智能化機器人設(shè)計說明書

#2.2行走方案選擇2.2.1履帶式履帶行走裝置由行走架、引導(dǎo)輪、履帶張緊裝置、托鏈輪、支重輪、履帶總成以及驅(qū)動輪等組成，左右兩條履帶包繞在上述4種輪子之外，由張緊裝置張緊，直接與地面接觸如圖2-3所示。驅(qū)動輪驅(qū)動履帶繞四種輪子轉(zhuǎn)動，不直接在地面上滾動。導(dǎo)向輪是張緊履帶，并引導(dǎo)它正確卷繞。若干個支重輪在履帶軌面上滾動，傳遞垂直載荷給履帶。托鏈輪支持著履帶的上半邊，使之不下垂，并可減小其上下振動。上述四種輪子和張緊裝置，除驅(qū)動輪外都集裝在一個輪架（即臺車架，也稱履帶架）上，從而形成一個臺車。每輛履帶車輛都有左、右兩個臺車。整車重量通過臺車架、支重輪傳給下方履帶，使下方履帶緊壓在地面上。當驅(qū)動輪被最終傳動齒輪（從動齒輪）帶動時，輪齒拉動履帶，地面立即產(chǎn)生作用在履帶上的反作用力，使臺車架相對地面產(chǎn)生向前或向后的運動，整車也就隨之運動。圖2-3履帶式行走2.2.2輪胎式輪式在硬質(zhì)路面的機動性非常好，速度更快；而且輪式底盤也更輕，對路面的承重要求相對較低。輪式車也大多輕便，非常靈活；另外，輪式車的地盤多為向地錐形，可以分散底盤下的沖擊力，加上大多數(shù)輪式車的輪軸結(jié)構(gòu)隱蔽在車內(nèi)，兩項加起來，一定程度上減少了輪軸受損的可能。但輪式在軟質(zhì)地面上對地面壓強太大，非常容易陷車，而且不能承載厚重的裝甲板。但是我們的信息采集車是太陽能驅(qū)動的全自動采集車，沒有過重的裝備要承擔(dān)。相比之下我們選擇了輪胎式。研究的智能數(shù)據(jù)信息采集車比較獨特。建立了六個車輪的線性二自由度數(shù)學(xué)模型如圖2-4通過數(shù)學(xué)計算的方法分析了該車輛的操縱穩(wěn)定特性，對車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)進行了數(shù)值分析。另外還應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對信息采集車建立了多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型，并在此基礎(chǔ)上模擬分析了該車的操縱動力學(xué)特性，包括穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗及雙移線試驗。它在非道路條件下具有較強的動力性、通過性和良好的機動性能。它車身小，質(zhì)量輕，適合在雪地、山地、沼澤、水淹地、泥濘地及沙地等非道路地形條件下使用。要保持車輛行駛的穩(wěn)定性，使采集車直道穩(wěn)定、彎道轉(zhuǎn)向輕便，必須確定車輪定位參數(shù)，包括主銷后傾、主銷內(nèi)傾和前輪外傾。采集車的布局以精簡、可靠、穩(wěn)定為前提。電路底板采用萬通板搭建，放置于車前部。編碼器安裝于車最后。通過調(diào)整布局，基本上使車重心維持在中心偏后處。2.3智能數(shù)據(jù)信息采集車基本結(jié)構(gòu)車載設(shè)備采取加固和固定措施，并具備快速拆裝、整車美觀的特點。車載設(shè)安裝不破壞原車車體及設(shè)備結(jié)構(gòu)，同時車輛改裝后需符合有關(guān)車輛的安全技術(shù)標準，確保車輛的車速、轉(zhuǎn)彎半徑、爬坡度、制動距離、越壕寬度、接近角、離去角、涉水深度等技術(shù)指標應(yīng)與原載車的相應(yīng)指標相同或接近。保證車輛行駛的安全性和穩(wěn)定性。信息采集車的主體采用越野型尖峰車型，硬件設(shè)備安裝于車頂和車前；車頂從前到后依次安裝通信天線、雷達裝置、主取景器。車前有太陽能收集裝置收集整個車所需的動力能源，車前取景器能夠上下轉(zhuǎn)動可以更大范圍收集前方的信息。智能信息采集車以STC12C5A60S2單片機為控制核心，具有光電循跡檢測、超聲波避障、電機驅(qū)動等主要功能。首先，兩組電機（同側(cè)兩個電機為一組）分別控制左右4個車輪，通過調(diào)節(jié)兩組電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動時間，達到采集車正常行駛及轉(zhuǎn)向的目的。車頭的紅外光電傳感器通過對路況的檢測反饋給單片機，控制車行走路線，防止超出邊界線。與此同時通過超聲波模塊，檢測前方是否有障礙，并且將信息反饋給單片機，控制采集車減速，防止出現(xiàn)撞車。鉆井數(shù)據(jù)獲取裝置

