題目：校園巡邏機(jī)器人的設(shè)計學(xué)生姓名：頁引言隨著近幾年人工智能的興起，人工智能技術(shù)，自動識別技術(shù)以及機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展非常迅猛，國家對人工智能、互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的重視和大力發(fā)展，機(jī)器人不再局限于工業(yè)化制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，開始走進(jìn)各行各業(yè)，對社會發(fā)展和領(lǐng)域變革起著舉足輕重的作用[1]。在社會生活中，許多大型公共場所，例如醫(yī)院，廣場，商場，學(xué)校等人員密集的地方，都將看到巡邏機(jī)器人的出現(xiàn)，起到安保監(jiān)控的作用。本文將以學(xué)校為應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計一款校園巡邏機(jī)器人，眾所周知，學(xué)校人口密度大，并且人員流動受時間的影響，分為人口舒緩時間和人口密集時間，人口密集時間則是學(xué)生們下課或者放學(xué)期間，幾乎校園內(nèi)布滿了熙熙攘攘的人群，這時就對學(xué)校安保人員提出了高要求，而人口舒緩時間主要是上課或者放假等時間，人流量非常小，對校園安保的要求降低，但是安防仍要進(jìn)行，此時不免是對人力和物力的一種浪費(fèi)，在此時，校園巡邏機(jī)器人可將代替學(xué)校安保人員進(jìn)行巡邏，將收集到的信息發(fā)給電腦終端，安保人員只需在電腦終端進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，就可起到安保的目的，若有緊急情況發(fā)生，安保人員到現(xiàn)場處理即可，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防控。第1章緒論1.1巡邏機(jī)器人的概述安防行業(yè)是隨著現(xiàn)代社會安全應(yīng)運(yùn)而生的一種產(chǎn)業(yè)。在社會生活中，只要有不安定因素或者危險因素的存在，那么安防行業(yè)也將會持續(xù)存在下去并不斷發(fā)展。事實(shí)證明，即使隨著社會的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，百姓們的生活日漸繁榮穩(wěn)定，社會中仍然有危險因素存在，社會上的犯罪效率并不因此降低。在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天，智能安防巡邏機(jī)器人繼而產(chǎn)生，可一定程度上代替人工巡邏，提高安保效率。安防巡邏機(jī)器人的種類根據(jù)使用場景的不同而存在差異。應(yīng)用場景主要分為封閉場景和開放場景。1.封閉環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：機(jī)房巡檢（如數(shù)據(jù)中心，電信巡檢等），電商倉庫，電力巡檢（變電站，輸配線路，核電站等）2.開放環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：軌道交通，景區(qū)，工業(yè)園區(qū)，住宅小區(qū)等區(qū)域應(yīng)用在開放環(huán)境中的智能安防巡邏機(jī)器人對導(dǎo)航的精確度，專業(yè)檢測和報警能力有更高的要求，需要的智能檢測機(jī)器人擁有的基礎(chǔ)檢測能力包括：煙火檢測，高溫報警，異常聲音告警，可燃?xì)怏w檢測等。巡邏機(jī)器人因使用場景豐富，所以需求空間更大，大部分巡邏機(jī)器人主要用于室外，所以對工作過程中的導(dǎo)航準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性，流暢性，本體魯棒性有很大的要求，以及需要語音識別，數(shù)據(jù)存儲等功能。1.2巡邏機(jī)器人的研究背景及意義伴隨著工業(yè)4.0的浪潮的到來，機(jī)器人行業(yè)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展得非常迅速，許多新興技術(shù)開始崛起，比如人工智能技術(shù)，自動識別技術(shù)等等，機(jī)器人代替人工的趨勢越來越明顯。這些高級技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于制造行業(yè)，如今更多領(lǐng)域也逐漸引進(jìn)了這些技術(shù)，比如科學(xué)勘探，家庭娛樂，以及公共服務(wù)等領(lǐng)域。因此對于人工智能的研究，傳統(tǒng)技術(shù)不可避免被逐漸涌起的新的科學(xué)技術(shù)沖擊，越來越多的人開始投入到這項(xiàng)技術(shù)的研究中來，2014年12月，我國政府提出了“中國制造2025”這一全新的概念，全面推進(jìn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，這是我國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個十年綱領(lǐng)[2]。在《中國制造2025》的綱領(lǐng)中，國家強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展機(jī)器人行業(yè)在內(nèi)的十大領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)加快推進(jìn)新一代的信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向?！按龠M(jìn)機(jī)器人行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化發(fā)展，擴(kuò)大機(jī)器人市場與應(yīng)用”，機(jī)器人領(lǐng)域自現(xiàn)在起，甚至是未來，也必將是科技發(fā)展的關(guān)鍵組成部分，因此，大力發(fā)展我國機(jī)器人行業(yè)，將會對我國提高國家競爭力，在國際上優(yōu)先占領(lǐng)機(jī)器人市場具有十分重要的意義。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，超級商場，大型物流倉庫，以及更多的公共場所，如醫(yī)院，學(xué)校，車站，機(jī)場，街道，等場所的規(guī)模和數(shù)量不斷增大，大中城市，商用樓的不斷增多，人流物流龐雜，易燃易爆等危險物品不斷增多[3]。因此，對自主安防巡邏的需求日益迫切，目前我國安防模式主要采用的是“人防+物防”[3]。即安保人員輪流值班和固定攝像頭聯(lián)合模式，雖然目的上很容易實(shí)現(xiàn)，但這種模式有一定的弊端，隨著人口老齡化的加劇，勞動力成本飆升，安防人員流失率將逐漸增高。并且也會出現(xiàn)人力浪費(fèi)和監(jiān)控盲區(qū)等問題[3]，在夜間或者是惡劣天氣的情況下，將會給安防巡邏帶來更多的阻礙，巡邏安全難以保障，顯然這種固定的監(jiān)控模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在智能化時代的需求。因此實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人防+人防”的監(jiān)控模式，是一種必然趨勢，將具有集環(huán)境感知，自主巡航，檢測報警，行為控制，動態(tài)決策，行為規(guī)劃等能力相結(jié)合，構(gòu)造出一臺智能巡航系統(tǒng)的機(jī)器人[3]。以此完成不間斷定時定點(diǎn)的巡邏方案，這將是現(xiàn)目前解決問題的的最佳方法。所以，研制智能巡邏機(jī)器人成了社會上最廣泛的需求，也將會成為世界上潛力最深的科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前服務(wù)型機(jī)器人技術(shù)主要是由機(jī)械，控制，信息，材料，微電子等多種學(xué)科領(lǐng)域所集成發(fā)展，從而形成的科學(xué)成果，對相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的支撐，引領(lǐng)作用[3]。最近幾年來，世界各國都試圖搶占此研究領(lǐng)域的金字塔。研究出智能服務(wù)機(jī)器人，來代替人工進(jìn)行許多方面的危險作業(yè)，也有的用來輔助醫(yī)生完成微創(chuàng)手術(shù)[3]。目前我國已成為機(jī)器人行業(yè)的全國第一大消費(fèi)市場，機(jī)器人的應(yīng)用對于我國的科技發(fā)展起到了推波助瀾的作用，使我們的科技日漸向發(fā)達(dá)國家靠近，可見智能服務(wù)機(jī)器人水平是一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)自動化的重要標(biāo)志。1.3巡邏機(jī)器人的研究現(xiàn)狀目前，自動導(dǎo)引小車在我國許多行業(yè)已有大規(guī)模應(yīng)用，如物流，煙草，汽車，新聞等行業(yè)，特別是在自動物流現(xiàn)場和裝配車間最多，在未來發(fā)展中的作用十分關(guān)鍵。最近幾年來，由于一些新技術(shù)，設(shè)備，發(fā)明的出現(xiàn)，使得高級智能的自動導(dǎo)引小車進(jìn)入了更多企業(yè)為人們服務(wù)。到目前為止，自動導(dǎo)引小車主要用于室內(nèi)工作，而室外和半室外應(yīng)用范圍相對較少，不過隨著社會需求和行業(yè)發(fā)展的趨勢，將來會有更多自動導(dǎo)引小車用于室外或者半室外的環(huán)境中來。自動導(dǎo)引小車屬于移動機(jī)器人的范疇，是一種裝聲波，光學(xué)，或電磁傳感設(shè)備于機(jī)身[2]，并且為保護(hù)智能移動機(jī)器人的行駛安全，往往會給它們配備安全防護(hù)裝置的機(jī)器人。