智能抢险救灾履带式机器人

1、摘 要智能抢险救灾履带式机器人是一种具有可变形的多履带的机器人平台。它集成了机械工程、电子技术、智能控制、计算机科学等多学科领域先进研究成果，可应用于诸如地震、火灾等灾害的救援，能为决策指挥者提供包括现场实时视频、现场环境温湿度以及是否有生命迹象等信息。本论文研究工作的目的是设计具有高通过性的、能携带多种救援设备的、具有可变形履带的智能机器人。该机器人采用模块化设计，便于根据不同任务添加不同配置，而且易于维修和保养。本设计采用了具有减震设计的可变形履带双车体结构，提高了机器人在复杂路况中的可通过能力。CAN(Controller Area Network)总线和多传感器信息融合技术的应用使得机

2、器人具有高度的自主决策能力，可在人员不便到达或者远程遥控不起作用的环境中提供重要帮助。本论文通过分析国内外经典的设计方案，从机器人的运动原理、运动结构、智能控制和功能分析等几个方面展开研究。机器人的设计过程是，先利用机械工程原理设计出机器人移动底盘，然后在此基础上通过CAN总线，利用多传感器信息融合技术把分布在机器人车体各处的传感器连接起来，实现智能控制。关键词：可变形； 模块化； 智能控制； CAN总线； 信息融合ABSTRACTIntelligent emergency rescue and disaster relief caterpillar robot is one kind has

3、 the variability of the robot platform caterpillar. It integrates mechanical engineering, electronic technology, intelligent control, computer science science field advanced research achievements, can be used in applications such as earthquake and fire disaster rescue, can provide real-time field co

4、mmanders decision-making include video, the environment temperature and humidity and whether any sign of life and other information. This paper studies the purpose of the work is designed with high through the ability, carries a rescue equipment, has the variability of the crawler intelligent robot.

5、 The robot using modular design, facilitate according to different tasks adding different configuration, and easy to repair and maintenance. The design USES a earthquake-reduction design can double car body structure deformation crawler, improve the robot in the complex of the road by ability. CAN b

6、us and the multi-sensor information fusion technology application makes robot are highly autonomous decision-making ability, CAN be in personnel arrive or inconvenience remote-guided doesnt work environment to provide important help.This thesis analyzes the classic design at home and abroad, from th

7、e movement principle, movement structure, intelligent control and functional analysis of several aspects. The design process of the robot is that,first use the mechanical engineering principle to design the robot move chassis, and then based on this through the CAN bus, using multi-sensor informatio

8、n fusion technology in the distribution of robot body sensors everywhere,realizing intelligent control.Keywords: variability; modular; intelligent control; CAN bus; information fusion 目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1.绪论11.1课题研究背景和意义11.1.1课题研究背景11.1.2 课题研究意义11.2国内外研究综述11.2.1 国内研究概况11.2.2 国外研究概况21. 3 本文主要研究内容

9、42.智能履带式机器人的行走结构设计方案62.1典型行走机构分析62.2智能履带式机器人行走结构102.2.1 机器人运动原理102.2.2 机器人运动状态分析102.2.3 机器人性能指标分析113.机器人行走控制系统设计143.1总体设计方案143.1.1 行走结构控制设计143.1.2 机器人模块化控制系统173.2机器人传动系统设计263.2.1行走驱动方案设计263.2.2履带变形方案设计283.3 机器人驱动功率分析313.3.1 机器人行驶阻力计算313.3.2 机器人电机及其驱动模块324.智能移动机器人关键技术334.1 多传感器信息融合技术334.2 传感器技术394.3

10、无线技术424.4 智能移动机器人技术在本设计中的具体应用435.抢险救灾机器人功能分析445.1机器人在抢险救灾中的应用分析445.1.1机器人在抢险救灾中的应用研究445.1.2典型的机器人在抢救援中的具体应用分析485.2机器人搭载的抢险救灾仪器分析495.3 本设计搭载设备分析506.总结与展望516.1 总结516.2 展望51致 谢53参考文献54附录57IV1.绪论1.1课题研究背景和意义1.1.1课题研究背景在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间用于在倒塌的废墟中援救幸存者。实际经验表明，超过48小时后被困在

11、废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。由于灾难现场情况复杂，在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进人现场开展救援工作的，此外，废墟中形成的狭小空阀使得救人员甚至搜救犬也无法进入。在这种紧急而危险的环境下，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的研究课题。救灾机器人可以在灾难发生后第一时间进人灾难现场寻找幸存者，对被困人员提供基本的医疗救助服务，进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。在近期发生的地震，泥石流，煤矿安全事故，火灾，化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧等灾难的救援中中，机器人正

