智能化机器人设计说明书

#2.2行走方案选择2.2.1履带式履带行走装置由行走架、引导轮、履带张紧装置、托链轮、支重轮、履带总成以及驱动轮等组成，左右两条履带包绕在上述4种轮子之外，由张紧装置张紧，直接与地面接触如图2-3所示。驱动轮驱动履带绕四种轮子转动，不直接在地面上滚动。导向轮是张紧履带，并引导它正确卷绕。若干个支重轮在履带轨面上滚动，传递垂直载荷给履带。托链轮支持着履带的上半边，使之不下垂，并可减小其上下振动。上述四种轮子和张紧装置，除驱动轮外都集装在一个轮架（即台车架，也称履带架）上，从而形成一个台车。每辆履带车辆都有左、右两个台车。整车重量通过台车架、支重轮传给下方履带，使下方履带紧压在地面上。当驱动轮被最终传动齿轮（从动齿轮）带动时，轮齿拉动履带，地面立即产生作用在履带上的反作用力，使台车架相对地面产生向前或向后的运动，整车也就随之运动。图2-3履带式行走2.2.2轮胎式轮式在硬质路面的机动性非常好，速度更快；而且轮式底盘也更轻，对路面的承重要求相对较低。轮式车也大多轻便，非常灵活；另外，轮式车的地盘多为向地锥形，可以分散底盘下的冲击力，加上大多数轮式车的轮轴结构隐蔽在车内，两项加起来，一定程度上减少了轮轴受损的可能。但轮式在软质地面上对地面压强太大，非常容易陷车，而且不能承载厚重的装甲板。但是我们的信息采集车是太阳能驱动的全自动采集车，没有过重的装备要承担。相比之下我们选择了轮胎式。研究的智能数据信息采集车比较独特。建立了六个车轮的线性二自由度数学模型如图2-4通过数学计算的方法分析了该车辆的操纵稳定特性，对车辆的稳态响应进行了数值分析。另外还应用虚拟现实技术对信息采集车建立了多体系统动力学仿真模型，并在此基础上模拟分析了该车的操纵动力学特性，包括稳态转向特性试验及双移线试验。它在非道路条件下具有较强的动力性、通过性和良好的机动性能。它车身小，质量轻，适合在雪地、山地、沼泽、水淹地、泥泞地及沙地等非道路地形条件下使用。要保持车辆行驶的稳定性，使采集车直道稳定、弯道转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾和前轮外倾。采集车的布局以精简、可靠、稳定为前提。电路底板采用万通板搭建，放置于车前部。编码器安装于车最后。通过调整布局，基本上使车重心维持在中心偏后处。2.3智能数据信息采集车基本结构车载设备采取加固和固定措施，并具备快速拆装、整车美观的特点。车载设安装不破坏原车车体及设备结构，同时车辆改装后需符合有关车辆的安全技术标准，确保车辆的车速、转弯半径、爬坡度、制动距离、越壕宽度、接近角、离去角、涉水深度等技术指标应与原载车的相应指标相同或接近。保证车辆行驶的安全性和稳定性。信息采集车的主体采用越野型尖峰车型，硬件设备安装于车顶和车前；车顶从前到后依次安装通信天线、雷达装置、主取景器。车前有太阳能收集装置收集整个车所需的动力能源，车前取景器能够上下转动可以更大范围收集前方的信息。智能信息采集车以STC12C5A60S2单片机为控制核心，具有光电循迹检测、超声波避障、电机驱动等主要功能。首先，两组电机（同侧两个电机为一组）分别控制左右4个车轮，通过调节两组电机的转速及转动时间，达到采集车正常行驶及转向的目的。车头的红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制车行走路线，防止超出边界线。与此同时通过超声波模块，检测前方是否有障碍，并且将信息反馈给单片机，控制采集车减速，防止出现撞车。钻井数据获取装置

收集地下信息如图2-5。增加了智能信息采集车的信息获取渠道，体现智能信息采集车的独特功能。图2-5地下信息收集车顶所有设备的线缆都放置在采集车主体的车厢内，所有改动及安装不需在原车身上打孔，不破坏原车涂镀，不破坏原车的结构。此方案的特点：顶部设备、车载专用横向太阳能板、设备安装平台、便携式设备主机等都可分离，便于在紧急状态下便携式设备站的搭建与撤收。同时方便设备平台及便携式设备主机设备的检测与维修；满足日常工作和战时应急的需求。整体如图2-6所示2.4智能数据采集车的工作原理控制系统收到指令后智能数据信息采集车开始工作，当前取景器检测并分析出前方的状况时如果没有障碍继续前进；有障碍时，采集车停车五秒，让采集车的金属探测模块和寻黑带导行模块停止工作，同时开启行走避障模块和寻光模块，当采集车向前行走时，遇到障物（硬件设制前端离障碍物5厘米时，表示遇到了障碍物），向左转90°；而如则边传感得到遇障信号（硬件高制则边离障碍物3厘米时，表示遇到障碍物），这时向别一边偏转一小段，然后再向发现障碍则偏传一小段，这两次偏转要求偏转角度相同。采集车偏转方法用降低遇障另边车轮速度。要实现偏转角度相同，用单片机记录跑程计数是否相等来实现。车内的辅助系统做出判别，控制车身往左或往右直到可以通过如图2-7。如此构成了智能信息采集车的运动循环。