機(jī)器人自從誕生以來，就因?yàn)槠湓趯?shí)際生產(chǎn)中所表現(xiàn)出的極大的優(yōu)越性而備受人類青睞，它可以大幅度降低工人作業(yè)中的勞動強(qiáng)度，企業(yè)勞動成本，并且能夠提高企業(yè)生產(chǎn)效率。所以對于機(jī)器人的研究范圍和應(yīng)用將會進(jìn)一步擴(kuò)大。隨著機(jī)器人的出現(xiàn)，人們得益于機(jī)器人的幫助從而改變了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式，并且在將來，機(jī)器人也必將發(fā)揮它本身的優(yōu)勢，對人類的生產(chǎn)生活帶來重大的影響和促進(jìn)作用。作為機(jī)器人家族中的一員，智能移動機(jī)器人伴隨著科學(xué)技術(shù)，如計算機(jī)技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，逐漸應(yīng)用于多種領(lǐng)域，在航空航天，家庭服務(wù)，安防巡邏，軍事農(nóng)業(yè)方面，都能看到它們忙碌的身影。1.3.1巡邏機(jī)器人的國內(nèi)研究現(xiàn)狀巡邏機(jī)器人主要分為兩種，一種室內(nèi)型，另一種室外型。與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國對于智能移動機(jī)器人的研究和應(yīng)用相對較晚。1976年，北京起重機(jī)械研究所研制出了我國第一臺自動導(dǎo)引小車。二十世紀(jì)八十年代末，北京工業(yè)機(jī)械化自動研究所研制出了立體倉庫中使用的自動導(dǎo)引小車。九十年代，清華大學(xué)應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)研制出了用于郵政中心的自動導(dǎo)引小車，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制出了汽車發(fā)動機(jī)裝配專用的自動導(dǎo)引小車。大連組合機(jī)床研究所，國防科技大學(xué)，南京理工大學(xué)等也對自動導(dǎo)引小車相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，并且有多品種，多類型的自動導(dǎo)引小車投入到批量生產(chǎn)中。九十年代末，吉林大學(xué)專門成立了視覺導(dǎo)向智能機(jī)器人研發(fā)中心，并且設(shè)計出了自動導(dǎo)引車輛定位系統(tǒng)，提出了一種高精度利用超聲波測量時間的方法，該方法采用雙超聲波發(fā)射傳感器依照一定的時序進(jìn)行工作，解決了信號相互干擾問題。隨著技術(shù)研究領(lǐng)域的擴(kuò)展，國內(nèi)自動導(dǎo)引車輛技術(shù)迅速發(fā)展，許多自動導(dǎo)引車輛在功能上也有了很大的改進(jìn)和創(chuàng)新，并且出現(xiàn)了大量的生產(chǎn)廠家。如興頌機(jī)器人自動化股份有限公司，深圳佳順偉業(yè)有限公司，昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司，就目前而言，他們的自動導(dǎo)引小車技術(shù)在國內(nèi)市場中較為領(lǐng)先[2]。作為中國機(jī)器人領(lǐng)軍企業(yè)及國家機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，興頌擁有完整的機(jī)器人產(chǎn)品線及工業(yè)4.0整體解決方案。并且興頌也是“機(jī)器人國家工程研究中心”，“國家863計劃智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地”以及科技部命名的“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃成果產(chǎn)業(yè)基地”，在上個世紀(jì)七十年代末八十年代初，興頌就開始自動引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，在1991年，興頌的自動導(dǎo)引機(jī)器人產(chǎn)品正式流入市場，2007年底，擁有自主產(chǎn)權(quán)的新松開始進(jìn)軍國際市場，美國，加拿大，俄羅斯，韓國，印度等國外市場都進(jìn)口有新松機(jī)器人自動化股份有限公司的系列產(chǎn)品，開啟了國產(chǎn)技術(shù)的先河。此后，興頌機(jī)器人產(chǎn)品開始涉及越來越多的行業(yè)，在船舶制造業(yè)，紡織，醫(yī)藥，采礦，造紙，卷煙，食品加工等行業(yè)都有它的產(chǎn)品，興頌機(jī)器人的產(chǎn)品已經(jīng)走向了產(chǎn)業(yè)化道路，成為國內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的開創(chuàng)者和領(lǐng)導(dǎo)者，它曾經(jīng)一度占據(jù)了國內(nèi)高達(dá)百分之七十的機(jī)器人市場份額。即使如此，我們國家的自動導(dǎo)引機(jī)器人仍然有很多不足，在國際技術(shù)水平上還有一段不可忽視的差距。1.應(yīng)用普及率低。從應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展來看，自動導(dǎo)引小車主要用于機(jī)械制造，加工，裝配等工作內(nèi)容中，即使已經(jīng)開始向更廣泛的自動化生產(chǎn)，物品倉儲，商品配送等工作內(nèi)容方面擴(kuò)展，但總共用于這些行業(yè)的自動導(dǎo)引車輛少之又少，截止到2010年7月，全國總共有自動導(dǎo)引小車系統(tǒng)不超過170套，自動導(dǎo)引小車不超過4000臺。而且還主要是用于煙草卷煙等行業(yè)，在該行業(yè)中，擁有自動導(dǎo)引小車甚至超過60臺。2.科技含量低。由于我國對于自動導(dǎo)引小車的研究起步較晚，最早的都是由1976年北京起重機(jī)械研究所研制出來的第一臺自動導(dǎo)引小車。因此，我們在小車的關(guān)鍵技術(shù)——導(dǎo)引技術(shù)上，仍然滯留于不成熟階段，我們國家的小車導(dǎo)引技術(shù)大多采用電磁導(dǎo)引，光條紋技術(shù)，這是相對落后且廉價的導(dǎo)引方式，對于更高級的導(dǎo)引技術(shù)，例如激光導(dǎo)引，視覺導(dǎo)引技術(shù)，我們即使已有相關(guān)技術(shù)的研究和進(jìn)展，但是尚未開始大規(guī)模投入到應(yīng)用中來。3.使用成本高。在我國，自動導(dǎo)引小車的價格還很昂貴，一臺普通的自動導(dǎo)引小車相當(dāng)于兩臺叉車的價格，而一臺更加高級的自動導(dǎo)引小車則是四臺叉車的價格。因此，許多企業(yè)在面對購買小車時往往由于經(jīng)濟(jì)原因而望而卻步，這將使自動導(dǎo)引小車應(yīng)用得以受限，所以，目前研究開發(fā)一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，功能性好的自動導(dǎo)引小車成了當(dāng)務(wù)之急。1.3.2巡邏機(jī)器人的國外研究現(xiàn)狀國外關(guān)于自動導(dǎo)引機(jī)器人的研究和應(yīng)用較早，世界上最早現(xiàn)世的自動導(dǎo)引車是在1953年，由美國BarrettElectric公司制造的采用埋線電磁感應(yīng)進(jìn)行路徑追蹤的車輛[2]，它是作為一種牽引式車輛被研發(fā)出來，主要目的是為了方便與物流系統(tǒng)鏈接，來提高物流搬運(yùn)效率，從而提高公司的生產(chǎn)效率。這就使得自動導(dǎo)引車輛開輛日后開始被普及應(yīng)用。到了二十世紀(jì)六十年代初，擁有自動導(dǎo)引功能和移載功能的自動導(dǎo)引車輛在歐洲問世，經(jīng)過十年時間在歐洲普及，當(dāng)時各類的自動導(dǎo)引車輛數(shù)量就多達(dá)一千多臺，和我國目前擁有的小車數(shù)量差距不大。這段時期，激光導(dǎo)引和和慣性導(dǎo)航一系列新的導(dǎo)引方式相繼提出并且投入生產(chǎn)使用，這使得當(dāng)時工業(yè)生產(chǎn)率大幅度提高，勞動成本得以降低。不過當(dāng)時自動導(dǎo)引小車主要用于物料存儲，物流配送，柔性制造系統(tǒng)等工作內(nèi)容中，人們還未完全意識到自動導(dǎo)引車輛的優(yōu)勢，到了二十世紀(jì)八十年代初，自動導(dǎo)引小車的優(yōu)勢才逐漸被大眾認(rèn)識，小車開始被越來越多領(lǐng)域所應(yīng)用。二十一世紀(jì)以來，人們對自動導(dǎo)引車輛的研究開始從使小車代替人類做一些簡單的任務(wù)到更智能化和自動化方向發(fā)展，提高小車的智能化和自動化是目前面臨解決的問題。在科學(xué)日益發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的自動導(dǎo)引小車技術(shù)也隨著時代的發(fā)展日益進(jìn)步，在自動導(dǎo)引小車的各項(xiàng)技術(shù)中，導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展最為迅速。傳統(tǒng)導(dǎo)航中的電磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航需要鋪設(shè)專用的線路標(biāo)識實(shí)現(xiàn)定位，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，設(shè)施成本比較高。為了解決這些問題，為了提高自動導(dǎo)引小車的自主導(dǎo)航能力，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，許多西方國家開始著手研究一種采用基于地圖構(gòu)建的算法和機(jī)器人領(lǐng)域中的同時定位方法，并將該方法應(yīng)用于自動導(dǎo)航系統(tǒng)中，并且初步取得了一系列相關(guān)進(jìn)展。

