港口巡防機器人車輛工程專業(yè)課程設(shè)計

TOC\o"1-1"\h\z\u []現(xiàn)代化的國際港口是主要的物流和集散地巡防建設(shè)已經(jīng)成為其保障生產(chǎn)管理和運營的重要需求巡防系統(tǒng)的建設(shè)以和諧發(fā)展為以建設(shè)因此加強港口的安全防范措施變得尤為重要。[]然而在如今的巡防設(shè)備中不管是前端機還是到后端平定路線進行自動巡邏對港口現(xiàn)場特定可疑目標的將監(jiān)控到的可疑目標經(jīng)圖像處理后傳回室并且通過各種傳感器感知特定險情這樣就可以靈活捕捉到可疑情況可疑分子檢查危險場所及物品這樣不僅大大提高了效率也減輕了人機械手排爆裝置處置銷毀可疑物品及其它有害品避免不必要的人員傷亡。在當前主義不斷壯大販毒行駛等違法活動日益猖獗的社會環(huán)境下港口安全事故足引人深思港[3]港口巡防機器人[4]本項目使用飛思6位單片機作為港口巡防機器人的控制核心運用頭導(dǎo)航技術(shù)超聲波避障技術(shù)圖像處理技術(shù)港口巡防機器人強大的前端設(shè)備大大提高了港口巡防備的智能化。港口巡防機器人裝備頭導(dǎo)航在港口預(yù)先鋪設(shè)帶有黑色線條的道路車載頭對地面進行按一定的分辨率以隔行掃描的方式圖像上的點當掃描到黑線邊沿的點時就通過圖像傳感將該點處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過信號端輸出并由飛思單片機進行計算并發(fā)送 信號到底盤的直流刷輪轂驅(qū)動電機，控制六個的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)自動循跡行走功能。HC-SR04（圖2-1）到物信息，幫助港口巡防機器人及時在種技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)頭輔助自動駕駛功能。MQ-2煙霧傳感（圖2-2）對環(huán)境液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、、高電平港口巡防機器人長期在海邊其部分電路及機構(gòu)造成有些倉儲的

單片機無線通信警告總控制室。HC-SR501熱釋（圖2-時間使港口巡防機器人停止并驅(qū)動蜂鳴器和警示燈警超聲波風速傳感器、電容式雨量檢測模塊（圖-）超聲波風速傳感器是利用超聲波時差法來實現(xiàn)風速的測量聲音在氣中的速度會和風向上的氣流速度疊加若超聲波的方向與風向相同它速度會加快反之若超聲波的 方向

與風向相反，它的速度會變六輪驅(qū)動的底盤（圖2-5）

機械本港口巡防機器人裝配了由飛思單片機控制的六自由度的機械采用大扭矩舵機作為動力源使港口巡防機器人能夠自如的進行機械工作和精確控制機械各關(guān)節(jié)運動同時為機械控制器控制器部分采用了機械骨骼的思路設(shè)計為可穿戴在上的設(shè)備由六個角度傳感器與機架連接而成通過感應(yīng)人手關(guān)節(jié)的角度變化經(jīng)由飛思單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和無線通訊圖像：機械手夾持器上方加裝了無線頭模塊通過WiFi/P2P傳輸實時圖像并經(jīng)過圖像處理模塊處可疑木棉傳送到控制室輔助操作員識別并可疑目標。國內(nèi)巡防機器人的發(fā)、、8,現(xiàn)了一些進展中國沈陽自動化開展了多項作業(yè)和極限作業(yè)機器人研究，其中巡防巡防機器人是重要的一個部分。[]如蛇形機器人式巡防可變形模塊機器人樣機由沈陽自動化所和廣州公司承擔“作業(yè)機器人課題成功研制出能完成防暴等綜合任務(wù)“作業(yè)機器人產(chǎn)品樣機沈陽自動化最近研制出的基于復(fù)合機構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動機器人它能夠在高低不平物和樓梯等復(fù)雜多變的環(huán)境中使用適用于探測、排查、搬運、消防和銷毀等作業(yè)。[]、、國際上較早開展巡防機器人研究的是和前稍后英國、在.11事件之后，開始日益重視巡防機器人。其中最負盛名的當屬Iobot公司開發(fā)的acBot機器人在發(fā)動對克后，該公司嗅到對小型機器人的巨大需求遂開始了機器人的開發(fā)公司開發(fā)的acBot系列小型機器人被用以處置簡易裝置、遂行室內(nèi)偵察和搜尋可疑物品等任務(wù)。該款機器人功能全面外形小巧加之質(zhì)量較輕因此大兵們也將之昵稱為[][]技術(shù)是國家發(fā)展迫切需要的必爭的技術(shù)之一將在國民經(jīng)濟和安全中起著重要作用并具有重大的意義。[]設(shè)計思路：本項目使用飛思6位單片機作為港口巡防機器人的控制運用頭導(dǎo)航技術(shù)超聲波避障技術(shù)圖像技成我們港口巡防機器人強大的前端設(shè)備;并且配備有六自控制上位機進行通信和控制。預(yù)期實現(xiàn)的功能：在預(yù)先鋪設(shè)帶有標記的道路，通過導(dǎo)航頭現(xiàn)場監(jiān)測的圖像傳回室，讓安保人員能實時掌握實際情況，并根據(jù)需要操控巡防車脫離固定巡航模式，切換到半自主巡航模式。靈敏識別，雨量測試和圖像等功能，巡防車能自動檢估周邊計制作，無線控制，無線通信，數(shù)據(jù)處理等功能現(xiàn)已基本實現(xiàn)。4-1 圖4-2循跡 圖4-3機械控制4-4六自由度機械為了能夠更靈活的實施機械檢查作業(yè)包括夾持物體檢查物品港口巡防機器人裝配上六自由度的機械使港口巡防結(jié)構(gòu)如圖2-2所示為了精確控制機械各關(guān)節(jié)運動采用舵機作為動力源為了實現(xiàn)物的清理和物品的檢查使用夾持器作為終端輸出裝置。舵機：用于控制各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)向機械：用于連接驅(qū)動動力源和執(zhí)行件的載體。圖5-1機械結(jié)構(gòu)尺試驗預(yù)期功能參數(shù)為機器