幵始经过反复考虑论证，制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松地实现采集车保持坐标不变打转90度甚至180度。在安装时我们力求保证两个驱动电机同轴。当采集车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点支撑结构，这种结构使得车子在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而引发左右两驱动轮驱动力不足的情况。后万向轮同时还起到了防止车子重心偏移的作用。前轮亦为驱动轮，其决定信息采集车能否灵活拐弯的关键部分。这辆信息采集车与一般的车不同，不是靠摆舵来控制转弯，而是靠左右后轮速度差来实现转弯控制。小车的两前轮是靠舵机进行驱动的。通过两路PWM波实现对其的控制。只要调整PWM波的占空比即可控制舵机的转速。当采集车左轮的速度高于右轮时，采集车右转弯；反之，当车右轮的速度高于左轮时，采集车左转弯。车后轮属从动轮，质地较硬，其与地面磨擦力较小，与其动力相比可以忽略不记。所以它可以自由偏移，而不影响采集车的转向。智能信息采集车的信息收集装置主取景器和前取景器工作把收集的数据进行处理分析，通过雷达和通信天线传输发送到达指定终端。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能够接收到反射回来的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作的寻迹传感器能够满足要求。图2-8信息传送智能信息采集车的功能与特点3.1智能信息采集车的功能周围空间信息自动采集。在智能信息采集车中主取景器处于顶端，它将被摄物体的光图像转变为电信号，为系统提供信号源，因此它是系统中最重要的设备之一。前端的前取景器用于获取前方区域地图像。两个取景器的核心是摄像机，它是光电信号转换的主体设备，是整个系统的眼睛。把系统所检测的目标，即把被摄物体的光、声信号变成电信号，然后送入系统的传输分配部分进行传送。前头的钻井设备要有土壤获取分析、归类成分、呈现结构等信息的采集。智能信息采集车以计算机信息技术为基础，通过遥传、遥测、遥控技术实现深层勘探钻井技术的自动化和智能化。成像测井解释勘探技术可以对深层土壤的复杂地质空间以及深层物质储层的非均质性等进行科学的分析，该技术可以充分实现对土壤情况的精细评价，并能根据评价结果有效结合地质特点分析其各方面方面的资料，系统建立成像模式，根据成像模式来科学分析要勘探的深层土地的特征和状况,进而有效提高深层土壤的勘探效率。尤其对石油开采具有非常重要的价值,在深土勘测中大幅度提高效率。检测当前地理位置。智能信息采集车拥有自主式导航定位功能，利用了导航的惯性原理，利用距离传感器、方向传感器等传感器测量运动载体的位移和航向信息，由此解算出移动载体的位置。存储收集的信息和空间数据传输。信息的储存是信息系统的重要方面，如果没有信息储存，就不能充分利用已收集、加工所得信息，同时还要耗资、耗人、耗物来组织信息的重新收集、加工。有了信息储存，就可以保证随用随取，为单位信息的多功能利用创造条件，从而大大降低了费用。智能信息采集车使用虚拟存储技术实现存储管理的自动化与智能化。有了信息存储要实现信息的效用与价值就必须要有信息传送功能。智能信息采集车把收集的信息处理后通过数据通道传送发散出去，然后有接收中心接收利用。智能信息采集车是一种能够在外空星球表面行驶并完成外星表面探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。这也是智能信息采集车的外空信息采集的一个独特功能。如图3-1图3-1外空信息收集3.2智能信息采集车的特点智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，智能信息采集车可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。智能数据采集车可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预。因此，智能数据采集车具有再编程的特性，是机器人的一种。六轮设计，平衡度和稳定性比较好，可以在山地行走。智能数据采集车上装有高效率太阳能电池板来提供电能。智能信息采集车基本是全智能化无需人工驾驶可以自动避过障碍物。智能信息采集车采用自主反应式智能系统，是一种应用广泛的控制系统，对电路的分析和验证工作依靠智能化来完成，效率高。智能信息采集车采用了多传感器信息融合的基本原理，就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程。