12、在发挥越来越大的作用。1.1.2 课题研究意义为了满足救援的工作需要，国内外很多研究机构开展了大量的研究工作，可在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出来。为了能更好的进行抢险救灾工作，通过对近些年国内外出现的各种救灾机器人的研究，以及在实际中的使用情况的了解，结合最新的机器人救灾技术，开发出一款具有高度智能化的多功能的抢险救灾履带式机器人。1.2国内外研究综述1.2.1 国内研究概况我国的机器人研究相对开始较晚。先后经历了上世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化。我国大约有30家左右的高等院校和研究院所在从事各类机器人的研究工作

13、，在40多年来，已在机器人的感觉识别，操作、移动技术，人机接口技术，智能化技术等方面取得了可喜的成就。部分科研成果，如工业装配、焊接、喷涂，搬运、探伤、水下作业、过程测量机器人已进入实用阶段，某些控制、传动元器件的产品技术已接近国际先进水平。对灾难救援而言，在消防机器人研究方面已经取得了显著的成绩。2002年6月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海消防局三家单位共同承担的国家863项目“履带式、轮式消防灭火机器人”研制成功并顺利通过国家验收。在863计划资助下,中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，开发了蛇形机器人样机，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业

14、。由沈阳自动化所和广州卫富公司承担的“危险作业机器人”课题，成功研制出能完成反恐、防暴等综合任务的“危险作业机器人”产品样机；沈阳自动化研究所最近研制出的基于复合机构的非结构环境移动机器人，它能够在高低不平、障碍物和楼梯等复杂多变的环境中使用，适用于探测、排查、搬运、消防和销毁等危险作业。2005年9月l2日，“中日救援及安全机器人技术研究中心”在沈阳揭牌成立，该中心由中国科学院沈阳自动化研究所与日本国际灾难救援系统研究院合作成立，旨在实现强强联合，推动机器人技术在灾难救援中的应用。2009年5月，中科院沈阳自动化所机器人学国家重点实验室与中国地震应急搜救中心联合研制的40kg级旋翼飞行机器人

15、公开亮相，该机器人成功完成自主起飞、空中悬停、航迹点跟踪飞行、超低空信息获取、自主降落等科目，实现了对地震废墟区域的快速信息获取与实时影像回传。2009年12月沈阳新松机器人公司研制出了国内首台具有生命探测功能的井下探测救援机器人。该机器人上的拾音器可以捡拾呼救声音，红外热成像仪可以探测到人体，机器人还可以配载食品、水、急救包等物品。在国家的大力扶持以及各院校和相关企业的共同努力下，目前国内对救灾机器人的研究开发不断产生新成果，为我国的抢险救灾事业贡献着重要的力量。1.2.2 国外研究概况近年来，特别是“9.11”事件以后，世界上许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种反恐防爆机器人、灾难救

16、援机器人等危险作业机器人用于灾难的防护和救援。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。在2005年6月份日本神户召开的IEEE安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE SSRR05)上，会议的主旨定为：“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分”。日本作为一个多核能、多地震国家，在救援机器人方面开展了相对全面的工作。自1995年阪神地震发生后10多年间，日本在灾难救援防护方面已经形成了完备的国家体系。特别是从2002年开始，日本文化科学部确立了“大都市大震灾减灾特别计划”的研究计划，以大幅度减小人

17、、物的灾害损失为目的，研究地展防灾对策的理论科学和基本技术，进一步开发在地震中使用的救援机器人。该计划采纳了共多项建议，项目为期10年。参加者包括大学、公司和国立研究所，研发内容包括用于观察灾难环境的机器人系统、传感技术、人类接口技术和系统集成。川崎市为该项目建立了公用试验场地，并建立了国际救援系统研究所。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM”， “GENBU”与“SORYU”等多系列救援机器人样机。日本东京工业大学的 KAMEGAWA等提出一种新的救援机器人平台，该机器人由多节履带车连接而成，能够