m

機器人總體尺機器人底盤尺寸m

機械手夾持物的質(zhì)量最高行駛速度Vmax

最大爬

i計如下：5-1DC6V（295rpm/-6表5-2機械的基本參合5-3MG9950.17/600.13/6013kg5-4SG501040.220.20.17/603.1kg?cm4.5kg?cm5-568g（不含電機55108mm（夾持器閉合98mm（夾持器張開時港口巡防機器人的組成如圖2-1[6]度的機械手和頭使港口巡防機器人能應(yīng)對復(fù)雜的各類情況工作范圍廣運動靈活基于的突發(fā)性和性更好的實施巡防行動本模型采用智能自主控制和控制相結(jié)合智能避障主要是通過超聲波傳感器對進行判斷實現(xiàn)自主避障前行通過生命探測儀對生命體進行自動的探測與識別通過無線實現(xiàn)對智能機器人運動控制和機械的操控智能機器人有大量的信息VEX機器人的支架作載體。機 上的動力裝置：為了更好的控制機 的運行，準360度之內(nèi)作位置反饋控制的伺服電機舵機主要是由外殼電路板無馬達齒輪與位置檢測器所構(gòu)成其工作原理是由發(fā)出信號給舵機經(jīng)由電路板上的IC判斷轉(zhuǎn)動方向，再驅(qū)動無馬達開始轉(zhuǎn)動，透過齒輪將動轉(zhuǎn)子上當電流流經(jīng)線圈時便會產(chǎn)生磁場與轉(zhuǎn)子的磁鐵這就是無馬達[7]。港口巡防機器人底盤驅(qū)動電機為直流電動機，直流電機應(yīng)用廣電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)[8]調(diào)速方式為脈寬調(diào)制，脈寬調(diào)制()技術(shù)是調(diào)速系統(tǒng)中用得較多的源電壓轉(zhuǎn)換成頻率為1~4z的電壓，加到直流電動機的電樞上通過對脈寬的控制改變電樞的平均電壓從而達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的[9]。在利用SolidWorks對港口巡防機器人實現(xiàn)三維建模的過程中，由于是按由asm或sldasm零件文件到prt或sldprt裝配體文件的過程完成的，且在asm或sldasm零件文件中設(shè)置了零件的材料參數(shù)，所以在prtsldprt配體文件完成后SolidWorks自動得出模型的質(zhì)量及質(zhì)心參數(shù)，如圖2-3示。5-3機械夾持器的夾緊力分機械手結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。夾持舵機如圖3-圖6-1夾持 圖6-2SG5010舵機安裝示圖根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式FN

（6-式中 －為已選舵機扭矩3.1kgcm(4.8V)，（6.0V

－為最大夾緊時轉(zhuǎn)動中心到夾緊中心的距－夾緊中心轉(zhuǎn)動中心和中心平面夾角（o

4.4sin

sin12013

4.54.4sin

sin12018底座舵機如圖3-3，已知舵機扭矩13kgcm127.4Ncm，物品質(zhì)量0.5kg約為4.9N，MG995機的質(zhì)量m62g，SG5010機m38g，舵機支架質(zhì)量m120g形得圖3-4。6-3舵機對A力矩