所以智能信息采集车具有许多性能上的优点：增加了系统的生存能力；减少了信息的模糊性；扩展了采集数据覆盖范围；增加了可信度；改善了探测性能；提高了空间的分辨力；改善了系统的可靠性；信息的低成本性；它可以作为救援和森林防火一个协助的工具；可以作为军事装备；可以成为沙滩、森林、沙漠的智能探测工具。如图3-2图3-2复杂地行驶智能信息采集车的设计思路4.1基本工作思路本智能信息采集车有中央信息处理核心，附加外围取景器，将取景器采集到的环境信息进行综合判别和处理，并通过速度传感器获得当前信息采集车速度，然后发出指令给电机驱动器，通过车模的组装、传感器的选择与安装、系统电路板的设计与安装、控制算法的设计与调试，从而实现采集车自动识别行驶轨迹，并根据轨迹实现自动加速、减速和左右转向等功能。在获取和处理采集车自身行走的信息的同时，取景器收集的外界环境信息、土壤采集器采集的土地信息都通过传输通道传送给接收装置。4.2动力选择思路4.2.1采用步进电机作为该系统的驱动电机用步进电机作为该系统的驱动电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现采集车前进路程和位置的精确定位。虽然有诸多优点，但是步进电机的输出力矩较低，特别是会随着转速的升高而下降，甚至在较高转速下力矩会急剧下降，不适用于对采集车等有一定速度要求的系统。4.2.2采用直流减速电机直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部构造采用高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮箱，可以产生较大扭力。经综合比较考虑采用直流减速电机。电机驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率比较高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。4.3设计后的调整部分调整主要涉及到智能信息采集车底盘高度、车重心位置、后轮距、减震器、齿轮咬合、差速器等。具体调整如下：1）底盘高度调整：底盘高度可以影响重心。适当降低底盘高度可以使采集车重心降低，有利于过弯稳定。实际调整可以通过调整前轮高度、后轮轴高度调节块等方式来调节。2）重心位置：重心位置同样影响采集车性能。重心过前，增加转向阻力，引起转向迟滞。另外，如果车速很快的情况下，上下坡道的时候会造成前轮首先着地，很可能造成采集车意外事故。重心过后，则会使车前轮抓地不足，造成过弯非常不稳定。实际调整以重心在电池处为准，保持各部分重量均衡。3）后轮距调整：后轮距可以通过换装后轮宽度调整块来调整。合适的后轮宽度会是采集车直线性能和弯道性能更优，利于车稳定。4）减震器弹簧强度调整：坡道时候，减震器影响显得尤为突出。采集车平面行驶时，无垂直方向速度，遇到坡道时候，车会瞬间在垂直方向上出现一个速度，此时减震器在耦合车前部和车后部时候会出现一个缓冲区，增加坡道稳定性。下坡时候则是垂直方向上的速度瞬间减小为0,减震器的作用亦如上坡。实际调整中，通过加装弹簧调节块来调整。5）齿轮咬合调整：调整齿轮咬合，以不松动，无卡滞，松紧合适为准。另外还要保证齿轮间咬合有足够的接触面积。6）差速器调整：差速器调整能够提咼车入弯速度，提咼弯道性能。差速器调整可以通过右后轮轮轴上面的螺丝。注意调整过松,会严重影响直道加速性能；调整过紧则会使差速器处于无效状态。差速器滚珠处可以适当添加润滑剂，保证差速器平滑。总结与展望在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用智能信息采集车来完成。而智能信息采集车在复杂地形中彳丁进时自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。因此，自动避障系统的研发就应运而生。我们的智能信息采集车就是基于这一系统开发而成的。随着科技的发展，对于未知空间和人类所不能直接到达的地域的探索逐步成为热门，这就使智能信息采集车有了重大的意义。智能信息采集车可以作为地域探索和紧急抢险。相信在不久的将来智能信息采集车一定会用在更大的空间领域，对未来空间站的建设起到中流砥柱的作用。在现代化社会中智能信息采集车因其独特的性能优点，实现地面、空中为一体的立体化自动信息采集系统，同时，它抗污染更强，安装更为方面，生产成本更低，在现代信息采集中被普遍使用，但到目前为止，智能信息采集车的研制和开发，虽取得了一些进展，但造价相当昂贵，因此，此项技术的改进势在必行。通过现在对采集车的研究，它不仅能单独的实现寻迹和避障功能，而且可将两者有效的结合起来，不过还需要对它的机械结构做一定的修改，使其运行起来更加稳定，转弯也更灵活。电路的成熟化需要我们在实验中进一步加以改进，在采集车的制作上，在传感器的安装上，如果能有更好的改进的话，可以让小车走的更加平稳。但是硬件已基