收集地下信息如圖2-5。增加了智能信息采集車的信息獲取渠道，體現(xiàn)智能信息采集車的獨特功能。圖2-5地下信息收集車頂所有設(shè)備的線纜都放置在采集車主體的車廂內(nèi)，所有改動及安裝不需在原車身上打孔，不破壞原車涂鍍，不破壞原車的結(jié)構(gòu)。此方案的特點：頂部設(shè)備、車載專用橫向太陽能板、設(shè)備安裝平臺、便攜式設(shè)備主機等都可分離，便于在緊急狀態(tài)下便攜式設(shè)備站的搭建與撤收。同時方便設(shè)備平臺及便攜式設(shè)備主機設(shè)備的檢測與維修；滿足日常工作和戰(zhàn)時應(yīng)急的需求。整體如圖2-6所示2.4智能數(shù)據(jù)采集車的工作原理控制系統(tǒng)收到指令后智能數(shù)據(jù)信息采集車開始工作，當前取景器檢測并分析出前方的狀況時如果沒有障礙繼續(xù)前進；有障礙時，采集車停車五秒，讓采集車的金屬探測模塊和尋黑帶導(dǎo)行模塊停止工作，同時開啟行走避障模塊和尋光模塊，當采集車向前行走時，遇到障物（硬件設(shè)制前端離障礙物5厘米時，表示遇到了障礙物），向左轉(zhuǎn)90°；而如則邊傳感得到遇障信號（硬件高制則邊離障礙物3厘米時，表示遇到障礙物），這時向別一邊偏轉(zhuǎn)一小段，然后再向發(fā)現(xiàn)障礙則偏傳一小段，這兩次偏轉(zhuǎn)要求偏轉(zhuǎn)角度相同。采集車偏轉(zhuǎn)方法用降低遇障另邊車輪速度。要實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度相同，用單片機記錄跑程計數(shù)是否相等來實現(xiàn)。車內(nèi)的輔助系統(tǒng)做出判別，控制車身往左或往右直到可以通過如圖2-7。如此構(gòu)成了智能信息采集車的運動循環(huán)。幵始經(jīng)過反復(fù)考慮論證，制定了左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機進行驅(qū)動，車體尾部裝一個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松地實現(xiàn)采集車保持坐標不變打轉(zhuǎn)90度甚至180度。在安裝時我們力求保證兩個驅(qū)動電機同軸。當采集車前進時，左右兩驅(qū)動輪與后萬向輪形成了三點支撐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得車子在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而引發(fā)左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不足的情況。后萬向輪同時還起到了防止車子重心偏移的作用。前輪亦為驅(qū)動輪，其決定信息采集車能否靈活拐彎的關(guān)鍵部分。這輛信息采集車與一般的車不同，不是靠擺舵來控制轉(zhuǎn)彎，而是靠左右后輪速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎控制。小車的兩前輪是靠舵機進行驅(qū)動的。通過兩路PWM波實現(xiàn)對其的控制。只要調(diào)整PWM波的占空比即可控制舵機的轉(zhuǎn)速。當采集車左輪的速度高于右輪時，采集車右轉(zhuǎn)彎；反之，當車右輪的速度高于左輪時，采集車左轉(zhuǎn)彎。車后輪屬從動輪，質(zhì)地較硬，其與地面磨擦力較小，與其動力相比可以忽略不記。所以它可以自由偏移，而不影響采集車的轉(zhuǎn)向。智能信息采集車的信息收集裝置主取景器和前取景器工作把收集的數(shù)據(jù)進行處理分析，通過雷達和通信天線傳輸發(fā)送到達指定終端。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能夠接收到反射回來的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作的尋跡傳感器能夠滿足要求。圖2-8信息傳送智能信息采集車的功能與特點3.1智能信息采集車的功能周圍空間信息自動采集。在智能信息采集車中主取景器處于頂端，它將被攝物體的光圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為系統(tǒng)提供信號源，因此它是系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。前端的前取景器用于獲取前方區(qū)域地圖像。兩個取景器的核心是攝像機，它是光電信號轉(zhuǎn)換的主體設(shè)備，是整個系統(tǒng)的眼睛。把系統(tǒng)所檢測的目標，即把被攝物體的光、聲信號變成電信號，然后送入系統(tǒng)的傳輸分配部分進行傳送。前頭的鉆井設(shè)備要有土壤獲取分析、歸類成分、呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)等信息的采集。