巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究 摘要：現(xiàn)有地下農(nóng)業(yè)電纜中已出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的老化線路，為保證其穩(wěn)定性需要對電纜進(jìn)行巡檢和常規(guī)維護(hù)。但由于通道狹窄且人工操作時(shí)電纜帶電運(yùn)行，極易發(fā)生事故。仿蛇形機(jī)器人具有其獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以樹莓派作為遠(yuǎn)程控制端，搭載具有識(shí)別功能的紅外攝像頭及高敏度傳感器，可在復(fù)雜地形中實(shí)現(xiàn)避障，翻越等自由活動(dòng)。該成果可應(yīng)用于地下農(nóng)業(yè)電纜定點(diǎn)檢測和維修項(xiàng)目，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、提高工作效率。關(guān)鍵詞：仿蛇形巡檢機(jī)器人；地下電纜維護(hù)；RaspberryPi；紅外識(shí)別；避障翻越；控制系統(tǒng)引言電纜溝內(nèi)鋪設(shè)電線節(jié)省投資、占地更少、走向更加靈活且能容納較多電纜，但是由于纜溝位于地下，環(huán)境腐蝕或其他自然災(zāi)害很容易對其造成影響，在檢修維護(hù)時(shí)非常不方便。傳統(tǒng)的巡檢方式不能深入電纜溝內(nèi)部，檢修人員無法查看內(nèi)部狀況，維修會(huì)消耗大量人力與財(cái)力。因此，電纜巡檢工作迫切地需要可以靈活穿梭于地下通道之間的一種機(jī)器人。在吸收和消化現(xiàn)有巡檢機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)上，設(shè)計(jì)出一套可以實(shí)時(shí)監(jiān)測并反饋電纜溝內(nèi)排線狀況的裝置，并能根據(jù)電纜溝內(nèi)具體環(huán)境智能避障的仿蛇形巡檢機(jī)器人，對農(nóng)業(yè)電纜巡檢具有重要意義。1蛇形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由正交結(jié)構(gòu)、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字舵機(jī)、舵機(jī)控制板、紅外攝像頭以及RaspberryPi組成，可劃分為本體結(jié)構(gòu)和電氣控制兩部分。本體結(jié)構(gòu)采用部分模塊化設(shè)計(jì)，仿蛇形巡檢機(jī)器人分成若干個(gè)模塊，蛇身各個(gè)模塊具有相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制元器件。每個(gè)模塊包括舵機(jī)連接件和蛇身，各舵機(jī)連接件裝有兩個(gè)數(shù)字舵機(jī)和兩個(gè)舵機(jī)模型。電氣控制部分由RaspberryPi結(jié)合舵機(jī)控制板，通過控制舵機(jī)角度的變化來控制機(jī)體的運(yùn)動(dòng)；RaspberryPi作為機(jī)體的大腦，負(fù)責(zé)圖像識(shí)別和處理。電氣控制部分和紅外攝像頭經(jīng)過RaspberryPi圖像處理的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的智能化靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，完成電纜溝的巡檢工作。蛇身由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的模塊組成，各個(gè)模塊之間通過正交結(jié)構(gòu)連接，保證機(jī)體實(shí)現(xiàn)"仿蛇形"自由動(dòng)作。每個(gè)模塊包括機(jī)身和關(guān)節(jié)兩部分，數(shù)字舵機(jī)相比于模擬舵機(jī)，具有防抖動(dòng)，響應(yīng)速度快、作用效果靈活可變的優(yōu)點(diǎn)，在使用時(shí)可提供更高的精度和更好的固定力量，而相比于伺服電機(jī)，數(shù)字舵機(jī)更易于實(shí)現(xiàn)控制。關(guān)節(jié)底部設(shè)計(jì)有兩個(gè)萬向輪作為從動(dòng)輪，保障機(jī)體二維平面的運(yùn)動(dòng)。蛇尾裝有雙軸步進(jìn)電機(jī)，相比于單軸電機(jī)，結(jié)構(gòu)更加一體化，且步進(jìn)電機(jī)既可調(diào)節(jié)速度，也可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)上裝有主動(dòng)輪，與從動(dòng)輪協(xié)調(diào)動(dòng)作，用來驅(qū)動(dòng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。RaspberrryPi與舵機(jī)控制板形成串口通信，通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)仿蛇形巡檢機(jī)器人直行、裝向、避障等功能。樹莓派通過攝像頭實(shí)時(shí)捕捉電纜溝內(nèi)的復(fù)雜情況，并傳送至技術(shù)人員的PC端，技術(shù)人員通過圖像分析，可通過遠(yuǎn)程遙控器調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如發(fā)現(xiàn)纜溝內(nèi)有異常情況，可及時(shí)形成對應(yīng)解決措施，有效實(shí)現(xiàn)電纜溝檢測工作。2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1RaspberryPi控制紅外感應(yīng)攝像頭。