張軍 孫梓豪 衛(wèi)藝冉

摘 要：根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)器人在無(wú)人監(jiān)督狀態(tài)下的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了基于OpenCV3函數(shù)庫(kù)對(duì)圖像識(shí)別傳感器采集的環(huán)境信息進(jìn)行處理和分析，通過(guò)將數(shù)據(jù)結(jié)果傳遞給STM32F1做出決策，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與機(jī)械臂的狀態(tài)，從而對(duì)周圍環(huán)境做出應(yīng)答，提高變電站巡檢作業(yè)和設(shè)備管理水平。

關(guān)鍵詞：OpenCV3;STM32F1;機(jī)器人;變電站巡檢

0 ? 引言

在當(dāng)今時(shí)代，智能化與自動(dòng)化越來(lái)越普及。變電站通過(guò)對(duì)電壓的高低壓變換，成為全國(guó)電力系統(tǒng)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)，為減少人為事故，變電站的自動(dòng)化變得更加緊迫。通過(guò)引用機(jī)器人提高巡檢作業(yè)和設(shè)備管理水平，保障了無(wú)人值守變電站等電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，促進(jìn)變電站更好地適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展[1-3]。

1 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用微控制器進(jìn)行控制，控制器與超聲波的模塊進(jìn)行通信，從而判斷外部環(huán)境，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由機(jī)器人自主做出相應(yīng)的動(dòng)作解決問(wèn)題[4-5]。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。具體而言：（1）機(jī)器人整體采用履帶小車的結(jié)構(gòu)。相同重量的履帶式小車牽引力是輪式小車的1.4～1.8倍;履帶式小車有較強(qiáng)的通過(guò)性與爬坡能力，在防側(cè)翻與滑坡地帶行駛有良好的穩(wěn)定性，在道路不平、土質(zhì)松軟、惡劣的天氣條件下都具有通用性。（2）機(jī)器人的主控芯片采用STM32F103ZET，屬于32位ARM微控制器，內(nèi)核位Cortex-m3。此芯片工作頻率最高可達(dá)72 MHz，有8個(gè)定時(shí)器，2個(gè)18 M/s的SPI接口，2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口，是現(xiàn)在被廣泛使用的一款低功耗芯片。（3）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊主要采用直流減速電機(jī)、超聲波模塊。由電機(jī)帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，超聲波檢測(cè)與周圍障礙物的距離，防止機(jī)器人碰撞損壞。（4）機(jī)器人的環(huán)境視頻與紅外視頻的傳輸主要用的nrf24l01無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。（5）機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)由4個(gè)舵機(jī)構(gòu)成。通過(guò)主控芯片，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)水平方向與垂直方向180°轉(zhuǎn)動(dòng);其末端的機(jī)械爪可以幫助機(jī)器人清理行進(jìn)過(guò)程中遇到的障礙物。

2 系統(tǒng)框圖

本機(jī)器人系統(tǒng)主要分為控制系統(tǒng)、紅外視頻傳輸系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)3個(gè)部分。系統(tǒng)框如圖2所示。

（1）機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由STM32微控制單元構(gòu)成。通過(guò)輸出PWM波形的占空比控制電機(jī)與舵機(jī)運(yùn)動(dòng);判斷超聲波返回來(lái)的距離值，控制小車的合理運(yùn)動(dòng);向紅外傳輸區(qū)域發(fā)送初始化信息，進(jìn)而啟動(dòng)紅外傳輸區(qū)域工作?？刂葡到y(tǒng)還可以接受上位機(jī)的信息，能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控處理。

（2）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊主要采用直流減速電機(jī)、超聲波模塊，由電機(jī)帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，超聲波檢測(cè)與周圍障礙物距離，防止機(jī)器人碰撞損壞。

（3）紅外視頻傳輸區(qū)域，由攝像頭OV2640與紅外成像模塊AMG8833進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊nrf24l01處理采集到的數(shù)據(jù)，最后發(fā)送到上位機(jī)。

（4）機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)由4個(gè)舵機(jī)構(gòu)成。通過(guò)主控芯片，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)水平方向與垂直方向180°轉(zhuǎn)動(dòng)，其末端的機(jī)械爪可以幫助機(jī)器人清理行進(jìn)過(guò)程中遇到的障礙物。

（5）電路原理如圖3所示。在硬件電路中，除了模塊接口外，主要用到了光耦隔離。光耦隔離電路的目的是使被隔離的兩部分電路之間沒(méi)有電的直接連接，一般常用于低壓的控制電路與外部高壓電路之間。在本電路中主要是用于隔離驅(qū)動(dòng)電機(jī)的+12 V對(duì)電路的不良影響。

3 機(jī)器人平臺(tái)的搭建

機(jī)器人平臺(tái)為履帶車型[6-7]，其搭建過(guò)程如下：（1）機(jī)器人框架：車身主體采用2 mm鋁合金板;履帶采尺寸為4×75 cm，材料為塑料制黑色;由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶，并且還有4個(gè)承重輪，保證履帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）電機(jī)：選用33GB-520直流減速電機(jī)，扭矩大而且安全可靠，電機(jī)額定電壓為DC12 V，空載電流為100 mA。（3）電源：選用一塊4000 mA的H鋰電池，最大放大電流4 A。（4）電路板：將各個(gè)模塊集成在一塊電路板上，電路板上采用光耦隔離，避免信號(hào)間的相互干擾，通過(guò)PCB繪制電路板。（5）上位機(jī)：由LCD顯示屏通過(guò)無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成，用于和機(jī)器人通信，顯示屏則用于顯示傳輸過(guò)來(lái)的視頻與紅外圖像。

機(jī)器人整體運(yùn)行實(shí)驗(yàn)：由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，機(jī)器人只能在模擬變電站空間場(chǎng)地進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

