智能巡線機器人控制系統的研究設計

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【摘要】本論文主要以單片機AT89C52為系統控制核心進行智能巡線機器人控制系統的研究設計，利用PWM控制方式實現智能機器人的電機驅動、利用超聲波傳感器和紅外反射式傳感器實現智能機器人的智能避障及自動循跡，利用高清攝像頭實現防水、防風、防撞擊、防火災、防短路電流等災害全過程記錄。

【關鍵詞】智能機器人；巡線；反射式紅外傳感器

1前言

隨著城市的發展，電網越來越龐大，變電站越建越多，但是變電站巡檢人員卻有限，雷電、大風雨等極端天氣中電力工人戶外工作艱難。要是一味地延續以往的巡視維護工作方式，企業將要投入更多的人力物力，引入智能機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，可以提高巡檢質量。機器人通過精準的計算及監控手段，對電力設備無死角巡視，可以發現一般肉眼難以發現的情況，杜絕人工巡視時出現的疲勞工作現象，保證巡視工作保質高效完成。本設計就是在這樣的背景下提出的，為了適應變電站巡線的發展對智能機器人的要求，提出簡易智能巡線機器人的構想，設計出了一個集環境感知、規劃決策、自動駕駛等功能于一體的綜合系統。

2智能機器人簡介

智能機器人采用電機與車輪一對一驅動方式，L298D驅動模塊配合單片機實現四輪驅動功能，其中包括機器人的前進功能、后退功能、左轉功能以及右轉功能。采用紅外對管傳感模塊將信號反饋給單片機的方式實現紅外循跡避障功能，其中包括機器人的黑白線自動循跡功能、機器人的紅外感應避障功能。采用高清攝像頭實現防水、防風、防撞擊、防火災、防短路電流等災害全過程記錄功能。

2．1系統架構

智能機器人的整體性能與控制系統的性能有很大的關系，一個好的控制系統是設計一個性能優良的機器人的基礎。本為以AT89C52單片機為中樞，建立擁有驅動系統、人機交互系統、傳感系統及圖像識別系統組成的控制系統，同時，由電壓轉換設備和電力儲藏設備構成的供電系統為智能機器人的正常運行提供了電力支持。

2．2實現功能

智能機器人的設計目標是機器人能在變電站正常環境中穩定工作，它的行為既可以由操作人員控制也可以自主完成。本文設計的機器人可以實現的功能如下:(1)正常運動功能:機器人的前進功能、后退功能、左轉功能以及右轉功能。(2)尋線功能:根據規劃好的路徑，在地面上做出導航線，要求機器人能夠沿導航線自行移動:要求機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)避障規劃:在設有障礙物的道路上，能夠主動識別并避開障礙物，規劃處最優路徑，到達預訂目的地。(4)圖像識別功能:機器人按照預設軌跡巡查變電站設備及輸電線路，實現防水、防風、防撞擊、防火災、防短路電流等災害全過程記錄，可以記錄災害的全過程－倒搭影響全過程、位移變化曲線、氣象全過程數據等。

3系統設計

3．1驅動模塊

由于服務機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，我們在普通電機和直流伺服電機之間做了比較。與普通電機相比，由于伺服電機在調速范圍，機械特性和調節特性的線性度，響應快速性等方面均占優，且當控制電壓改變為零時能立即停止轉動;普通電機則做不到。同時從結構上比較，兩者的區別在于電樞鐵心的長度與直徑之比，伺服電機較大，而氣隙較小，因此在精密定位和寬調速范圍的應用場合，一般都選用伺服電機。智能機器人將借助L293D驅動芯片來驅動以及控制四輪小車的4個直流電機，每個L293D驅動芯片可驅動及控制兩個直流電機。L293D具有很強的驅動力，可以同時控制獨立改變各個電機的轉動方向;可以通過PWM控制使能端的信號輸入實現直流電機的轉速控制。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電機正轉與反轉。

3．2傳感器模塊

要想使移動式機器人在運動空間中安全穩定的行走，就需要對機器人本身及其周圍環境物體之間的相對位置和距離進行探測，可以用到一種外界傳感器，即接近覺傳感器。這種傳感器對機器人在工作過程中進行路徑規劃以及防止機器人與外界物體相撞十分有意義。我們在智能機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器人的視覺功能，它內部有一超聲波發射管和一超聲波接收管。發射管發出超聲波，如果其正前方沒有物體，那么接收管接收不到超聲波反饋信號。當前方出現物體時，超聲波信號經過物體被反射了回來，這時接收管接收到信號，向單片機發出高電平信號，以告知單片機其前方出現障礙物。從光學上考慮，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。所以紅外二極管發射紅外線后，小車經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生很低的反饋電流，在白色區域行駛則獲得大量紅外反射，紅外接收器反饋電流大。根據傳感器反饋的電流值，經過比較器的篩選，可以轉為單片機可接收的高/低電平，單片機受到電平的不同，經過程序對電平訊號進行處理后改變小車的行動。以小車前進方向為車頭，在車頭兩側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，小車繼續前進。當小車偏離原本軌道，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原地轉向，直到兩邊紅外對管都輸出高電平，小車繼續前進。

3．3人機交互模塊

智能機器人輸入輸出設備包括藍牙鍵盤和紅外控制器。我們可以通過通過藍矛鍵盤或紅外控制器輸入控制信息，進而完成人機交互，實現對機器人的遠程實時控制。紅外控制器主要有一個接收芯片和一個紅外發射控制板組成，紅外接收芯片可以接受并識別發射器發射的不同控制信號，并把信號發給控制板，控制板發出命令，使服務機器人執行不同動作。

3．4圖像識別模塊

通過在機器人云臺上裝設高清攝像頭，機器人按照預設軌跡巡查變電站設備及輸電線路，實現防水、防風、防撞擊、防火災、防短路電流等災害全過程記錄，可以記錄災害的全過程－倒搭影響全過程、位移變化曲線、氣象全過程數據等，為后期對災害分析提供有力的數據及影像支撐。此項技術可以廣泛用于防范惡劣天氣災害，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據融合及決策系統連接，能夠以極地的成本大大的提高變電站線路及設備在線監測的準確性，防災預警，降低多類災害發生的概率，經濟效益可觀.

3．5電源模塊

電源系統對智能機器人來說是相當重要的，可以說電源是機器人的生命源，機器人控制系統各芯片的運作，驅動系統電機的運轉等都需要電源提供原動力。電源系統有電池和電源管理模塊組成。根據我們的需要，我們在設計中選用鎳鎘蓄電池。電源管理模塊的基本要求是提供穩定的電壓，各路電壓信號不能互相干擾。它的作用是對7．2V1800mA鎳鎘蓄電池進行電壓調節。根據系統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)采用穩壓管芯片LM2576將電源電壓穩壓到5V后，給單片機系統電路供電。(2)經過一個二極管降至6．5V左右后供給攝像頭。(3)直接給直流驅動電機、驅動芯片LQ7960M電路供電。

4結語

在完成了軟、硬件設計的基礎上，制作了智能機器人樣機，并進行了實驗。使用STC－ISP軟件對單片機進行程序的燒錄，對軟件進行設置后，通過串口把程序燒錄到單片機中，并對智能機器人進行了功能測試，機器人實現了預設功能。最后將編譯完整、正確的應用程序燒錄到控制芯片，進行固化后的程序運行，機器人能夠按程序設定實現預期功能，并且經過長時間工作，功能可靠。此款智能機器人預設功能的實現，在生產和學術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:華南理工大學廣州學院電氣工程學院