基于STC89C52RC单片机控制的楼宇巡视机器人设计

祁冰

（河南新飞电器有限公司，河南新乡453000）

基于STC89C52RC单片机控制的楼宇巡视机器人设计

祁冰

（河南新飞电器有限公司，河南新乡453000）

对楼宇巡视机器人的主要机构进行了设计，并初步研究了机器人的控制系统。本设计借助四轮结构的移动底盘实现了机器人各方向的运动及转弯，并采用STC89C52RC单片机完成了对楼宇巡视机器人的底盘和携带视频记录模块的云台的控制。经过试验，通过控制云台的旋转、升降等动作，楼宇巡视机器人完成了基本巡视、记录的任务，该机器人可初步代替安保人员进行楼宇环境的日常巡视工作。

楼宇巡视机器人；机构设计；控制系统；模块化；STC单片机

近年来，机器人在人类生产和生活中应用越来越广泛，人们对很多服务型机器人进行了广泛的研究和开发，并应用于家庭服务、安全保障等领域。随着计算机技术和人工智能的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，我国也接连出台各项政策，旨在推动人工智能在经济建设、环保事业、国家安全等方面的应用[1]，因此服务机器人将不可避免地被广泛应用于多个领域，其一重要的领域便是楼宇内的巡视。机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域都具有重要的地位，作为信息化、自动化的设备，在智能楼宇领域应起到一定的作用。将服务机器人应用于智能楼宇系统，将有效地提高智能楼宇系统的便捷化和信息化水平。

由于楼宇内的环境相对狭窄、拥挤，这就要求了楼宇巡视机器人能够在此狭窄的环境下快速、灵活运动，这也是楼宇巡视机器人在研究和设计方面的难点之一[2]。因此，所设计的楼宇巡视机器人不但要保证移动机构的设计科学合理，而且还要确保能满足巡视机器人实现巡视等功能。

1 车体结构设计

楼宇巡视机器人的主要结构有车架底盘、可升降旋转的云台，包括驱动电机、控制板、电池和车轮等部分，这些是构成整个楼宇巡视机器人的主体，本设计目标要求车速不低于0.12 m/s，连续作业时间1.5 h，云台可升高度大于0.4 m、俯仰角度±30°、滚动角范围为±30°.

1.1 底盘结构

本设计采用两轮差动运动机构[3]，如图1所示。左右两轮独立驱动，前后轮辅助，其中，前轮为一个加装编码器的舵轮，后轮为一个平衡轮，用以保持稳定。选取直流力矩电机电机驱动，当两个轮子速度相等时，机器人直线前进或后退；当两个轮子产生速度差时，机器人转弯；前后轮为辅助轮，转弯时不易打滑，前轮是一个加装编码器的万向舵轮，用以测速；后辅助轮，用以调节平衡、增强稳定性、增大载重。当机器人的旋转半径为零时，可以围绕车体进行旋转，这种设计有利于机器人在狭窄的环境中工作。为了保持车身的强度和刚度及满足减轻重量的要求，保证车体在行进和加速时不会出现问题，综合考虑，车架采用铝合金材料，下部存放锂电池、控制器、上部安装云台。表1所示为底盘的主要结构参数。

图1 差动运动机构示意图

表1 底盘的主要结构参数

1.2 云台机构

云台由旋转机构、升降机、仰俯和滚动机构协同完成视频记录模块的运动。其上的旋转机构由直流伺服电机连接一个减速器组成，控制回转机构的回转动作。

1.2.1 回转和升降机构

回转机构是云台上的重要组成部分，主要是由直流伺服电机连接一个减速器，进而控制回转机构的回转动作。鉴于本文中机器人的功能要求，在升降机构的选用上选择丝杠螺母结构。此结构有许多优点，首先是结构简单，造价低，并且平稳性好，可靠性也很高，对于本研究的机器人完全适用，回转机构主要参数如表2所示，升降机构主要参数如表3所示。

表2 回转机构主要参数

表3 升降机构主要参数

升降机构的选用上选择丝杠螺母升降结构，特点是结构简单，造价低，并且平稳性好，可靠性也很高，对于要求不高的楼宇巡视任务机器人完全适用。1.2.2仰俯和滚动机构

本文选择直流力矩电机作为底盘驱动电机，和其它类型电机相比，直流力矩电机具有许多优点：调速度范围较宽、运行后的速度比较平稳、有较大的负载能力和过载能力、响应速度快等。利用直流电机带动仰俯机构的旋转，安装在仰俯机构上的混合式步进电机为滚动机构的滚动提供动力。为了保证仰俯机构运动的精度，加装一个编码器。同时，在滚动机构上安装一个视频采集模块用以采集视频。两个机构间相互配合，共同完成巡视任务。

1.2.3 舵轮机构

本设计中的舵轮起支撑作用，不产生驱动力。由于舵轮在机器人转弯时不易打滑，所以选用总高度合适即可，在轮轴处安装一个旋转编码器用来测量转速。在结构设计上，使其与转向轴中心线之间保证20 mm的偏心距，以保证机器人能转向灵活。

2 控制方案

本方案使用的STC89C52单片机作为智能小车的控制器，主要考虑到其强抗干扰能力较强、运算速度高、并且功耗较较低的特点[4]。使用12 V直流锂电池为控制模块供电，24 V的为电机供电，选用容量充足的电池，单次充电应满足2 h以上的运行要求。

控制系统由底盘伺服模块、云台伺服模块和中心控制模块组成，通过485总线和PC之间连接，进行数据的传输和处理。最重要的是中心控制模块，它负责接收PC传输的指令，并下发给底盘伺服系统模快和云台控制系统模块，实现PC对机器人的控制，并实时检测机器人所在的方位和方向以及速度。