智能信息采集車以計算機信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過遙傳、遙測、遙控技術(shù)實現(xiàn)深層勘探鉆井技術(shù)的自動化和智能化。成像測井解釋勘探技術(shù)可以對深層土壤的復(fù)雜地質(zhì)空間以及深層物質(zhì)儲層的非均質(zhì)性等進行科學(xué)的分析，該技術(shù)可以充分實現(xiàn)對土壤情況的精細評價，并能根據(jù)評價結(jié)果有效結(jié)合地質(zhì)特點分析其各方面方面的資料，系統(tǒng)建立成像模式，根據(jù)成像模式來科學(xué)分析要勘探的深層土地的特征和狀況,進而有效提高深層土壤的勘探效率。尤其對石油開采具有非常重要的價值,在深土勘測中大幅度提高效率。檢測當前地理位置。智能信息采集車擁有自主式導(dǎo)航定位功能，利用了導(dǎo)航的慣性原理，利用距離傳感器、方向傳感器等傳感器測量運動載體的位移和航向信息，由此解算出移動載體的位置。存儲收集的信息和空間數(shù)據(jù)傳輸。信息的儲存是信息系統(tǒng)的重要方面，如果沒有信息儲存，就不能充分利用已收集、加工所得信息，同時還要耗資、耗人、耗物來組織信息的重新收集、加工。有了信息儲存，就可以保證隨用隨取，為單位信息的多功能利用創(chuàng)造條件，從而大大降低了費用。智能信息采集車使用虛擬存儲技術(shù)實現(xiàn)存儲管理的自動化與智能化。有了信息存儲要實現(xiàn)信息的效用與價值就必須要有信息傳送功能。智能信息采集車把收集的信息處理后通過數(shù)據(jù)通道傳送發(fā)散出去，然后有接收中心接收利用。智能信息采集車是一種能夠在外空星球表面行駛并完成外星表面探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)的專用車輛。這也是智能信息采集車的外空信息采集的一個獨特功能。如圖3-1圖3-1外空信息收集3.2智能信息采集車的特點智能化作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，智能信息采集車可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個特定的環(huán)境里自動的運作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達到的或是更高的目標。智能數(shù)據(jù)采集車可以通過計算機編程來實現(xiàn)其對行駛方向、啟停以及速度的控制，無需人工干預(yù)。因此，智能數(shù)據(jù)采集車具有再編程的特性，是機器人的一種。六輪設(shè)計，平衡度和穩(wěn)定性比較好，可以在山地行走。智能數(shù)據(jù)采集車上裝有高效率太陽能電池板來提供電能。智能信息采集車基本是全智能化無需人工駕駛可以自動避過障礙物。智能信息采集車采用自主反應(yīng)式智能系統(tǒng)，是一種應(yīng)用廣泛的控制系統(tǒng)，對電路的分析和驗證工作依靠智能化來完成，效率高。智能信息采集車采用了多傳感器信息融合的基本原理，就是模仿人類大腦的這個過程，得到一個對復(fù)雜對象的一致性解釋或結(jié)論。多傳感器信息融合是協(xié)調(diào)多個分布在不同地點，相同或不同種類的傳感器所提供的局部不完整觀測量信息加以綜合，協(xié)調(diào)使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互補，以減少不確定性，得到對物體或環(huán)境的一致性描述的過程。所以智能信息采集車具有許多性能上的優(yōu)點：增加了系統(tǒng)的生存能力；減少了信息的模糊性；擴展了采集數(shù)據(jù)覆蓋范圍；增加了可信度；改善了探測性能；提高了空間的分辨力；改善了系統(tǒng)的可靠性；信息的低成本性；它可以作為救援和森林防火一個協(xié)助的工具；可以作為軍事裝備；可以成為沙灘、森林、沙漠的智能探測工具。如圖3-2圖3-2復(fù)雜地行駛智能信息采集車的設(shè)計思路4.1基本工作思路本智能信息采集車有中央信息處理核心，附加外圍取景器，將取景器采集到的環(huán)境信息進行綜合判別和處理，并通過速度傳感器獲得當前信息采集車速度，然后發(fā)出指令給電機驅(qū)動器，通過車模的組裝、傳感器的選擇與安裝、系統(tǒng)電路板的設(shè)計與安裝、控制算法的設(shè)計與調(diào)試，從而實現(xiàn)采集車自動識別行駛軌跡，并根據(jù)軌跡實現(xiàn)自動加速、減速和左右轉(zhuǎn)向等功能。在獲取和處理采集車自身行走的信息的同時，取景器收集的外界環(huán)境信息、土壤采集器采集的土地信息都通過傳輸通道傳送給接收裝置。4.2動力選擇思路4.2.1采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)采集車前進路程和位置的精確定位。