěn)定的行走，就需要對機(jī)器人本身及其周圍環(huán)境物體之間的相對位置和距離進(jìn)行探測，可以用到一種外界傳感器，即接近覺傳感器。這種傳感器對機(jī)器人在工作過程中進(jìn)行路徑規(guī)劃以及防止機(jī)器人與外界物體相撞十分有意義。我們在智能機(jī)器人上安裝了超生傳感器和紅外尋線傳感器。采用最常用的超聲傳感器來作為機(jī)器人的視覺功能，它內(nèi)部有一超聲波發(fā)射管和一超聲波接收管。發(fā)射管發(fā)出超聲波，如果其正前方?jīng)]有物體，那么接收管接收不到超聲波反饋信號。當(dāng)前方出現(xiàn)物體時，超聲波信號經(jīng)過物體被反射了回來，這時接收管接收到信號，向單片機(jī)發(fā)出高電平信號，以告知單片機(jī)其前方出現(xiàn)障礙物。從光學(xué)上考慮，白色對光的反射程度很高，黑色與白色相反，黑色會吸收光線，對光的反射程度很低。所以紅外二極管發(fā)射紅外線后，小車經(jīng)過黑線時會被吸收大量紅外線，紅外接收器接收少量紅外產(chǎn)生很低的反饋電流，在白色區(qū)域行駛則獲得大量紅外反射，紅外接收器反饋電流大。根據(jù)傳感器反饋的電流值，經(jīng)過比較器的篩選，可以轉(zhuǎn)為單片機(jī)可接收的高/低電平，單片機(jī)受到電平的不同，經(jīng)過程序?qū)﹄娖接嵦栠M(jìn)行處理后改變小車的行動。以小車前進(jìn)方向為車頭，在車頭兩側(cè)對稱安裝射向地面的紅外對管，在地面布置一條黑線，讓小車沿著黑線行駛，小車正常前進(jìn)時，紅外對管正對這地板，地板將大量紅外線反射到紅外接收管，傳感器輸出高電平，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。當(dāng)小車偏離原本軌道，其中任一紅外對管正對黑色線，紅外射線被黑線大量吸收，紅外接收管輸出信號為低電平，則小車在往低電平側(cè)原地轉(zhuǎn)向，直到兩邊紅外對管都輸出高電平，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。

3．3人機(jī)交互模塊

智能機(jī)器人輸入輸出設(shè)備包括藍(lán)牙鍵盤和紅外控制器。我們可以通過通過藍(lán)矛鍵盤或紅外控制器輸入控制信息，進(jìn)而完成人機(jī)交互，實現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程實時控制。紅外控制器主要有一個接收芯片和一個紅外發(fā)射控制板組成，紅外接收芯片可以接受并識別發(fā)射器發(fā)射的不同控制信號，并把信號發(fā)給控制板，控制板發(fā)出命令，使服務(wù)機(jī)器人執(zhí)行不同動作。

3．4圖像識別模塊

通過在機(jī)器人云臺上裝設(shè)高清攝像頭，機(jī)器人按照預(yù)設(shè)軌跡巡查變電站設(shè)備及輸電線路，實現(xiàn)防水、防風(fēng)、防撞擊、防火災(zāi)、防短路電流等災(zāi)害全過程記錄，可以記錄災(zāi)害的全過程－倒搭影響全過程、位移變化曲線、氣象全過程數(shù)據(jù)等，為后期對災(zāi)害分析提供有力的數(shù)據(jù)及影像支撐。此項技術(shù)可以廣泛用于防范惡劣天氣災(zāi)害，直接保障了各類電力用戶的用電安全;通過與變電站控制后臺的視頻視覺識別及線路傳感器測量的數(shù)據(jù)融合及決策系統(tǒng)連接，能夠以極地的成本大大的提高變電站線路及設(shè)備在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性，防災(zāi)預(yù)警，降低多類災(zāi)害發(fā)生的概率，經(jīng)濟(jì)效益可觀.

3．5電源模塊

電源系統(tǒng)對智能機(jī)器人來說是相當(dāng)重要的，可以說電源是機(jī)器人的生命源，機(jī)器人控制系統(tǒng)各芯片的運作，驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)的運轉(zhuǎn)等都需要電源提供原動力。電源系統(tǒng)有電池和電源管理模塊組成。根據(jù)我們的需要，我們在設(shè)計中選用鎳鎘蓄電池。電源管理模塊的基本要求是提供穩(wěn)定的電壓，各路電壓信號不能互相干擾。它的作用是對7．2V1800mA鎳鎘蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)各部分正常工作的需要，各模塊的電壓值可分為5V、6．5V、7．2V三個檔。電源管理單元主要用于以下三個方面:(1)采用穩(wěn)壓管芯片LM2576將電源電壓穩(wěn)壓到5V后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路供電。(2)經(jīng)過一個二極管降至6．5V左右后供給攝像頭。(3)直接給直流驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動芯片LQ7960M電路供電。

4結(jié)語

在完成了軟、硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，制作了智能機(jī)器人樣機(jī)，并進(jìn)行了實驗。使用STC－ISP軟件對單片機(jī)進(jìn)行程序的燒錄，對軟件進(jìn)行設(shè)置后，通過串口把程序燒錄到單片機(jī)中，并對智能機(jī)器人進(jìn)行了功能測試，機(jī)器人實現(xiàn)了預(yù)設(shè)功能。最后將編譯完整、正確的應(yīng)用程序燒錄到控制芯片，進(jìn)行固化后的程序運行，機(jī)器人能夠按程序設(shè)定實現(xiàn)預(yù)期功能，并且經(jīng)過長時間工作，功能可靠。此款智能機(jī)器人預(yù)設(shè)功能的實現(xiàn)，在生產(chǎn)和學(xué)術(shù)研究中均有重要意義。本文所提出的處理思路對這些方面的研究有一定的參考意義。

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作者:羅永超 單位:華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院