第2章校園巡邏機(jī)器人的總體設(shè)計方案2.1機(jī)器人的組成機(jī)器人通常由行走機(jī)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)組成[4]。圖2-1為該小車的總體方案布局。圖2-1機(jī)器人的總體方案布局2.1.1行走機(jī)構(gòu)車輪式的行走機(jī)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可以分為輪式行走機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)，足式行走機(jī)構(gòu)，以及其他方式等[5]。車輪式行走機(jī)構(gòu)具有移動平穩(wěn)，能耗小，以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了普遍的應(yīng)用。但這些優(yōu)點(diǎn)只有在平坦的路面上才能發(fā)揮出來它們的優(yōu)勢，社會生活中常見的輪式行走機(jī)構(gòu)主要是三輪式和四輪式兩種。三輪行走機(jī)構(gòu)具有最基本的穩(wěn)定性，但這種方式有明顯的一種缺陷就是移動方向的控制不容易掌握。比較常見的三輪式行走機(jī)構(gòu)有兩種，因?yàn)槿喰凶邫C(jī)構(gòu)都是一個前輪和兩個后輪這樣來配置，所以一種就是前輪作為驅(qū)動輪，后輪作為支撐輪，移動機(jī)器人的行駛完全依靠前輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和控制車速。另一種就是與上一種配置方式相比較，將后輪的安放位置與前輪互換，以后輪作為驅(qū)動輪，前輪作為支撐輪，采用兩個電機(jī)或者一個電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的行駛速度和差速轉(zhuǎn)彎。不過這樣的三輪配置方式經(jīng)不起時間的磨煉，隨著時間的推移，兩個驅(qū)動輪長期與地面磨損，將會導(dǎo)致兩個小輪的直徑大小不一，當(dāng)轉(zhuǎn)彎或者直線運(yùn)動時，運(yùn)行軌跡會產(chǎn)在一定的偏差。四輪行走機(jī)構(gòu)是生活中常見很普遍的一種方式，基本原理同三輪行走機(jī)構(gòu)類似，但在靜止?fàn)顟B(tài)下，小車的行走機(jī)構(gòu)會產(chǎn)生很大的阻力。履帶式行走機(jī)構(gòu)，相比于輪式行走機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)在某些場合中有很突出的優(yōu)勢，它能夠在凹凸不平的地面上行駛，也能夠攀爬一定高度的臺階，甚至能夠攀越一些障礙物，行走能力非常強(qiáng)，但這種機(jī)構(gòu)的機(jī)器人，沒有自位輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的存在，因此轉(zhuǎn)彎主要就靠兩條履帶之間的速度差來實(shí)現(xiàn)，所以對于轉(zhuǎn)彎半徑，這種履帶式行走機(jī)構(gòu)非常不容易確定。足式行走機(jī)器人，足式行走機(jī)構(gòu)是目前來說比較新穎的一種行走方式，人們通過模仿動物行走的方式發(fā)明出了這種行走機(jī)構(gòu)，正如動物一樣，它能夠跨越溝壑，攀爬臺階，越過障礙物，適應(yīng)性非常強(qiáng)。相比較前兩種行走機(jī)構(gòu)，這種方式控制起來并不容易，因此應(yīng)用較少。西方一些國家花費(fèi)巨資研發(fā)出了基于足式行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械狗，作為戰(zhàn)場上的搬運(yùn)兵，在復(fù)雜地形的環(huán)境中運(yùn)輸彈藥，食品或藥物等，被稱為“世界上最先進(jìn)適應(yīng)崎嶇地形的機(jī)器人”，利用價值巨大。2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)在工業(yè)機(jī)器人中，驅(qū)動系統(tǒng)是為執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其他運(yùn)動部件提供動力的裝置，通常驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)組成，驅(qū)動器與執(zhí)行部件之間連接傳動機(jī)構(gòu)，比較常見的是齒輪傳動，帶傳動，鏈傳動，諧波傳動等方式。驅(qū)動系統(tǒng)主要分為一下幾類：1.氣力驅(qū)動系統(tǒng)，氣力驅(qū)動系統(tǒng)主要有氣缸，氣閥，氣罐，空壓機(jī)等組成，通過壓縮空氣來給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力，優(yōu)點(diǎn)是空氣來源方便，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，防火防爆，動作迅速，漏氣對環(huán)境無影響，同時也存在于缺點(diǎn)，就是速度太快，不易控制，動作不平穩(wěn)，有沖擊，體積大，操作力太小等等[6]。起源壓力只有60MPa左右，主要適用于一些抓舉力小的場合。2.液壓驅(qū)動系統(tǒng)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)通常由液壓機(jī)，伺服閥，油泵，油箱等組成，通過壓縮機(jī)油來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，優(yōu)點(diǎn)是占用空間體積小，操作力大，傳動平穩(wěn)并且動作靈敏，耐沖擊，耐振動，防爆性好，相比較于氣力驅(qū)動，液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有大很多的抓舉能力，但工作的時候必須要求密封好，否則會出現(xiàn)漏油，卸壓這種問題，并且不適合高溫和低溫的工作環(huán)境。3.電力驅(qū)動系統(tǒng)，電力驅(qū)動系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多的一種驅(qū)動系統(tǒng)，常常因?yàn)槌杀镜土?，容易控制，傳輸處理方便等?yōu)勢被人們廣泛采用，同時電力驅(qū)動系統(tǒng)還有不會對環(huán)境造成污染，電源方便易取，驅(qū)動力大，驅(qū)動效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠采用多種靈活的方案，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠基本滿足人們生活中所需的驅(qū)動能力。常見的電力驅(qū)動電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，直流伺服電機(jī)驅(qū)動，以及交流伺服電機(jī)驅(qū)動等[7]。2.1.3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人小車完成日常工作任務(wù)的決策核心。通過控制終端，如電腦，手機(jī)，平板等工具利用無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)信號，然后控制系統(tǒng)就會處理和分析該信號，并通過各個串口將解析后的信號傳送到校園巡邏小車上的各個元器件上，這些元器件接收到指令后就會完成相應(yīng)的動作，從而使巡邏小車完成正常的工作任務(wù)。