18、进入狭窄的空间，相邻单元之间由主动自由度关节连接或随动自由度关节连接，所以具有很好的越障能力和地面适应能力。在日本京都大学，OSUKA等研制出一种四节四面履带救援机器人“MOIRA”，该机器人采用电动机同时驱动四周履带，使得它在废墟中有很好的穿梭能力和抗倾翻能力。日本独立行政法人消防研究所天野久德等，研制出的四周履带结构能够舒张的变形机器人CUBIC一R”，在收缩状态下可以变成一个立方体形状,在伸张情况下可以变成多种模式。日本电气通信大学松野文俊研究室研制出的信息搜集用机器人“MA一1”。冈山大学大学院自然学研究科永谷圭司等研制出的不平整地面移动救援机器人“RESDOG”，它底部的履带支撑为多

19、个从动三角形辊架，具有较好的灵活性以适应地形。日本神户大学高森年等UMRS研制的服田献眼系列机器人，旨在将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。在日本，一些大公司也介入了救援机器人的研究和开发，他们通常采用与研究所或和大学进行合作的形式进行研究，一方面企业为研究所提供必要的研究资金和试验场地，同时企业还为研究成果的产品化提供通往市场的桥梁。美国是较早进行机器人研究的国家之一，在机器人救援方面也是应用较早的国家。在9.11事件之后，开始日益重视抢险救灾机器人。Inuktun公司的Micro Traces体积小，质量轻，十分适用于救援作业；Foster-Miller公司的Talon、SOLEM和Urbo

20、t具有很好的传感和承载能力，且速度快。SOLEM被用于废墟堆中的作业，Talon和Urbot被用于建筑物的内部检测。在美国，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心MURPHY等研制出安装有医学传感器的救援机器人Bujold底部采用可变形履带驱动具有较高的运动和探测能力，同时机器人能够在灾难现场获取幸存者的生理信息和环境信息，并将其传送到外界。加利福尼亚工业大学HELMICK等研制出的多传感器救援机器人，该种机构结构简单易控，具有快速爬楼梯的能力。南加利福尼亚大学SHEN 等研制出的一种模块化可重构的救援机器人CONRO，它可以根

21、据灾难现场环境的需要重组成蛇形、六足形及环行等多种构形。灾难救援机器人的研究同样得到其他国家的重视。意大利罗马大学系统科学与工程学院人工智能实验室启动了“救援工程”。加拿大国防部从国防安全的角度制定了救援机器人研究计划，英国、伊朗等国也涌现了许多救援机器人研究者和救援机器人比赛的参与者，他们从机构、传感、控制和仿真等多个角度对救援机器人进行研究。1. 3 本文主要研究内容本设计主要研究具有高通过能力的能搭载多种设备的智能机器人平台，通过搭载各种救援设备实现复杂环境下的抢险救灾工作。一、本论文设计的机器人具有的特点：(1) 机器人采用双车体结构，通过一个能实现二维相对运动的连接装置连接起来，对于

22、复杂路况具有较高的通过能力。(2) 机器人车体采用模块化设计，方便维修和拆装。行走机构由四个相同的履带块驱动，每一个履带块均由三个履带轮、两个驱动电机、一个变形电机、一条履带以及其他零件组成。(3) 采用了可变形履带设计。机器人通过履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境。二、论文主要研究内容：(1) 分析国内外典型的机器人行走机构；(2) 本文设计的智能机器人行走机构设计方案机器人运动原理分析；机器人运动状态分析；机器人性能指标分析；(3) 机器人行走控制系统设计总体方案设计；机器人传动系统设计；机器人驱动功率分析。(4) 介绍智能移动机器人关键技术多传感器信息融合技术；智能控制技术；无线

23、技术；智能；移动机器人技术在本设计中的具体应用。(5) 抢险救灾机器人功能分析机器人在抢险救灾中的应用分析；机器人搭载的抢险救灾设备分析；救援设备在本设计中的应用。912.智能履带式机器人的行走结构设计方案2.1典型行走机构分析 机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。1轮式行走机构轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。其结构组成简单、重量轻、摩擦阻力小，机械效率高，该结构存在着一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面(如沼泽、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采

24、用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如采用不同种类的款式轮胎以提高其越野能力，象沙漠车辆、山地车辆等。2履带式行走机构履带式移动机器人能够很好地适应地面的变化，因此对履带式移动机器人的研究得以蓬勃发展。(1) 履带式移动机器人具有以下特点： 支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，越野机动性能好。转向半径极小，可以实现原地转向。履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。具有良好的自复位和越障能力，带有履带臂的机器人还可以像腿式机器人一样实现行走。(2) 履带式行走机构分析从20世纪80年代起，国外就对小型履带式机器人展开了系统的研究，