4 紅外視頻傳輸模塊的開(kāi)發(fā)

機(jī)器人的紅外視頻傳輸是機(jī)器人的主要功能，可以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離將采集到的視頻通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送給上位機(jī)，只要登錄上位機(jī)，就可以觀測(cè)機(jī)器人狀態(tài)、變電站環(huán)境變化，以便能夠隨時(shí)應(yīng)對(duì)一些突發(fā)的變故。

在綜合考慮視頻采集的清晰度、紅外視頻的數(shù)據(jù)量與無(wú)線傳輸模塊一次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的前提下，完成軟件總體設(shè)計(jì)程序流程（見(jiàn)圖4）。

當(dāng)整個(gè)機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)，紅外視頻傳輸模塊得到供電，經(jīng)過(guò)STM32對(duì)OV2640模塊和AMG8833模塊進(jìn)行初始化。初始化后，兩個(gè)模塊開(kāi)始工作，OV2640模塊采集視頻，AMG8833模塊采集紅外成像，由于采集到的兩個(gè)數(shù)據(jù)量較大，需進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)nrf24l01無(wú)線傳輸模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)可以根據(jù)得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的活動(dòng)軌跡。

5 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊

機(jī)器人由兩個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)控制器處理得到的距離信息，控制機(jī)器人無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)。

對(duì)控制器+5 V供電，初始化超聲波模塊，超聲波模塊發(fā)送超聲波，碰到障礙物反射，接收器接收超聲波。將得到的距離數(shù)值返回給STM32控制器，由控制器判斷障礙物所處位置，進(jìn)而控制STM32輸出PWM波形占空比，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)器人左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和后退。

機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為L(zhǎng)298N，該模塊屬于H橋集成電路，輸出的電流一般為2 A，最高時(shí)可以達(dá)到4 A。L298N預(yù)留有接口，可以與單片機(jī)直接通信。當(dāng)準(zhǔn)備驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，通過(guò)連接步進(jìn)電機(jī)信號(hào)線，進(jìn)而輸出不同的高低電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)模塊流程圖如圖5所示。

機(jī)器人有兩個(gè)超聲波模塊分布在機(jī)器人的前端，時(shí)刻不停地檢測(cè)機(jī)器人前方的環(huán)境狀況，控制器不停地接受超聲波返回的數(shù)據(jù)，不停地與預(yù)設(shè)值比較，控制機(jī)器人行走。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊整體架構(gòu)如圖6所示。

6 機(jī)械臂控制系統(tǒng)

機(jī)器人的機(jī)械臂由3個(gè)舵機(jī)和1個(gè)機(jī)械爪組成，使機(jī)械臂能夠靈活的抓取周圍的障礙物，為小車開(kāi)辟道路。

機(jī)械臂由主控芯片控制，芯片產(chǎn)生PWM信號(hào)進(jìn)行舵機(jī)角度的控制，PWM信號(hào)以20 ms為一個(gè)周期，通過(guò)改變時(shí)間調(diào)整脈沖控制舵機(jī)的角度。主控芯片控制舵機(jī)聯(lián)動(dòng)，由上位機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊傳給STM32控制器，控制芯片經(jīng)過(guò)舵機(jī)的傳送信號(hào)接口，舵機(jī)控制電路對(duì)收到的信號(hào)做出計(jì)算反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)不僅會(huì)帶動(dòng)舵機(jī)輸出軸的輸出力矩，也會(huì)同時(shí)帶動(dòng)電位器。舵機(jī)中的電位器相當(dāng)于一個(gè)位置傳感器，當(dāng)電位器阻值轉(zhuǎn)到信號(hào)所要求的阻值，電路控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

7 機(jī)器人電源系統(tǒng)

機(jī)器人整體采用+12 V鋰電池作為機(jī)器人的外接電源。2個(gè)直流電機(jī)由+12 V供電，為機(jī)器人行走提供足夠的功率。鋰電池經(jīng)過(guò)78L05穩(wěn)壓芯片輸出+5 V的穩(wěn)定電壓為STM32控制芯片供電。

8 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目機(jī)器人在模擬的變電站場(chǎng)景下運(yùn)行良好，能夠流暢地按照規(guī)定的路線運(yùn)動(dòng)，在U形彎道和S形彎道，調(diào)節(jié)小車電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，可以流暢地轉(zhuǎn)彎。在有障礙物的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，機(jī)器人通過(guò)超聲波模塊避免與障礙物的碰撞，調(diào)節(jié)機(jī)器人與障礙物之間的距離，通過(guò)機(jī)械臂移動(dòng)障礙物使機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。小車通過(guò)攝像頭采集周圍環(huán)境視頻，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸模塊，將視頻傳到上位機(jī)。但經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，視頻傳輸速率過(guò)慢，幀數(shù)過(guò)低，且機(jī)器人的攝像頭采集易受外部光線的影響，導(dǎo)致采集的圖像曝光過(guò)于嚴(yán)重。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸容易受到外部環(huán)境影響，此類問(wèn)題還有待優(yōu)化。

[參考文獻(xiàn)]

[1]梁麗勤，王巖，張寶健.基于Freescale單片機(jī)的智能賽車設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010（6）：114-116。

[2]馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]王海波，馮蓉珍，司俊，等.基于PWM調(diào)速的智能小車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].科技廣場(chǎng)，2011（5）：145.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[5]陳宗梅.模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2015.

[6]劉季秋，胡立夫，于晗，等.基于Open CV的快遞分揀機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2021（1）：80-81.

[7]王勇，陳薈西.基于機(jī)器視覺(jué)與單片機(jī)結(jié)合的機(jī)械臂抓取系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021（1）：78-84.

（編輯 何 琳）