圖6-4機 MA1FBLABFCLACFDLADFE(0.06210200.0620.062240.03829)4.499.8(N舵機支架對A求矩MA2FZ1L0.129.83722.219.8(N夾持物體對A求矩MA3FZL0.59.83718.59.8(N總矩MAMA1MA2MA3(4.492.2118.5)*9.825.29.8(N由計算得知MAM0127(N故當夾取0.5kg的物體時，水平舉升物體，MG995不能提供令MA3FZLm9.837m379.8(NMA3MMA2MA1(134.492.21

m MA3 379.8故在水平極限位置時，所能夾取并舉升的物體最大重0.17kg已知舵機所能提供最小夾緊力13N，當機械手到最大夾持品時，物品質(zhì)量0.17kg約為1.67N，物品靠夾持爪與物品之間摩力提供

Fjcmg/

（6-式中m－物體質(zhì)量（g－重力加速度（約9.8N/kgf－摩擦系數(shù)由于夾持爪表面凸凹不平，故選摩擦系數(shù)

Fjcmg/

1.67/0.6得FjcFmin，故舵機夾持力滿足條件

（7-式中

rt—驅(qū)動輪的動t—傳動系統(tǒng)效率，即機械效Ttq－電動機輸出轉(zhuǎn)矩（N?m其中

n6，t0.90，Ttq49.8(Ncm) Ft60.9049.8100/(5.5100)38.5根據(jù)機器人底盤電動機參數(shù)可得參考最高行駛速Vmaxrw式中r－輪胎半徑（（rpm

（7-

5.522951.7m/s60100即機器人所能達到的最高速度滿足預(yù)期行駛速度1.5m/s的求滾動阻實驗用混凝土路面，路面滾動阻力系數(shù)為f=0.018，根公Ff式中W－巡防機器人總重量f－滾動阻

（7-

79.80.0181.23阻力系數(shù)的影響，也不考慮轉(zhuǎn)變行駛時由輪胎側(cè)偏引起的f的變化FCDA

（7- 21.15式中：CD—空氣阻力系數(shù)A—迎風面積Vmax—最高行駛速度（km/h取CD0.7A0.12

以參考行駛速度為標準C 0.70.12Fw Vmax

0.15坡度阻實驗預(yù)期要求機器人能在31o甚至更高的坡道角度上行駛重力沿坡道的此時滾動阻

（7-（7-

FiGFfGf道路阻

（7-

FGsinGf式中：max—最大爬坡角（imax—最大（NFm

（7-FtFfFwFi

（7-

Gfcos

CDAV2Gsinm

（7-計算時Vmax，F(xiàn)jFi0，F(xiàn)tFfFw，通過FwFtFf，進而通過公所能達到的最高速度等于參考車速，即Vmax1.7m/s。用驅(qū)動力－行駛阻力平衡圖的原理du0，因FiFt(FfFwGsinTtqigi0t(Gfcosr

CDAV2)

（7-（7-代入各項的值

Ft(FfFwG

（7-arcsin38.51.230.157得爬坡imax64.7%理論要

，故實際機器人的最大爬坡度滿機器人的路面最大附著力計算公式F式中：FZ－機器人對路面的正壓力－道路附著系

（7-道路附著系數(shù)表如表4-1，底盤的輪胎為越野式輪胎，由于此機器人系六輪獨立驅(qū)動，且輪胎為越野型大花紋橡膠輪胎，胎與地面接觸面積大，故與路面的附著系數(shù)也較大，取0.8，則在平F1FZ179.80.854.88N故滿足機器人的動力性要求在坡道上，若坡道為機器人最大爬坡角即32.9，F(xiàn)2FZ2FZcos79.8cos32.90.8道路阻FGsinGfcos79.8(sin32.9fcos32.9)38.3F故在坡道上的附著力同樣滿足機器人的動力性要求4-1以最高車速計算機器人底盤額定功率Pemax此時坡道阻力與 1(Gf