25、比较有影响的一下几种：美国的Packbot机器人（如图1-1）、URBOT、NUGV和talon机器人。此外，英国研制的Supper wheelbarrow排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的AZIMUT机器人、日本的Helios VII机器人都属于履带式机器人。我国对履带式机器人的研究也取得了一定的成果，如沈阳自动化研究所研制的CLIMBER机器人、北京理工大学研制的四履腿机器人、北京航空航天大学研制的可重构履腿机器人等。综合分析国内外所研究的履带式移动机器人，大致可以分为：单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式、多节轮履复合式以及自重构式移动机器人。图1-1 美国iRobot公司Pack

26、Bot机器人 单节双履带式移动机器“剑”移动机器人是由美国福斯特-米勒公司和奎蒂克公司(QinetiQ)共同研制且用于武器观测、侦察和目标捕获的特种机器人系统。由美国白特尔公司(Battelle)开发的ROCOMP机动平台，主要用于运输军用物资，可上下楼梯和斜坡，能通过窄小房间和过道，采用无线电进行控制或者沿计算机预编程路线进行行驶，行驶中能自动避开障碍。英国30多年前就研制了一种叫做“独轮手推车”(Wheelbarrow)的排爆机器人(如图1-2)。英国皇家武器装备研究与发展院研制的手推车MK8遥控车是世界上有名的排爆机器人。此外，德国Telerob公司生产的MV4系列机器人也是单节双履带式

27、。北京京金吾高科技公司开发的Jw902(第5代)排爆机器人属国家科技部863计划项目。Jw902机器人的主要功能是抓取，它优于国内外同类的各种机器人。图1-2 英国的“独轮手推车”(Wheelbarrow)的排爆机器人双节双履带式移动机器人国外开发的多为双节双履带式移动机器人，因为此种移动机器人与单节式相比较，越障功能更优。目前上海大学正在研制的关节式履带爬梯机器人就是属于这种结构。美国福斯特-米勒公司开发的履带式“鹰爪”无人作战平台，最初设计用途是为了排除复杂、简易爆炸物，其重量不超过45k，其遥控距离达l000m，目前该型机器人已在伊拉克和阿富汗执行了20000多次任务。多节多履带式移动机

28、器人采用多节多履带式结构的机器入越障能力更强，但是其价格也较高，控制也更复杂。由我国自行生产的“灵蜥一B”型排爆机器人(如图1-3)，利用三段履带式设计，装置行走、机械手、云台3个摄像头，最大行走速度30ms，能抓取15公斤重物，爬行400斜坡和楼梯，越过40cm高的障碍和50cm宽的壕沟，自带电源可连续工作4小时。美国Vecan公司日前准备研发新一代战场救援机器人VecnaBEAR。科学家们已经对其构造进行了初步设计：上身采用液压伸缩装置，底部使用履带式驱动系统，添加动力平衡技术。在最近的一次电脑模拟演示中，VecnaBEAR成功地托起一个普通人重量的虚拟士兵而没有跌倒。目前研究人员正在开发

29、VecnaBEAR的履带装置。图1-3 中国的“灵蜥一B”型排爆机器人多节轮履复合式移动机器人轮履复合式一般为3节，其中间为轮式，两端为履带臂。采用此种结构形式，既可以充分发挥轮式的快速性，又可以突出履带式良好的地面适应性。目前国内外也正在积极开发该种机器人。像YMaeda等的多功能机器人、Andros系列机器人、以及中科院沈阳自动化所研制的CLIMBER。美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的惟一的机器人。最新设计的MiniAndrosII机器人配置了活节履带及轮盘底盘，最大触及距离达

30、2m。机器人采用模块化设计，能够快速拆装，更换不同工具。机身小巧，可以在大型机械人不能达到的区域进行操作。“变形金刚”是美国为战时营救行动量身定做的机器人。该机器人安装有液压驱动的双臂，可以举起重180kg的重物，依靠滑轮、轨道和关节系统还可以做出各种动作，它甚至可以弯腰爬上陡峭山坡，还可以紧贴地面行动。中科院光电所研制的超小型排爆机器人目前已经研制成功，该机器人具有2个机械臂(一大一小)，可以同时上下夹取物体，此外，机械臂还可以进行翻转。自重构式移动机器人1994年，斯坦福大学的Mark Yim在他的博士论文中提出了一种模块化可重组机器人的设计思想，并仿真实现了机器人的多种重组结构，以及多种