2.1.4傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng)是機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)中不可缺少的重要組成部分，在智能移動機(jī)器人中占據(jù)著機(jī)械之眼的稱號，是感知外部信息的關(guān)鍵元器件。按照傳感器的采集信息的位置，傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器是完成機(jī)器人運(yùn)動控制所必需的傳感器，用于采集機(jī)器人的內(nèi)部信息，能夠?qū)C(jī)器人的移動速度，加速度，位置等信息進(jìn)行采集，是機(jī)械內(nèi)部的重要的基本元件[8]。外部傳感器能夠?qū)χ車h(huán)境，物體運(yùn)動狀態(tài)等信息進(jìn)行采集，比如煙火，噪音，光線，氣體，溫度，濕度等等，所以根據(jù)采集的信息不同，可以分成視覺傳感器，溫度傳感器，力學(xué)傳感器，觸覺傳感器等等，多種多樣，從而使機(jī)器人對外部環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。2.2行走機(jī)構(gòu)的選擇本設(shè)計的機(jī)器人小車工作場合在人群很多的校園，考慮到多數(shù)校園地形平坦，道路寬敞，個別學(xué)校修建在山頂或丘陵地帶除外，本設(shè)計就采用輪式行走機(jī)構(gòu)。2.2.1驅(qū)動輪的選擇由于校園內(nèi)部經(jīng)常會錯綜夾雜一些羊腸小道，例如河邊走廊，水上亭子等建筑物。這種小路路面較窄，機(jī)器人行駛的時候常常會受到空間的限制。如果采用常見的橡膠輪輪子作為小車的行走元件，這種橡膠輪常常會因?yàn)檗D(zhuǎn)彎半徑過大而導(dǎo)致機(jī)器人無法完成正常的巡邏任務(wù)。所以在此設(shè)計中，將采用麥克納姆輪作為行走的元器件。在1973年，瑞典的麥克納姆輪公司的工程師們設(shè)計出了一種比較實(shí)用的設(shè)計方案，也就是我們?nèi)缃褚姷降柠溈思{姆輪。麥克納姆輪是一種新興的輪式結(jié)構(gòu)，它以能夠全向轉(zhuǎn)動的優(yōu)勢在社會中廣泛應(yīng)用。麥克納姆輪由輪轂和圍繞輪轂的輥?zhàn)咏M成，輥?zhàn)邮且环N沒有動力的從動小滾輪，麥克納姆輪的輥?zhàn)虞S線和輪轂軸線夾角是45度，并且有互為鏡像關(guān)系的AB輪兩種。麥克納姆輪的安裝方式有多種，常見的如下圖2-2所示。通過控制連接麥克納姆輪的電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使每個輪子的前進(jìn)方向不一樣，機(jī)器人小車就能實(shí)現(xiàn)全向移動，可以左移，右移，前進(jìn)，后退，斜向前進(jìn)或者以彎曲軌跡的形式前進(jìn)。因此整個機(jī)器人小車能夠?qū)崿F(xiàn)在任何方向上平移和旋轉(zhuǎn)。圖2-2麥克納姆輪的方位布局圖2.3驅(qū)動系統(tǒng)的選擇驅(qū)動系統(tǒng)通常有三類：電力驅(qū)動系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)以及氣動控制系統(tǒng)，考慮到小車體積不大，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)好控制，因此，本設(shè)計采用電力驅(qū)動的方式。電力驅(qū)動所用的電機(jī)通常有幾類，例如步進(jìn)電機(jī)，直流無刷電機(jī)，交流伺服電機(jī)等電機(jī)類型。1.步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說步進(jìn)電機(jī)功率因數(shù)高。運(yùn)行效率高，能夠發(fā)揮電機(jī)的優(yōu)秀性能。穩(wěn)定性好，這種電機(jī)，在結(jié)構(gòu)和性能上很穩(wěn)定，在保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時，還能穩(wěn)定的發(fā)揮自身的功能。轉(zhuǎn)速恒定，當(dāng)電機(jī)保持恒定轉(zhuǎn)速的同時，結(jié)構(gòu)性能方面非常穩(wěn)定的。不過步進(jìn)電機(jī)也有缺點(diǎn)，如果控制不當(dāng)時，就會發(fā)生共振，而且這種電機(jī)難以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，體積大，質(zhì)量大，能源利用率也很低，當(dāng)電機(jī)超過負(fù)載時甚至可能會產(chǎn)生振動和噪聲，輸出力矩也不高。2.直流電機(jī):相比于步進(jìn)電機(jī)，直流電機(jī)調(diào)速性能好，有良好的啟動特性和調(diào)速特性，可以輸出較大的轉(zhuǎn)矩[9]。負(fù)載能力強(qiáng)，抗電磁干擾等因素強(qiáng)，而且相對于交流電機(jī)，使用直流電機(jī)能夠節(jié)約能源，十分環(huán)保。不過直流電機(jī)制造成本貴，因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)有碳刷，并且結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障了后，維修起來很麻煩，不簡單。3.伺服電機(jī)：伺服電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)的一個進(jìn)階，它能夠很好的調(diào)整步進(jìn)電機(jī)失步的情況，而且轉(zhuǎn)速高，額定轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到兩千到三千轉(zhuǎn)，傳遞力矩大，過載能力強(qiáng)，相比于步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)的發(fā)熱和噪聲都有了明顯的改善。但是伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)要求很高，不易操作。綜上所述，本次電機(jī)的選擇就選用直流電機(jī)。第3章機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計及計算3.1直流電機(jī)的選擇及計算通過第二章驅(qū)動系統(tǒng)的介紹，本設(shè)計中電機(jī)的選擇為直流電機(jī)。1.小車受到的阻力計算電機(jī)是小車的心臟，驅(qū)動小車就必須有電機(jī)的存在，關(guān)于本次小車的設(shè)計參數(shù)，如表3-1顯示。表3-1小車設(shè)計參數(shù)設(shè)計要求設(shè)計參數(shù)擬定小車質(zhì)量30小車最大行駛速度0.6m小車最大加速度0.3m通常選擇電機(jī)需要知道電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)速，額定功率等。行駛過程中，小車的驅(qū)動力大小等于小車所克服的阻力大小，小車的總阻力F阻（1）滾動阻力Ff行駛過程中，根據(jù)麥克納姆輪外緣輪廓的小輥?zhàn)拥牟馁|(zhì)，可取小輥?zhàn)优c地面之間的滾動摩擦系數(shù)為0.02，根據(jù)公式F(3-1)式中，Q為小車車輪的承受載荷，為250N；f為滾動摩擦系數(shù)；可以得出

