智能巡线机器人控制系统的研究设计

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【摘要】本论文主要以单片机AT89C52为系统控制核心进行智能巡线机器人控制系统的研究设计，利用PWM控制方式实现智能机器人的电机驱动、利用超声波传感器和红外反射式传感器实现智能机器人的智能避障及自动循迹，利用高清摄像头实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录。

【关键词】智能机器人；巡线；反射式红外传感器

1前言

随着城市的发展，电网越来越庞大，变电站越建越多，但是变电站巡检人员却有限，雷电、大风雨等极端天气中电力工人户外工作艰难。要是一味地延续以往的巡视维护工作方式，企业将要投入更多的人力物力，引入智能机器人可以大大减轻运行人员在运维工作中的压力。更重要的是，可以提高巡检质量。机器人通过精准的计算及监控手段，对电力设备无死角巡视，可以发现一般肉眼难以发现的情况，杜绝人工巡视时出现的疲劳工作现象，保证巡视工作保质高效完成。本设计就是在这样的背景下提出的，为了适应变电站巡线的发展对智能机器人的要求，提出简易智能巡线机器人的构想，设计出了一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等功能于一体的综合系统。

2智能机器人简介

智能机器人采用电机与车轮一对一驱动方式，L298D驱动模块配合单片机实现四轮驱动功能，其中包括机器人的前进功能、后退功能、左转功能以及右转功能。采用红外对管传感模块将信号反馈给单片机的方式实现红外循迹避障功能，其中包括机器人的黑白线自动循迹功能、机器人的红外感应避障功能。采用高清摄像头实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录功能。

2．1系统架构

智能机器人的整体性能与控制系统的性能有很大的关系，一个好的控制系统是设计一个性能优良的机器人的基础。本为以AT89C52单片机为中枢，建立拥有驱动系统、人机交互系统、传感系统及图像识别系统组成的控制系统，同时，由电压转换设备和电力储藏设备构成的供电系统为智能机器人的正常运行提供了电力支持。

2．2实现功能

智能机器人的设计目标是机器人能在变电站正常环境中稳定工作，它的行为既可以由操作人员控制也可以自主完成。本文设计的机器人可以实现的功能如下:(1)正常运动功能:机器人的前进功能、后退功能、左转功能以及右转功能。(2)寻线功能:根据规划好的路径，在地面上做出导航线，要求机器人能够沿导航线自行移动:要求机器人具有自主防撞能力，在运行中遇到人或障碍物时，能够暂停移动。(3)避障规划:在设有障碍物的道路上，能够主动识别并避开障碍物，规划处最优路径，到达预订目的地。(4)图像识别功能:机器人按照预设轨迹巡查变电站设备及输电线路，实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录，可以记录灾害的全过程－倒搭影响全过程、位移变化曲线、气象全过程数据等。

3系统设计

3．1驱动模块

由于服务机器人的工作空间主要在变电站，地面平坦，不需要太大的输出扭矩，必须能灵活操控，而且要求体积小，重量轻、方便检修，我们在普通电机和直流伺服电机之间做了比较。与普通电机相比，由于伺服电机在调速范围，机械特性和调节特性的线性度，响应快速性等方面均占优，且当控制电压改变为零时能立即停止转动;普通电机则做不到。同时从结构上比较，两者的区别在于电枢铁心的长度与直径之比，伺服电机较大，而气隙较小，因此在精密定位和宽调速范围的应用场合，一般都选用伺服电机。智能机器人将借助L293D驱动芯片来驱动以及控制四轮小车的4个直流电机，每个L293D驱动芯片可驱动及控制两个直流电机。L293D具有很强的驱动力，可以同时控制独立改变各个电机的转动方向;可以通过PWM控制使能端的信号输入实现直流电机的转速控制。与控制板连接，接受控制信号，并可以通过改变输入端的逻辑电平实现电机正转与反转。