31、不同的运动步态。由于模块化可重组机器人具有灵活的物理结构及良好的环境适应能力、生存能力，国外很多机构开始着手这方面的研究。山东科技大学提出的一种可变形履带机器人，主要由1个躯体部分、4个折叠臂、4个履带体所组成，其中每一个履带体都通过一个折叠臂和机器人的躯体相联。该机器人共有12个自由度，其中有8个转动关节驱动和4个履带驱动。该机器人不怕翻滚，越障、爬坡能力更强，可以翻越相对更大(或更高)的高墙或沟壑，甚至可以在泥泞与沼泽地中行走。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的模块化可重构履带式微小型机器人，单个机器人可以独立运行，多个机器人可以重构成链型和环形机器人。该微小型机器人结构紧凑、体积小、重量轻

32、。采用两位微控制器和PC机两级控制体系，两级间采用蓝牙通讯。该机器人的链型重构具有较强的越障能力，能爬越楼梯；环形机器人具有速度较高及路面适应能力强的特点。3腿式行走机构腿式机器人有更强的地形适应能力，其有以下特点：第一，腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，轮式和履带式机器人的则是一条条连续的轨迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而腿式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小。第二，腿式机器人的腿部具有多个自由度，

33、使运动的灵活性太大增强，它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置，因此不易翻倒，稳定性更高。第三，腿式机器人的身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于，机器人的身体可以平稳地运动而不必考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。当机器人需要携带科学仪器和工具工作时，首先将腿部固定，然后精确控制身体在三维空间中的运动，就可以达到对对象进行操作的目的了。4混合式行走机构混合式行走机构由轮履、轮腿等。5仿生行走机构最典型的仿生行走机构是蛇形机器人。蛇形机器人具有稳定性好、 横截面小、 柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为

34、行走工具的机器人难以做到的。2.2智能履带式机器人行走结构2.2.1 机器人运动原理智能抢险救灾履带式机器人采用双车体设计，两个车体之间采用柔性连接，且能相对运动，地形适应能力更强，每一个车体均可搭载多种设备，可以完成较复杂的救援任务。车体和履带块之间采用减震弹簧，提高了机器人通行的稳定性。一般状态下，机器人履带成锐角三角形状态，能通过较狭窄的环境，在通过障碍物时，机器人根据各种传感器获取的信息，由控制单元发出变形的信号，履带会根据不同情况变成不同形状的钝角三角形，能顺利通过一般较小的障碍物。机器人行走机构由四个相同的履带块构成，每一个履带块由两个大扭矩电机驱动，提供机器人行走所需动力。一个大

35、扭矩电机为履带变形提供动力，由于履带的长度已定并且两个驱动轮是固定的，所以为了保持履带的张紧成不基本相同，履带变形时摆臂的长度需要不断变化中，经过计算，摆臂的顶端的运动轨迹是一个椭圆弧，因此在摆臂转动的同时，也需要沿径向变化长度。2.2.2 机器人运动状态分析机器人在不同的路况和环境中的运动状态有以下两种情况：(1) 路况比较平坦或者空间比较狭窄机器人的履带是呈锐角三角形状态，方便通过狭窄空间。由于采用了双车结构，对于一般的障碍物具有较强的通过能力。(2) 有障碍物存在且需要翻越时在有障碍物存在时，机器人需要根据所获取的信息，确定履带变形的尺度。如在攀爬楼梯时，由于不同的楼梯台阶高度不同，机器

36、人根据传感器获取的台阶高度等信息，确定摆臂的位置。本机器人的运动转向有下面几种情况：(1) 直线运动四个履带块同时向前或者向后转动，实现机器人在一般环境中的直线运动，这是移动机器人常用的运动状态。(2) 原地360度转动位于同一侧的两个履带块转动方向相同，两侧的与运动方向相反，可实现机器人原地360度转动，适合狭窄空间的转向运动。(3) 小半径转弯位于同一侧的两个履带块转向方向相同，另一侧的不转动，可实现向某一方向的小半径转弯，适合一般情况。2.2.3 机器人性能指标分析表2-1便携式履带机器人外形尺寸长宽高800mmx700mmx300mm履带轮直径100mm履带宽100mm车底距离地面10

37、0mm摆臂长200mm履带机器人在设计时为减轻重量，履带轮采用铝合金材料，其余零部件也大多采用铝合金材料，设计完成后机器人外形尺寸如表2-1所示。能达到的性能指标如表2-2所示。表2-2便携式履带机器人性能指标机器人重量40Kg左右最大负载能力25Kg左右外形尺寸800mmx700mmx300mm平均速度1ms最大速度1.5ms基本控制方式远距离无线操作控制可供选择的控制方式自动或半自动方式特点地形适应能力强Packbot机器人性能指标如表2-3所示。表2-3 Packbot机器人性能参数指标机器人重量189Kg最大负重11Kg行进方式采用履带行进，差速转向潜水深度3m承受冲击能力3m高度左右