F（2）空氣阻力Fw因?yàn)樾≤嚨淖畲笮旭偹俣戎挥?.6mF(3-2)（3）坡度阻力Fr本設(shè)計針對的運(yùn)行環(huán)境是校園，校園中不免有很多地方不是平坦的路面，通常會有一些小小的坡度。所以，在一定角度的坡度上面，小車便會有沿著坡度方向向下的重力分量，這也將會是小車前進(jìn)方向上要克服的阻力。假設(shè)坡度大小為?，根據(jù)“國際自動導(dǎo)引車國標(biāo)”顯示：路面坡度（H/L）定義為100mm以上的范圍內(nèi)，路線水平高度差與長度的最大比值需要小于0.5(包含0.5),對于智能小車精確的停車點(diǎn)，路面坡度需要小于0.01(包含0.01因此可令坡度H(3-3)由公式F(3-4)式中，g取10m/可以得出

F（4）加速度阻力Fj小車由靜止?fàn)顟B(tài)加速到勻速行駛的過程中，會克服小車質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，這就是小車加速度阻力的來源。質(zhì)量又分成兩種，一種是小車的平移質(zhì)量，另一種是小車的轉(zhuǎn)動慣量。平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生慣性力矩[11]。通常計算時是將慣性力轉(zhuǎn)化成慣性力矩來計算的。根據(jù)加速度阻力公式：F(3-5)式中，δ為旋轉(zhuǎn)慣量系數(shù)，根據(jù)查表可知，δ取1.04；a為0.3m可以得出F(3-6)綜上所述，小車行駛過程中需要克服的阻力F(3-7)因此，總驅(qū)動力為F(3-8)2.電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率確定（1）電機(jī)的功率計算：根據(jù)公式P=(3-9)式中，n為電機(jī)數(shù)量，本設(shè)計中總共用了四個電機(jī)，可知n=4；η為電機(jī)到驅(qū)動輪的總效率，取η=0.85；可以得出