雖然有諸多優(yōu)點，但是步進電機的輸出力矩較低，特別是會隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降，甚至在較高轉(zhuǎn)速下力矩會急劇下降，不適用于對采集車等有一定速度要求的系統(tǒng)。4.2.2采用直流減速電機直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部構(gòu)造采用高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪箱，可以產(chǎn)生較大扭力。經(jīng)綜合比較考慮采用直流減速電機。電機驅(qū)動模塊采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率比較高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。4.3設(shè)計后的調(diào)整部分調(diào)整主要涉及到智能信息采集車底盤高度、車重心位置、后輪距、減震器、齒輪咬合、差速器等。具體調(diào)整如下：1）底盤高度調(diào)整：底盤高度可以影響重心。適當降低底盤高度可以使采集車重心降低，有利于過彎穩(wěn)定。實際調(diào)整可以通過調(diào)整前輪高度、后輪軸高度調(diào)節(jié)塊等方式來調(diào)節(jié)。2）重心位置：重心位置同樣影響采集車性能。重心過前，增加轉(zhuǎn)向阻力，引起轉(zhuǎn)向遲滯。另外，如果車速很快的情況下，上下坡道的時候會造成前輪首先著地，很可能造成采集車意外事故。重心過后，則會使車前輪抓地不足，造成過彎非常不穩(wěn)定。實際調(diào)整以重心在電池處為準，保持各部分重量均衡。3）后輪距調(diào)整：后輪距可以通過換裝后輪寬度調(diào)整塊來調(diào)整。合適的后輪寬度會是采集車直線性能和彎道性能更優(yōu)，利于車穩(wěn)定。4）減震器彈簧強度調(diào)整：坡道時候，減震器影響顯得尤為突出。采集車平面行駛時，無垂直方向速度，遇到坡道時候，車會瞬間在垂直方向上出現(xiàn)一個速度，此時減震器在耦合車前部和車后部時候會出現(xiàn)一個緩沖區(qū)，增加坡道穩(wěn)定性。下坡時候則是垂直方向上的速度瞬間減小為0,減震器的作用亦如上坡。實際調(diào)整中，通過加裝彈簧調(diào)節(jié)塊來調(diào)整。5）齒輪咬合調(diào)整：調(diào)整齒輪咬合，以不松動，無卡滯，松緊合適為準。另外還要保證齒輪間咬合有足夠的接觸面積。6）差速器調(diào)整：差速器調(diào)整能夠提咼車入彎速度，提咼彎道性能。差速器調(diào)整可以通過右后輪輪軸上面的螺絲。注意調(diào)整過松,會嚴重影響直道加速性能；調(diào)整過緊則會使差速器處于無效狀態(tài)。差速器滾珠處可以適當添加潤滑劑，保證差速器平滑。總結(jié)與展望在科學(xué)探索和緊急搶險中經(jīng)常會遇到對與一些危險或人類不能直接到達的地域的探測，這些就需要用智能信息采集車來完成。而智能信息采集車在復(fù)雜地形中彳丁進時自動避障是一項必不可少也是最基本的功能。因此，自動避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運而生。我們的智能信息采集車就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。隨著科技的發(fā)展，對于未知空間和人類所不能直接到達的地域的探索逐步成為熱門，這就使智能信息采集車有了重大的意義。智能信息采集車可以作為地域探索和緊急搶險。相信在不久的將來智能信息采集車一定會用在更大的空間領(lǐng)域，對未來空間站的建設(shè)起到中流砥柱的作用。在現(xiàn)代化社會中智能信息采集車因其獨特的性能優(yōu)點，實現(xiàn)地面、空中為一體的立體化自動信息采集系統(tǒng)，同時，它抗污染更強，安裝更為方面，生產(chǎn)成本更低，在現(xiàn)代信息采集中被普遍使用，但到目前為止，智能信息采集車的研制和開發(fā)，雖取得了一些進展，但造價相當昂貴，因此，此項技術(shù)的改進勢在必行。通過現(xiàn)在對采集車的研究，它不僅能單獨的實現(xiàn)尋跡和避障功能，而且可將兩者有效的結(jié)合起來，不過還需要對它的機械結(jié)構(gòu)做一定的修改，使其運行起來更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎也更靈活。電路的成熟化需要我們在實驗中進一步加以改進，在采集車的制作上，在傳感器的安裝上，如果能有更好的改進的話，可以讓小車走的更加平穩(wěn)。但是硬件已基