3．2传感器模块

要想使移动式机器人在运动空间中安全稳定的行走，就需要对机器人本身及其周围环境物体之间的相对位置和距离进行探测，可以用到一种外界传感器，即接近觉传感器。这种传感器对机器人在工作过程中进行路径规划以及防止机器人与外界物体相撞十分有意义。我们在智能机器人上安装了超生传感器和红外寻线传感器。采用最常用的超声传感器来作为机器人的视觉功能，它内部有一超声波发射管和一超声波接收管。发射管发出超声波，如果其正前方没有物体，那么接收管接收不到超声波反馈信号。当前方出现物体时，超声波信号经过物体被反射了回来，这时接收管接收到信号，向单片机发出高电平信号，以告知单片机其前方出现障碍物。从光学上考虑，白色对光的反射程度很高，黑色与白色相反，黑色会吸收光线，对光的反射程度很低。所以红外二极管发射红外线后，小车经过黑线时会被吸收大量红外线，红外接收器接收少量红外产生很低的反馈电流，在白色区域行驶则获得大量红外反射，红外接收器反馈电流大。根据传感器反馈的电流值，经过比较器的筛选，可以转为单片机可接收的高/低电平，单片机受到电平的不同，经过程序对电平讯号进行处理后改变小车的行动。以小车前进方向为车头，在车头两侧对称安装射向地面的红外对管，在地面布置一条黑线，让小车沿着黑线行驶，小车正常前进时，红外对管正对这地板，地板将大量红外线反射到红外接收管，传感器输出高电平，小车继续前进。当小车偏离原本轨道，其中任一红外对管正对黑色线，红外射线被黑线大量吸收，红外接收管输出信号为低电平，则小车在往低电平侧原地转向，直到两边红外对管都输出高电平，小车继续前进。

3．3人机交互模块

智能机器人输入输出设备包括蓝牙键盘和红外控制器。我们可以通过通过蓝矛键盘或红外控制器输入控制信息，进而完成人机交互，实现对机器人的远程实时控制。红外控制器主要有一个接收芯片和一个红外发射控制板组成，红外接收芯片可以接受并识别发射器发射的不同控制信号，并把信号发给控制板，控制板发出命令，使服务机器人执行不同动作。

3．4图像识别模块

通过在机器人云台上装设高清摄像头，机器人按照预设轨迹巡查变电站设备及输电线路，实现防水、防风、防撞击、防火灾、防短路电流等灾害全过程记录，可以记录灾害的全过程－倒搭影响全过程、位移变化曲线、气象全过程数据等，为后期对灾害分析提供有力的数据及影像支撑。此项技术可以广泛用于防范恶劣天气灾害，直接保障了各类电力用户的用电安全;通过与变电站控制后台的视频视觉识别及线路传感器测量的数据融合及决策系统连接，能够以极地的成本大大的提高变电站线路及设备在线监测的准确性，防灾预警，降低多类灾害发生的概率，经济效益可观.

3．5电源模块

电源系统对智能机器人来说是相当重要的，可以说电源是机器人的生命源，机器人控制系统各芯片的运作，驱动系统电机的运转等都需要电源提供原动力。电源系统有电池和电源管理模块组成。根据我们的需要，我们在设计中选用镍镉蓄电池。电源管理模块的基本要求是提供稳定的电压，各路电压信号不能互相干扰。它的作用是对7．2V1800mA镍镉蓄电池进行电压调节。根据系统各部分正常工作的需要，各模块的电压值可分为5V、6．5V、7．2V三个档。电源管理单元主要用于以下三个方面:(1)采用稳压管芯片LM2576将电源电压稳压到5V后，给单片机系统电路供电。(2)经过一个二极管降至6．5V左右后供给摄像头。(3)直接给直流驱动电机、驱动芯片LQ7960M电路供电。

4结语

在完成了软、硬件设计的基础上，制作了智能机器人样机，并进行了实验。使用STC－ISP软件对单片机进行程序的烧录，对软件进行设置后，通过串口把程序烧录到单片机中，并对智能机器人进行了功能测试，机器人实现了预设功能。最后将编译完整、正确的应用程序烧录到控制芯片，进行固化后的程序运行，机器人能够按程序设定实现预期功能，并且经过长时间工作，功能可靠。此款智能机器人预设功能的实现，在生产和学术研究中均有重要意义。本文所提出的处理思路对这些方面的研究有一定的参考意义。

参考文献:

［1］张毅．导游服务型机器人系统设计与分析［D］．南京:南京理工大学，2007．

［2］胡鹏．全向行驶轮式机器人系统设计与开发［D］．南京:南京理工大学，2007．

［3］闫晶．移动机器人避障系统设计［D］．沈阳:沈阳理工大学，2008．

［4］舒畅．服务机器人机械系统的设计与实现［D］．杭州:浙江大学机械工程学系，2010．

［5］隋秀梅，林源，赵丽．基于HT46R24单片机的智能机器人控制系统［D］．长春:长春职业技术学院，2010．

［6］孙丽飞，王法能，王宽仁，和亮．基于单片机的智能巡线机器人的设计与研究［D］．西安:西安外事学院信息工程学院，2007．

作者:罗永超 单位:华南理工大学广州学院电气工程学院