p=（2）電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計算：因?yàn)椴捎名溈思{姆輪四輪驅(qū)動，有四個電機(jī)，并且輪子小輥?zhàn)訑M圓直徑為140mm。根據(jù)公式T=(3-10)式中，ig為電機(jī)的減速比，取ig為1Rqη取0.97。可得

T=3.電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定電機(jī)轉(zhuǎn)速與小車的行駛速度，電機(jī)的減速比和輪子直徑相關(guān)。根據(jù)公式n=(3-11)式中，D為麥克納姆輪外圓直徑，為140mm；Vmax是小車的最大行駛速度，m可得

n4.驅(qū)動電機(jī)型號的選擇根據(jù)以上幾個節(jié)點(diǎn)的計算，可以大概得到小車驅(qū)動電機(jī)的額定功率，額定轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)速,分別是

p=T=n=根據(jù)上述數(shù)據(jù)，選擇型號為JGB37-3530GB偏心系列的直流有刷減速電機(jī)，并且在該電機(jī)尾部帶有全封閉式的編碼器，能夠測定電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)久耐用，具體參數(shù)見表3-2。表3-2JGB37-3530GB型號直流有刷減速電機(jī)參數(shù)工作電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率額定轉(zhuǎn)矩減速比額定電流24V1600r/min25w0.1712.50.9A該電機(jī)質(zhì)量小，轉(zhuǎn)速高，全金屬齒輪，噪聲小，力矩大，可調(diào)速，也可正反轉(zhuǎn)，維護(hù)簡單方便，滿足小車的驅(qū)動要求。3.2電機(jī)驅(qū)動的選擇根據(jù)上一小節(jié)的計算，選擇了滿足小車行駛要求的直流電機(jī)。根據(jù)電機(jī)參數(shù)，本設(shè)計選擇成都愛控電子科技有限公司的，型號為AQMD3610NS-A的直流有刷電機(jī)驅(qū)動器。采用的控制方法包括PWM點(diǎn)動調(diào)速控制和485通訊接口控制兩種方法。該電機(jī)驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕等優(yōu)秀特點(diǎn)。具有多重保護(hù)功能，安全穩(wěn)定可靠，完全可以兼容同類國際產(chǎn)品。該電機(jī)驅(qū)動器的輸入電壓的范圍為9~36V3.3電源的選擇由直流電機(jī)的性能參數(shù)中得出，電機(jī)的額定電壓為24V。本設(shè)計中采用深圳市睿品源貿(mào)易有限公司，型號為18650-7S5P/24V/15Ah的動力鋰電池組為巡邏機(jī)器人提供電能，如下圖3-1所示，此種型號的電池標(biāo)稱電壓為25.2V，充電溫度為0~45℃，標(biāo)稱容量為15Ah。整個電池重量為0.6kg，外殼是PVC等級，有短路保護(hù)，過充保護(hù)，過放保護(hù)，過流保護(hù)，溫度保護(hù)，12圖3-1鋰電池組由于耗電元件較多，兩組電池組總共只有四根充電線。為了給每個元件都供電，因此在小車底盤內(nèi)部，安裝了一個DC24V電源分線板，將兩個電池組的充電線分別插入電源分線板輸入端，然后通過多個輸出端口與各個元件接線，從而實(shí)現(xiàn)對每個元件都供電。本次電源分線板選擇的是深圳市華聯(lián)科創(chuàng)科技有限公司的型號為HL-PBB-2-16電源分線板，如下圖3-2所示，電源分線板有兩個輸入端，十六個輸出端，滿足本次設(shè)計要求。該電源分線板安裝方式分為導(dǎo)軌式安裝和面板式安裝，本次設(shè)計采用面板式安裝。圖3-2DC24V電源配線分配器第4章機(jī)器人的行走系統(tǒng)設(shè)計及計算4.1傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計麥克納姆輪與普通橡膠輪結(jié)構(gòu)不同。本設(shè)計的機(jī)器人小車中，麥克納姆輪由兩片輪轂以及六個小輥?zhàn)咏M成，小輥?zhàn)优c輪轂的軸心呈45°角圓周狀分布[12]在麥克納姆輪與電機(jī)的中間，考慮到驅(qū)動輪的特殊結(jié)構(gòu)，本設(shè)計采用鋁合金材質(zhì)的法蘭盤，法蘭表面經(jīng)過特殊處理，具有高靈敏度和高扭矩剛性。法蘭圓盤四周均勻分布四個圓孔，這四個圓孔與麥克納姆輪輪轂上的四個圓孔對齊。考慮到在小車行駛時，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，輪轂與法蘭盤之間的螺栓桿會存在剪切作用，因此圓孔之間采用鉸制孔用螺栓連接，可以承受較大的橫向載荷。孔和螺栓桿之間則采用基孔制過渡配合，這種連接能精確固定被連接件的相對位置，保證螺栓桿與孔壁之間沒有間隙，麥克納姆輪在運(yùn)動過程中就不會與電機(jī)軸發(fā)生相對位移。關(guān)于法蘭盤與電機(jī)軸的連接，由于電機(jī)軸軸徑太小，不足以采用鍵連接。因此，本設(shè)計中采用型面連接和連接銷的方式聯(lián)合固定。如下圖4-1所示。圖4-1連接結(jié)構(gòu)剖視圖型面連接主要用于法蘭盤的周向固定。在電機(jī)軸安裝法蘭盤的那一段做成一個平面，并在法蘭盤上與電機(jī)軸配合的地方做成相應(yīng)的平面，這樣，電機(jī)軸與法蘭盤之間就能保證不會在周向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時為了保證不出現(xiàn)軸向移動，在法蘭盤與電機(jī)軸之間加工一個孔，插入圓柱銷，使圓柱銷與電機(jī)軸和法蘭盤之間過盈配合，起到軸向固定的作用。4.2輪轂上螺栓組連接的設(shè)計4.2.1螺栓組結(jié)構(gòu)的設(shè)計由上一節(jié)傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計中知道，麥克納姆輪輪轂與法蘭盤之間因?yàn)槭艿郊羟械淖饔?，因此采用鉸制孔用螺栓連接。采用如下圖4-2所示的結(jié)構(gòu)，螺栓數(shù)z=4圖4-2輪轂上螺紋孔布置圖4.2.2螺栓受力分析由式(3-8)可知，小車的總驅(qū)動力為98.2N，即麥克納姆輪的承受的總載荷為98.2N，因此，每個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩為：T=(4-1)式中，Rqη為總的傳動效率，取0.98。由于螺栓均勻分布，且與輪轂的中心距離都相等，因此每個螺栓承受的剪力都相同，為F=(4-2)式中，r為鉸制孔用螺栓軸心到輪轂中心的距離，25mm；T為每個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩，N?可得

F=假設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)目為z，則其平衡條件為

由此可得預(yù)緊力F0F(4-3)式中，f為接合摩擦系數(shù)，參見《機(jī)械設(shè)計》書中表5-5；i為接合面數(shù)，i=2Ks為防滑系數(shù)，K將Ks=1.3，F(xiàn)=17.5N4.2.3螺栓直徑的確定根據(jù)螺栓危險截面的拉伸強(qiáng)度條件，σ(4-4)式中，F(xiàn)0[σ]為螺紋連接件的許用拉應(yīng)力，Mpd1螺紋連接件的許用拉引力與載荷性質(zhì)，裝配情況以及螺紋連接的材料，結(jié)構(gòu)尺寸等因素有關(guān)，螺紋連接件的許用拉應(yīng)力按照下列方式可以確定：σ(4-5)式中，σs為螺紋連接件材料的屈服極限，參見《機(jī)械設(shè)計》中表5-10，取σs為安全系數(shù)，參見《機(jī)械設(shè)計》中表5-10，取s=2.5可得

σ將式(4-5)代入式(4-4)中，則d查《機(jī)械設(shè)計手冊》，按照六角頭加強(qiáng)桿螺栓標(biāo)準(zhǔn)(GB/T27-2013)，考慮到規(guī)格參數(shù)，取螺栓大徑d04.2.4螺栓與連接件之間的強(qiáng)度校核因?yàn)椴捎勉q制孔用螺栓連接，孔和螺栓桿之間過渡配合。因此，在螺栓桿與孔壁之間，接觸表面受擠壓；在連接接合面處，螺栓桿則受剪切。所以，要按照擠壓和剪切強(qiáng)度計算。計算時，假設(shè)螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的，而且這種連接預(yù)緊力很小，所以不用考慮預(yù)緊力和螺紋摩擦力矩的影響[13]。1.擠壓強(qiáng)度的計算與校核螺栓桿與孔壁之間的擠壓強(qiáng)度條件為σ(4-6)式中，σp為許用擠壓應(yīng)力，MPLmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm，設(shè)計時應(yīng)使Lmin≥1.25可得