CDAV2

（7-e

t

式中Pe

—機器人底盤額定功率（ —空氣阻力系數(shù) —迎風面積Vmax—最高車速（km/h —滾動阻力系數(shù) —傳動效率 （N取CD0.7G

t0.90

1

CD

3V）V）1(68.60.0180.70.126.123）0.66

當以最大爬坡角計算機器人額定功率Pemax此時加速阻空氣阻力為零，根據(jù)11t

Gfcosmaxsinmax G—機器人總重量f—滾動阻力系數(shù)Vmax—最大爬坡角時車速（km/h（°（4-

C2000mAhtC/（mA1每個驅(qū)動馬達的工作電流為：I350因此港口巡防機器人上的兩個電池套裝只提供六個馬達同時作的續(xù)航時間t1C/I2200063501.902、計算只有機械連續(xù)工作時的續(xù)航時間機械上有五個MG995型舵機和一個SG5010型舵機，其電機流分別為，I1=400mA，I2＝300mA，t2C/I2200054003001.74無人地面車輛一般采用電動或驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向即給左、右兩側(cè)車輪提供不同的速度，產(chǎn)生速度差，實現(xiàn)地面上的滑移轉(zhuǎn)向。外側(cè)車輪提供向前的速度以獲得速度差實現(xiàn)平臺的轉(zhuǎn)向66人地面車輛采用差速轉(zhuǎn)向方式，其三維效果如圖4-1所示[11]4-1如圖4-2所示，設(shè)機器人本體的速度瞬心為O，兩驅(qū)動輪之間離為d，機器人運動的角速度為ω，橫滑角分別為1、2、，如4-3所示，由運動學理論可知V1cosV2cos

cosd2cosd2

（7-圖4-2式中V1、V2、V0—驅(qū)動輪1、驅(qū)動輪2和機器人本體的平均角可得兩輪差速驅(qū)動輪式機器人的運動學方程式：VV1 V1d又由VoR，可得機器人行駛半徑R為Rd(V1V2由（4-18（4-19）式可知：

（7-（7-

（7-移動機器人作直線前進運動，如圖4-3所示V0V1V2,R （7-移動機器人作直線后退運動，如圖4-4所示當V1V2，且V1為負值、V2為正值時V00R0，機器人作當V1V2，且V1為正值、V2為負值時V00R0，機器人當V1V2時，VV1 Rd(V1V2

（7- 移動機器人作半 2(VV)的圓弧運動。 圖4-3機器人前 圖4-4機器人后 圖4-5機器人左 圖4-6機器人右在斜面的主傾斜方向線與底盤縱向中心線成夾角斜面上的機心的作用點O若作用點O在由6個車輪接地點構(gòu)成的四角形的內(nèi)側(cè)，就保持機器人的靜止狀態(tài)，若在外側(cè)就產(chǎn)生翻車7-7已知：輪距240軸距 第一軸與第三軸距310輪60輪半徑機械臂如4-7所示，機體翻車的條件如下式，設(shè)重心在機體縱稱面上2(7-(7-2(7-(7-(7-式中—重心的高度Ia—前后輪軸距—輪距—重心和后車輪的水平距—重心到前輪的水平距離(mm4-;式是向4-25)式是向前翻車的條件。而且0時用(4-24)式;下坡時180)時用(4-25)式;在等高線上(90)用(4-23)式。并且車在坡上行駛上坡(090)，可由(4-23)式和(4-24)式求到了以內(nèi)的值，并得到靜止的翻車角。質(zhì)心高度的計算計算時將底盤和機械臂分別理想化地看作是一個質(zhì)量分布平衡，在底盤尾部安裝控制器及相應(yīng)的配重。機械安裝在離A軸amm處，控制器及配重部分的質(zhì)心在C處，忽略其本身高度。由此建立坐標系如下圖。機械臂的質(zhì)量為m11.5kg，質(zhì)心為機械臂的中點處，即底以上二分之一臂長（L4602230mm）處；底盤質(zhì)量為

質(zhì)心在底盤的中心，即B配重及控制器部分質(zhì)量為m31kg，質(zhì)心在底盤尾部C處，底盤高度d120mm。7-8如圖4-8OA(0，d)，B（155，d，C （310，d2D（a，120230，設(shè)機器心位置為（x，y， m1am2155 m1m2m計算側(cè)翻的極限狀態(tài)為90，此exHtan1sinHtan1e1

e)arctan( 即當144.5時，即坡度大于98時，機器人在坡上會發(fā)生側(cè)向垂直上坡狀態(tài)下0，此yHtan2cosHtan2即arctan(K)

3001.5a7

因底盤所能達到的最大爬坡度為32.9故坡道的傾角2不得大0即以232.9計算得

1162.51.5atan

求

1162.50.647854.7即當坡道角度為232.9時機械的位置應(yīng)安裝在離A（前輪）不大于160.6mm從而不發(fā)生后翻，垂直下坡狀態(tài)