38、的掉落冲击平均速度22ms最大速度36ms外形尺寸685mmX406mmX 178mm车体主件材料铝合金电源自带可快速拆装的锂电池组，可以连续供电3h基本控制方式远距离无线操作控制可供选择的控制方式自动或半自动方式：通讯模式无线电通讯通讯范围1200fl(350m左右)特点适用于各种战场环境，具有全天候作战能力arflon机器人性能指标如2-4所示。表2-4 Talon机器人性能参数指标外形尺寸863mmX 571mmX 280mm机器人重量39 Kg有效载荷136Kg行进方式采用履带行进，差速转向最大速度21 ms最大爬坡斜度能爬45度的斜坡潜水能力潜水深达305m遥控方式无线遥控电源自带可

39、快速拆装的锂电池组，可以连续供电14h加载设备多传感器和多摄像头特点适应各种地形，具有全天侯作战能力3.机器人行走控制系统设计3.1总体设计方案3.1.1 行走结构控制设计机器人的控制方式有多种不同的分类方法。下面主要从控制系统结构和控制过程有无人参与这两个角度介绍机器人的控制技术。根据控制系统的总体结构，机器人的控制方式可分为三种类型：集中式控制、集中式控制主从式控制和分布式控制。(1) 集中式控制集中式控制是用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。这种控制方式结构简单，易于实现，且比较经济；但控制过程中需要许多计算（如坐标变换），因此控制速度较慢。集中式控制只适用于功能比较单一，作业方式不

40、太复杂的机器人。(2) 主从式控制主从式控制由两级计算机组成，如图3-1所示。一级计算机为主机，主要负责系统管理、机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把计算结果作为关节运动的增量值送到公共内存，共二级计算机读取；二级计算机为丛集，主要负责完成全部关节位置数字控制，并把各关节实际位置送回到公共内存中，供主机使用。公共内存是有双口RAM或普通静态RAM加上总线控制逻辑电路组成。终端示教盒键盘外存一级计算机公共内存二级计算机驱动单元机器人反馈单元图3-1 主从式控制系统结构主从式控制功能分散，控制速度明显要比集中式控制的速度快。但是，这种控制结构的主从

41、机总线之间基本没有联系，仅通过公共内存交换数据，因此采用更多的计算机进一步分散功能是很困难大的。(3) 分布式控制分布式控制是为了进一步实现功能分散而采用的一种控制结构。上一级主控计算机负责整个系统的管理、坐标变换和轨迹插补运算等；下一级由多个微处理器组成，每个微处理器承担固定的职责，他们并行地完成控制任务，因而提高了计算速度和处理能力。分布式结构式开放型的，可以根据需要添加更多的处理器，以满足传感器处理、通信等功能需要。这种结构功能较强、速度快、但结构比较复杂、成本较高，比较适用于功能较多、自主能力较强、作业方式复杂的救援机器人。根据控制过程有无人参与，机器人的控制方式可以分为人工控制、监督

42、控制和自主控制三种类型。(1) 人工控制人工控制，也称为直接控制，是指操作者向机器人直接发送基本动作指令完成远程任务，而机器人反馈信息则作为操作者下一步控制的依据。在人工控制下，机器人不具有任何自主能力，系统结构简单，易于实现；但是，人工控制中的机器人的任何动作都需要操作者的直接监控才能完成，因此远程交互的信息量非常大，对操作人员的技术、经验和远程通信（有线或无线）设备的性能都有较高的要求，机器人完成复杂的任务的效率很低。人工控制只适用于比较低端的，功能单一且操作简单的救援机器人。(2) 监督控制监督控制最早由Ferrell和Sheridan于1967年在美国月球车计划中明确提出。监督控制的定

43、义（由Sheridan给出）：一个或多个操作者间断编程且连续不断地从计算机接收消息，计算机利用传感器和驱动器控制进程或任务环境，复杂闭环回路。监督控制包含两种执行方式：交互式控制和共享控制。交互式控制是指操作者先执行一部分工作，然后让机器人自主地执行另一部分的工作；共享控制是指操作者处于远程遥控状态，机器人处于自主状态，二者同时执行任务。实际上，监督控制又可称为半自主控制。它要求机器人本身具有一定的规划、组织和适应能力，同时能接受远程操作人员的指令及辅助信息，并将机器人的状态和环境信息反馈给操作者。监督控制中的操作者只是发送一个活一组目标指令、指令参数和相关环境或模型数据给机器人，具体任务由远