σ螺紋連接件的許用擠壓應(yīng)力σpσ(4-7)式中，σs為螺紋連接件材料的屈服極限，參見《機(jī)械設(shè)計》書中表5-8，取240sp為安全系數(shù)，參見《機(jī)械設(shè)計》書中表5-10，取1.25可得

σ聯(lián)合式(4-6)和式(4-7)，得

σ因此，連接面接合端不會壓碎，滿足擠壓強(qiáng)度要求。2.螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件計算螺栓桿剪切強(qiáng)度條件為:τ(4-8)式中，[τ]為螺栓強(qiáng)度的許用切應(yīng)力，MPa可得

τ螺栓連接件的許用切應(yīng)力為：τ(4-9)式中，σs為螺紋連接件的屈服極限，參見《機(jī)械設(shè)計》書中表5-8，取240MPSτ為安全系數(shù)，取2.5可得

τ因此，

τ滿足剪切強(qiáng)度要求。4.3連接銷的選型連接銷可以用來連接，傳遞不大的載荷。本設(shè)計中采用的是圓柱銷，與連接件過渡配合，型號為Q5210220，直徑為2mm，長度為20mm，表面無毛刺和使用缺陷。4.3.1連接銷的強(qiáng)度校核計算1.剪切強(qiáng)度的校核計算根據(jù)剪切強(qiáng)度條件：τ(4-10)式中，T為電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩，N.m;??為電機(jī)軸軸徑，mm；??為圓柱銷直徑，mm；L為圓柱銷長度，mm；τ為切應(yīng)力，Mp可得

τ根據(jù)銷的材料查表，對于銷的常用材料許用切應(yīng)力τ=80MPa滿足剪切強(qiáng)度要求。2.擠壓強(qiáng)度的校核計算根據(jù)擠壓強(qiáng)度條件：σ(4-11)式中，T，D，d，L式（3-10）上一致?？傻?/p>

σ因?yàn)殡姍C(jī)軸與法蘭盤之間不發(fā)生相對運(yùn)動，屬于靜連接，但會受到輕微沖擊。通過查《機(jī)械設(shè)計》一書中表6-2，可得許用擠壓應(yīng)力