2.1 底盘伺服模快软件设计

底盘伺服驱动模块的作用非常重要，它直接关乎着机器人移动的准确定、灵活性和稳定性。它用来接收由中心控制模块发出的各种指令，准确的完成对应的动作，并将执行后的结果反馈给中心控制模块。其主要工作流程为：由伺服驱动模块发出PWM指令信号，再由H桥驱动底盘上电机的运动，产生速度信号，并由光电编码器记录并将信号返回到伺服控制模块；通过I/O口，红外传感器的开关直接和底盘伺服模快上的单片机进行信息交流[5]，底盘控制模流程图如图2所示。

图2 底盘驱动模块流程图

2.2 云台驱动模块软件设计

云台控制模块集成着视频记录模块，决定着楼宇巡视机器人巡视和记录工作完成的好坏。和上文中叙述的底盘控制模块类似，它用来接收由中心控制模块发出的各种指令，完成对应的动作，并将执行后的结果反馈给中心控制模块。其主要工作流程为：由伺服驱动模块发出PWM指令信号，由H桥驱动底盘上电机的运动，由光电编码器记录速度信号，并将信号返回到伺服控制模块；通过I/O口，云台上的行程开关直接和底盘伺服模快上的单片机进行信息交流。

2.3 中心控制模块软件设计

中心控制模块是整个控制系统的大脑，担负着向其它子控制模块发送指令、处理子模块传送来的数据的任务，是整个软件系统的核心。

中心控制模块要具有两个主要功能，分别是实现与PC之间的数据通讯功能和与底盘伺服驱动及云台伺服驱动模块间进行通讯的功能。这要求中心控制模块可以不间断的接收来自PC的指令，并且可以检查指令正确与否，如果正确，则将指令发送给各子控制模块；如果不正确，则自动放弃该指令，等待PC发出的下一条指令。

3 实验

为检验本文所选单片机的工作性能和所采取左右两轮驱动方式的可行性，在实验室对上述两项进行了模拟实验。试验中，使用了本文所选用的STC89C52单片机作为智能小车的控制器，小车的驱动方式采用上述设计的左右两轮驱动，前后两轮辅助的方式；底盘简化为一个底板，用2节3.7 V可充电锂电池模拟机器人底盘电源，2个1∶48比速的强磁抗干扰减速电机模拟机器人底盘的驱动电机。

由于本次实验不检测编码器的性能，省去了加装编码器的前辅助轮，将后面辅助轮位置向后稍移，使小车重心落在在三个轮子之间。同时为了测试超声波避障模块和光电感应模块的敏感度，在实验小车的底盘上预留了必要的接口位置[5]。实验所用电路板的实物图和组装完成的小车实物图分别如图3和图4。完成上述内容后，向单片机中写入各种实验程序，观察实验小车运行的稳定性和操控性，以此对单片机的性能和左右两轮驱动的设计方式进行充分实验。

图3 实验用电路板

图4 实验小车实物图

经实验证明，STC89C52RC型单片机对各程序的执行灵敏迅速，完全满足所需的性能要求，采用左右两个轮子为底盘提供动力，前后两个轮子辅助的驱动方式，不但可以很好的完成转弯、倒退等动作，而且转弯半径小，运行起来也可以很好的保证车体的稳定，基本满足楼宇巡视机器人的工作要求。

4 结论

在以上机械结构的支持下，以STC89C52RC单片机为主控制器，这种机器人的系统，基本完成了预期目标，实现了移动平台各方向的运动及转弯，云台可以实现、旋转、升降等动作。

虽然STC89C52RC单片机的性能很强，但毕竟有限，尚不能完成最机器人运动的导航推算，后续可以考虑性能更高的单片机，比如AVR单片机等，提高微控制器的运算性能，经过功能拓展后，可以使机器人具备发现可疑人员后自动跟送的能力[6]。不久的将来，各种各样的机器人将是人们生活中不可或缺的伙伴，楼宇巡视机器人将是其中一颗闪亮的星星，它将代替安保人员，为各种楼宇环境、大型展厅等提供严密、可靠的巡视和记录服务。

[1]肖南峰.服务机器人[M].北京：清华大学出版社，2013.

[2]臧红彬.适应于楼宇环境下运行的新型机器人的设计[J].机械传动，2016，40（01）：82-89.

[3]熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2013.

[4]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2010：13-15.

[5]肖鹏.变变电站智能巡检机器人云台控制系统设计[J].制造业自动化，2012（01）：105-108.

[6]张燕.移动机器人控制系统的设计[J].工业控制机器人，2017，30（01）：18-20.

Design of Building Inspection Robot Based on STC89C52RC MCU Control

QI Bing
（Henan Frestech Electrical Appliance Co.，Ltd.，Xinxiang Henan 453000，China）

In this paper，the main mechanism of building inspection robot is designed，and the control system of the robot is preliminarily studied.With the help of four-wheel structure mobile chassis，the movement and turning of the robot are realized，and the chassis of building inspection robot and the ptz control with video recording module are completed by STC89C52RC.Through the test，through the rotation and lifting of the ptz，the building patrol robot has completed the basic patrol and record tasks，which can initially replace the security personnel for the daily inspection of the building environment.

building inspection robot；mechanical design；control system；modular；C51 MCU

TP242

A

1672-545X（2017）06-0044-03

2017-03-19

祁冰（1981-），男，河南滑县人，工学学士，工程师，研究方向：电气自动化。