44、程机器人自主完成，当遇到无法处理的情况是才由远端操作者介入，因此实时性、稳定性更高。监督控制是目前智能机器比较普遍使用的一种控制方式。 (3) 自主控制自主控制是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制等多功能为一体的智能控制系统。其环境感知是通过多种传感器对环境进行探测并对信息进行数据融合，从而获得更加准确的外部信息，系统的核心控制器根据传感器信息融合的数据对机器人的运动进行自主规划和导航。在自主控制下，操作者不参与机器人作业任务过程的任何控制。人的智能被忽略，机器人的意识和行为完全实现自主。图3-2所示为采用模块化、分布式结构设计的自主移动机器人平台硬件系统。目前，该平台尚处于实验室阶段，

45、其自主能力还十分有限。本设计采用的是如图3-2所示的自主控制加局部人工遥控干预的控制模式。机器人通过自身携带的传感器和救援仪器设备进行搜救工作，并把声音和视频信息发送到后方操作人员的控制端，实时接收和显示。双目立体视觉接触传感器1接触传感器16红外传感器1红外传感器16超声波传感器16超声波传感器1超声波测距控制及驱动电路接触传感器控制及驱动电路红外测距控制及驱 动电路CAN通讯接口视频采集卡车载嵌入式PC蓝牙模块喇叭话筒CAN通讯接口左轮电机驱动器左轮直流电机左轮电机编码器右轮电机编码器右轮直流电机右轮电机驱动器电机控制模块图3-2 自主移动机器人平台硬件系统3.1.2 机器人模块化控制系统

46、(1) 电机控制模块本电机控制模块采用L298为核心的驱动板（如图3-3）。图3-3 L298电机控制模块电路板参数 ： 电机驱动电压 ： 5 - 46 V 逻辑控制电压 ： 3 - 7 V 负载电流 ： 4 A 独立驱动直流电机 ：2只 可驱动步进电机 （ 4线制 ） ：1只电路板尺寸 ： 50 .8mm*58.4mm 电路板介绍 ：L298电机驱动板，可以驱动两个直流电机，本设计中，每一路L298输出引出了两个并联的端口，以便控制四轮的小车，左右两边的电机并联运行的。本驱动板，也可以控制D42步进 机，四线制的步进电机。 图3-4是电路板接线图。图3-4电路板接线图电机电压输入：这里接电机

47、驱动电压。逻辑电压输入：这里接芯片的工作电压，也是信号的参考电压，建议5V。电压选择：当在电机电压输入时，即采用独立电源为电机供电时，这里不要采用短路帽。如果采用电压与逻辑电压一致时，可以把这个短路跳线帽安装上，这是为电机供电的电压与芯片的逻辑电平一样。电流采样输出：这两个引脚分别是左右两路的电流输出，本设计采用0.5欧的采样电阻，如果电机运行工作的电流比较小时，需要自行在后级设计放大电路，以获取更好的采样。电流采样路线：JP8与JP9排针分别是左右两路电机的采样跳线，当插入路线帽后，相当于把采样电路短路，以获得更好的机械特性。(2) 超声波模块图3-5是设计采用的超声波模块。主要技术参数：1

48、)使用电压：DC5V2)静态电流：小于2mA3)电平输出：高5V4)电平输出：底0V5)感应角度：不大于15度6)探测距离：2cm-450cm7)高精度：可达0.3cm接线方式： VCC、trig（控制端）、out echo（接收端）、 GND图3-5 超声波模块使用方法：一个控制口发一个10US以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，就可以达到你移动测量的值了。模块工作原理：1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检

49、测是否有信号返回；3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。图3-6是本设计采用的红外模块。图3-6 红外模块该模块具有尺寸小，接口方便等特点。(3) CAN控制器本设计中的CAN控制器选择的是SJA1000。 SJA1000简介SJA1000 是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络制 CAN 它是 PHILIPS半导体 PCA82C200 CAN 控制器 BasicCAN 的替代产品而且它增加了一种新的工作模式 PeliCAN ,这种模式支持具有很多新特性的 CAN 2.0B 协议。其