σ可以得出，

σ因此，滿足擠壓強(qiáng)度要求。第5章機(jī)器人控制系統(tǒng)元件的選型5.1控制系統(tǒng)的組成校園巡邏機(jī)器人是一種特殊的服務(wù)型移動機(jī)器人，為了使巡邏機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主轉(zhuǎn)向和自主導(dǎo)航的功能[14]。因此本設(shè)計中的控制系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)包含著兩個子系統(tǒng)：一個是電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，另一個是自動導(dǎo)航系統(tǒng)。這兩個子系統(tǒng)之間屬于交叉的關(guān)系，相輔相成，通過這兩個子系統(tǒng)的組合，就能實(shí)現(xiàn)巡邏機(jī)器人小車的自主巡邏功能。電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。當(dāng)巡邏機(jī)器人小車行駛時，控制終端通過安裝在小車上的無線通訊模塊將信息發(fā)送到底盤內(nèi)部的中央處理單元上，無線通訊模塊與中央處理單元之間采用USB接口實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，中央處理單元將接收到的信息進(jìn)行分析和處理，轉(zhuǎn)化成PWM信號，再通過CAN總線將PWM信號發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動器上，電機(jī)驅(qū)動器接收到信號后完成對電機(jī)的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)等操作。直流電機(jī)的尾部裝有霍爾編碼器，可以對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，并且將電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)轉(zhuǎn)化成電信號，反饋給中央處理單元，中央處理單元可以根據(jù)情況再對電機(jī)的運(yùn)作進(jìn)行調(diào)整。自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)。為了使小車能夠在行駛過程中自主避障，順利行走，控制系統(tǒng)就要通過圖像采集單元搜集到的環(huán)境信息對小車的方位進(jìn)行控制。本次設(shè)計的圖像采集單元包括智能云臺，激光傳感器。在小車行駛的過程中，智能云臺對周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時圖片拍攝，所拍攝到的圖片信息經(jīng)過處理后通過CAN總線將電信號發(fā)送給中央處理單元，中央處理單元分析該信號后，如果發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，中央處理單元就會發(fā)出指令給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)就會做出相應(yīng)的調(diào)整避開障礙物。智能云臺也可以將拍攝到的圖片信息傳送給車載錄像機(jī)處理，然后車載錄像機(jī)通過云臺上自帶的無線網(wǎng)絡(luò)模塊將圖片傳輸給控制終端，以此可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控的功能。5.2中央處理器的選型對于中央處理器的選擇，考慮到后續(xù)可能會有新的元器件的加入，因此應(yīng)當(dāng)備有多余的接口。本次設(shè)計選用平衡小車之家的基于高性能ARM處理器的ATM32F103C8T6的中央處理器，此種類型的中央處理器接口豐富，多達(dá)十六個輸入通道，并且運(yùn)算速度快，可靠性好。該處理器的工作電壓范圍是2.0V~3.6V，因此需要配備專門的電源供電，維持該處理器的正常工作。中央處理器如下圖5-1所示圖5-1中央處理器STM32F103C8T65.3控制系統(tǒng)電源的選擇由于選擇的中央處理器的正常工作電壓是2.0V~3.6V，小車底盤內(nèi)部的電池組供電電壓為24V，兩者相差太大，超過了相應(yīng)降壓器的降壓限度。因此，要配備專門的電源給控制系統(tǒng)供電。本次設(shè)計選擇2個德力普的7號充電鋰電池，如下圖5-2所示，該電池供電電壓為1.5V，將這兩個鋰電池串聯(lián)起來就能實(shí)現(xiàn)給中央處理單元供電。圖5-2德力普7號充電鋰電池第6章機(jī)器人的功能元件選型6.1自主導(dǎo)航功能移動機(jī)器人的智能技術(shù)最重要的基礎(chǔ)要求就是要具備智能導(dǎo)航，智能導(dǎo)航需要利用機(jī)器人本體攜帶的傳感器來獲取外部信息，然后將信息上傳給上位機(jī)，上位機(jī)算法將所有信息處理后實(shí)現(xiàn)對障礙物的規(guī)避和自主運(yùn)動[15]。而智能導(dǎo)航有個基本要求就是需要避障。目前，避障的傳感技術(shù)有幾種，分別是視覺技術(shù)傳感器，超聲波技術(shù)傳感器，激光技術(shù)傳感器，紅外線技術(shù)傳感器等等，都屬于非接觸式安全避障傳感器。視覺傳感器技術(shù)，這種技術(shù)要求需要幾個其他傳感器配合使用，獲取的圖片信息需要通過處理器處理，從而得到環(huán)境中物體的速度，形狀，大小等信息。是較早應(yīng)用于機(jī)器人身上的一種導(dǎo)航技術(shù)，應(yīng)用比較普遍，視覺導(dǎo)航技術(shù)能夠提供豐富的導(dǎo)航信息，價格低廉，并且安裝維修方便。但是視覺傳感技術(shù)因?yàn)橐幚韴D片信息，因而具有延時性，所以實(shí)時性效果差，對處理器的要求也很高。并且容易受環(huán)境的影響，比如光線，當(dāng)環(huán)境中的光線昏暗時或者處于夜晚的時段時，視覺傳感技術(shù)將會受到極大的影響甚至是不能使用，這就無法幫助巡邏機(jī)器人完成正常的巡檢任務(wù)。而且當(dāng)視覺傳感器遭受不明物體部分遮擋時，比如樹葉，紙巾等物品，機(jī)器人的視覺功能也將會受限。超聲波傳感技術(shù)，超聲波傳感技術(shù)的原理是測出開始發(fā)生超聲波到檢測到超聲波的時間，根據(jù)時間飛行原理，可以測出傳感器到物體的距離是多少。不過這種檢測方式隨著空氣的溫度和濕度影響。激光傳感技術(shù)，激光測距原理與無線電雷達(dá)相同，激光傳感器對外界目標(biāo)體不斷發(fā)射脈沖，然后測量它的返回時間，然后再乘以光的速度，就可以測出距離。激光的單向性和方向性精度非常高，這使得激光測距儀得到了人們的重視，被廣泛的應(yīng)用。但是激光的光束發(fā)射到透明或者半透明的物體上時，根據(jù)光的折射原理，部分光束就會被折射出去，反射回來的光束就只有一部分，激光傳感器就會收到相對微弱的信號，導(dǎo)致測量距離就會受到影響。紅外線傳感技術(shù)，紅外測距技術(shù)都是基于三角測距原理，測距儀按照一定的角度將光線發(fā)射出去，然后根據(jù)光的反射原理，接收器就能檢測到反射回來的光線。不過這種方法容易受環(huán)境的影響，物體的形狀和大小，顏色，周圍的光線等都會成為干擾因素。綜合比對，本設(shè)計選擇激光傳感器。通過研究，選擇興頌機(jī)器人的SE-0535型號激光傳感器。它可以利用激光進(jìn)行二維掃描，從而獲取環(huán)境輪廓圖形，通過軟件配置設(shè)定保護(hù)區(qū)域范圍，一旦發(fā)現(xiàn)有不明物體進(jìn)入該范圍，傳感器就會有輸出端口輸出信號，上位機(jī)檢測到了后就會做出判斷和處理，幫助小車順利運(yùn)行。它的檢測范圍最大是5米，掃描范圍270度，角度分辨率為0.1°，工作電壓為10~36V，能夠識別任何形狀的物體。SE-0535型號激光傳感器有64個檢測通道，最多可以設(shè)置64個不同感應(yīng)范圍，如圖6-1所示，當(dāng)小車行駛到位置A時，傳感器使用通道1設(shè)置的范圍檢測；當(dāng)小車行駛到位置B時，由于環(huán)境的變換導(dǎo)致使用通道1的檢測范圍不能使小車順利通過，則切換到感應(yīng)范圍小一點(diǎn)的通道2圖6-1激光傳感器感應(yīng)范圍檢測由于傳感器的光斑呈錐形發(fā)散狀發(fā)射，按照要求，安裝高度要大于或者等于200mm。如圖6-2所示。圖6-2傳感器安裝高度要求6.2視覺攝像功能如果將激光傳感器比作機(jī)器人的手，那么視覺攝像將是機(jī)器人的眼睛。在巡邏機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的時候，通過視覺攝像拍攝沿途的環(huán)境圖片，再通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)將圖片傳送給監(jiān)控人員，監(jiān)控人員可以根據(jù)有無緊急情況的產(chǎn)生而做出行動?？梢娨曈X攝像功能對于一輛巡邏機(jī)器人的重要性。通過比對，本次設(shè)計的視覺攝像裝置采用深圳市守望者安防電子有限公司的SE-MC8480型號的4G車載云臺一體機(jī)，如圖6-3所示。SE-MC8480型號云臺執(zhí)行任務(wù)時能夠?qū)崿F(xiàn)360°全方位旋轉(zhuǎn)，并且，該智能云臺能夠俯仰180°。因此，在三維空間內(nèi)，該智能云臺能夠?qū)崿F(xiàn)任何角度，方位的監(jiān)控。云臺上有兩個攝像頭，一個是高清攝像頭，用于白天實(shí)景拍攝；一個是紅外攝像頭，紅外攝像距離為圖6-3守望者智能云臺6.3無線通訊功能無線通訊模塊是連接小車中央處理器與控制終端的橋梁，它既能夠使控制終端發(fā)出的信息輸入到小車的控制系統(tǒng)，也能夠?qū)⒅悄苄≤嚨倪\(yùn)行參數(shù)輸出到控制終端。本次設(shè)計選用的是深圳市中鼎泰克電子有限公司的，型號為DRF2657C的無線通訊模塊。該模塊的輸入電壓為DC5~28V，采用的是USB接口供電。當(dāng)該通訊模塊外接天線后，傳輸?shù)淖畲缶嚯x可高達(dá)1600米，使得遠(yuǎn)距離傳輸信息變得容易方便。6.4報警功能報警器，作為公共場合的重要危險警示元件，在生活中十分常見，商場，大型超市，大型建筑樓宇，辦公樓等公共場所都非常容易見到。對于校園巡邏機(jī)器人，本設(shè)計采用的是杭州天冠科技有限公司的TGSG-150型號聲光報警器，工作電壓24V，光源類型為LED燈。安裝時通過底部的螺栓與機(jī)器人外殼上的燈座固定，結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便。這種報警器可以同時發(fā)出聲，光二種報警信息。當(dāng)危險來臨時，監(jiān)控人員從電腦終端接收信息，然后可以通過無線遙控技術(shù)對放置在機(jī)器人內(nèi)部的主機(jī)發(fā)送指令，主機(jī)隨后輸出信號來控制聲光報警器，使其發(fā)出聲，光警報，完成報警目的；也可以和手動報警按鈕同時使用，達(dá)到簡單的報警目的。從而提醒周圍人員有危險靠近，以此來保障公共安全。該型號報警器殼體采用全不銹鋼材質(zhì)，因此抗沖擊抗壓能力強(qiáng)，配備高清LED燈管，內(nèi)置超強(qiáng)音效蜂鳴器，工作狀態(tài)十分穩(wěn)定，具有使用壽命長，不用擔(dān)心水，污染物的干擾的特點(diǎn)。

第7章機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計7.1底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計小車的底盤采用的是全包圍式結(jié)構(gòu)，所有元器件都安裝在底盤內(nèi)部，在