RaspberryPi鑲嵌linux系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的語言整合功能，仿蛇形巡檢機(jī)器人頭部安裝有兩自由度云臺(tái)，板載PC9685芯片和TSL2581環(huán)境光傳感器，通過I2C接口控制可實(shí)現(xiàn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和光強(qiáng)檢測，通過多個(gè)GPIO口與RaspberryPi本體進(jìn)行連接，達(dá)到引腳初始化，攝像頭初始化的目的。啟動(dòng)后可同時(shí)使用PC端和手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，界面可視化效果較好，能夠?qū)崟r(shí)檢測電纜溝情況。2.232路舵機(jī)控制板控制舵機(jī)動(dòng)作。32路舵機(jī)控制板，CPU采用ARMCortex-M3內(nèi)核的高性能STM32單片機(jī)，可對32路舵機(jī)速度與角度隨意根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。該控制板擁有16M大容量內(nèi)存，可容納230個(gè)動(dòng)作組，每個(gè)動(dòng)作組可以容納510個(gè)動(dòng)作，正極電壓低于5V時(shí)蜂鳴器報(bào)警。本設(shè)計(jì)通過32路舵機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)多個(gè)舵機(jī)的控制，通過對舵機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)蛇形巡檢機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)和整體形狀的及時(shí)轉(zhuǎn)變。3頸部分動(dòng)作分析仿蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)想法是通過改變不同關(guān)節(jié)之間相對運(yùn)動(dòng)角度，使得整個(gè)蛇體運(yùn)動(dòng)到所需要的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)蛇形巡檢機(jī)器人的不同動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)。通過對機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證蛇形機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可靠性；通過蛇形機(jī)器人的抬頭動(dòng)作、轉(zhuǎn)彎動(dòng)作、前進(jìn)直行動(dòng)作等運(yùn)動(dòng)方式來驗(yàn)證蛇形機(jī)器人控制方法的有效性，并進(jìn)一步測試蛇形機(jī)器人的越障功能、視覺監(jiān)測及圖像傳輸功能。如圖2所示，蛇形機(jī)器人由直流電源供電，實(shí)驗(yàn)通過遠(yuǎn)程遙控對蛇形機(jī)器人發(fā)送控制指令，機(jī)器人接收指令后完成對應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)基本動(dòng)作、越障動(dòng)作、對周圍環(huán)境觀察并及時(shí)傳輸?shù)裙δ堋?視覺監(jiān)測及圖像傳輸下的避障實(shí)驗(yàn)仿蛇形機(jī)器人在避障時(shí)，首先進(jìn)行識(shí)別傳輸，同時(shí)傳感器收到信號(hào)做出避障反饋，其頭部相關(guān)關(guān)節(jié)可進(jìn)行自由角度轉(zhuǎn)動(dòng)，視頻內(nèi)顯示有障礙物時(shí)，做出相應(yīng)避障動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)至一定位置后，蛇身舵機(jī)開始還原，此時(shí)整體呈現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài)，機(jī)器人將按與障礙物形成一定的角度，成功將障礙物避過，如圖3。5結(jié)束語本文提出一種關(guān)于仿蛇形機(jī)器人的蜿蜒步態(tài)控制方式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主避障行走，極大地提高了機(jī)器本體運(yùn)動(dòng)精度，搭載有紅外感應(yīng)攝像頭的RaspberryPi可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸使用更方便。隨著農(nóng)業(yè)電氣的發(fā)展，電纜溝內(nèi)電纜的數(shù)量也會(huì)逐漸增加，電纜溝空間會(huì)越來越小，仿蛇形巡檢機(jī)器人將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景，對于電纜溝的維護(hù)與檢修將提供很大的幫助。參考文獻(xiàn)：1方勇純，朱威，等.基于路徑積分強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的蛇形機(jī)器人目標(biāo)導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)J.模式識(shí)別與人工智能，2019，32（01）：1-9.2馬小林，王元友，等.基于多運(yùn)動(dòng)步態(tài)的蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究J.自動(dòng)化應(yīng)用，2020（05）：76-77+80.3顏凱凱，王亞慧.管道探測蛇形機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)研究J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（19）：84.4張衛(wèi)兵.基于單目視覺的未知環(huán)境蛇形機(jī)器人SLAM技術(shù)研究J.電子世界，2019（18）：181-182.