50、具有如下特点：l 和 PCA82C200 独立 CAN 控制器引脚兼容 l 和 PCA82C200 独立 CAN 控制器电气兼容 l PCA82C200 模式 即默认的 BasicCAN 模式 l 扩展的接收缓冲器 64 字节 先进先出 FIFO l 和 CAN2.0B 协议兼容 PCA82C200 兼容模式中的无源扩展帧 l 同时支持 11 位和 29 位识别码 l 位速率可达1Mbits/s l PeliCAN 模式扩展功能 -可读/写访问的错误计数器 -可编程的错误报警限制 -最近一次错误代码寄存器 -对每一个 CAN 总线错误的中断 -具体控制位控制的仲裁丢失中断 -单次发送 无重发

51、-只听模式 (无确认、无活动的出错标志)-支持热插拔 (软件位速率检测) -验收滤波器扩展 (4字节代码，4字节屏蔽) -自身信息接收(自接收请求) l 24MHz时钟频率 l 对不同微处理器的接口 l 可编程的CAN输出驱动器配置 l 增强的温度适应 (-40-+125) 内部结构主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器 （ 含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO）、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成。IML接收来自CPU的命令，控制CAN 寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。CPU的控制经IML把要发送的数据写

52、入TXB，TXB中的数据由BSP 处理后经BTL 输出到 CAN BUS。BTL 始终监视CAN BUS，当检测到有效的信息头 “ 隐性电平-控制电平”的转换时启动接收过程，接收的信息首先要由位流处理器BSP处理， 并由ASP过滤，只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时，接收信息才最终被写入RXB或 RXFIFO中。RXFIFO最多可以缓存64字节的数据， 该数据可被CPU读取。EML负责传送层中调制器的错误管制，它接收BSP 的出错报告，促使BSP和IML 进行错误统计。图3-7和图3-8分别是引脚配置(DIP28)和引脚配置(SO28)。 图3-7引脚配置(DIP28) 图3-8引脚配

53、置(SO28) CAN 控制器的详细说明SJA1000 在软件和引脚上都是与它的前一款-PCA82C200独立控制器兼容的。在此基础上它增加了很多新的功能。为了实现软件兼容 SJA1000 增加修改了两种模式：BasicCAN 模式：与 PCA82C200 兼容 PeliCAN 模式：扩展特性 本设计采用的是TJA1050CAN高速收发器，以下是其具体介绍。(4) TJA1050 CAN高速收发器l 简介ISO 1189是一个使用 CAN 总线协议的汽车内高速通讯国际标准。这个标准的基本作用是定义了通讯链路的数据链路层和物理层。如图 3-9所示，物理层被细分成 3 个子层。它们分别是： u 物

54、理信令 位编码，定时和同步 u 物理媒体连接 驱动器和接收器特性 u 媒体相关接口 总线连接器物理信令子层和数据链路层通常是由协议控制器来实现，像用Philips的SJA1000。协议控制器和物理传输媒体之间使用物理媒体连接子层接口，产品有像Philips的TJA1050或PCA82C250等收发器。OSI-LAYERSPECIFICATIONIMPLEMENTIONAPPLICATIONLATERLogical Link controlDATA LINK LAYER medium access controlPHYSICAL physical siginalling Physicalmedi

55、um attachmentLAYER medium dependent interfaceTRANSMISSION MEDIUMUserSpecifiedScope ofISO11898McrocontrolCan-controlereg SJA-1000can-transceiver图3-9 CAN 的分层结构电磁兼容性 EMC 是 TJA1050的主要设计目标。在关键的AM波段上，它的辐射比 PCA82C250 低 20dB以上。 除了 EMC 之外 TJA1050 的另外一个重要的特性：在不上电时，总线呈现无源特性。这使 TJA1050 对于在点火之后就失电的 clamp-15 节点来说

56、是一个更优的收发器。而持续上电的节点（clamp-30）则要求有一个专用的低功耗模式 以使整个系统的功率消耗保持尽可能低。在这种应用中 PCA28C250，由于具有准备模式，所以仍然是一个很好的选择。在 clamp-30 应用中，TJA1050 通过收发器不上电来实现极低的功耗，而远程唤醒功能则是使用一根独立的远程唤醒线。 由于 TJA1050 和 PCA82C250 的引脚互相兼容，那么 TJA1050 可以直接在已有的应用中使用，而不需要修改 PCB。因此，用户可以立即从 TJA1050 突出的特性中获益。l CAN 高速收发器的一般应用CAN 高速收发器的一般应用中协议控制器通过一条串行数据输出线（TxD）