避障机器人方案设计

李晓波

(山西大众电子信息产业集团有限公司第一研究所，山西 太原 030024)

0 引言

目前，机器人已经应用到生活和生产的各个领域。机器人因能代替人工作，降低工人的劳动强度及技术要求，并能提高产品的质量及稳定性，而广受欢迎[1，2]。本文设计了一种能自主避障的机器人。

1 技术方案

避障机器人具备自主移动、自动避障、自动巡航、位置检测、速度控制等基本独立运动功能。主要技术性能如下：

避障机器人总体重量：小于100 kg

避障机器人最大移动速度：45 km/h

连续工作时长：2 h

轮毂尺寸：10～15英寸

避障机器人主要由：控制系统、传感器、底盘、电池组等部分组成。其组成框图如图1所示。

图1 避障机器人组成简图

如图1所示，控制系统是整个机器人的核心，它负责处理信息和数据并对电机进行控制；传感器是机器人的眼睛，负责收集各类数据；底盘是避障机器人的运动平台，主要由电机、减速器、轮胎等组成；电池组是避障机器人最重要的部分之一，负责提供动力和能量。

避障机器人在接收到上位机的目标指令后，控制机器人向目标方向运行。运行过程中，如果发现障碍物，则采用避障策略绕过障碍物。到达目标位置后向上位机上报结果。其工作流程如图2所示。

图2 避障机器人工作流程图

下面对避障机器人各主要部件进行了设计计算，并对一些部件的型号进行了选择。

1.1 控制系统

控制系统是整个机器人的核心，它负责处理检测装置收集来的信息和数据。根据接收的数据，控制驱动部件，继而控制执行机构做出相应的动作。例如当遇到障碍物后，控制机器人按照避障策略绕过障碍物。控制系统也可以将机器人的位置数据、行进方向等数据发送给上位机，以便于跟踪、调试。

避障机器人采用ST公司的STM32F7IGT6来做主控芯片。STM32F7IGT6提供Cortex-M7内核性能(具有浮点单元)，工作频率高达216MHz，同时具有较低静态功耗。其内置多达 21个通信接口(4个UART，4个USART， 5个SPI、4个I2C接口、1个CAN接口、2个SDIO接口、1个USB接口)，以便与其他不同接口的设备进行连接。内置2个12位DAC，3个12位ADC，多达18个16位和32位定时器，最高工作频率216 MHz，可方便地对车辆底盘的车轮转动角度、扭矩、姿态等模拟量进行实时采集。控制系统与各传感器和电机驱动器的连接简图见图3。

图3 控制系统连接简图

1.2 传感器

避障机器人安装了碰撞传感器、避障传感器、姿态传感器、速度传感器等。下面主要介绍避障机器人的碰撞传感器和避障传感器。

碰撞传感器主要用来检测避障传感器检测不到的障碍物，辅助避障传感器一起更好完成避障检测的功能。碰撞传感器的种类繁多，有机电结合式、电子式和水银开关式等。种类不一样，价格和性能也各有差异。都能达到检测碰撞的目的。基于产品的可靠性要求，我们选择机电结合式的碰撞传感器。

避障传感器是避障机器人的眼睛，避障传感器可以提前发现障碍物，并把障碍物的信息报告给控制器，以便避障机器人可以提前调整前进方向，重新规划路径，迅速到达指定位置，高效完成上级指令。避障传感器工作简图见图4。

图4 避障传感器工作简图

避障传感器采用激光雷达测距传感器A0602产品参数如下：

量程：0.13m～8m(白墙)扫描频率：6.2 Hz采样率：4 k/s激光波长：780 nm激光功率：3 mW(最大功率)

精度：<2%通讯接口：RS232(TTL)电压：5 V功耗：1.5 W启动电流：600 mA重量：175g±2g

通讯方式为串行通信，波特率为115200bps( 8位数据位，1位起始位，1位停止位，无校验)。

A0602外观如图5所示。

图5 避障传感器

1.3 底盘

底盘是避障机器人的运动主体，是由电机、减速器、轮胎组成的运动系统。

避障机器人是一台移动机器人，最重要的执行机构就是运动系统。运动系统是由四个同样大小的越野轮胎实现的，示意图见图6.

图6 底盘运动系统示意图

运动系统由两个伺服电机驱动左右四个轮子运动。其中一台伺服电机控制左侧两个轮子，另一台电机控制另一侧两个轮子。每一侧的轮子通过高性能高精度的伺服驱动装置精确地控制两侧轮子行进的速度。通过内置的高精度GPS(用于提供分米级的相对定位)结合IMU实现运动系统的位置和速度检测，实时修正轮子的打滑和地形等引起的位置和速度的误差。

轮胎与路面滚动摩擦系数(50km/h)：良好的沥青或混凝土路面：0.010～0.018;一般的沥青或混凝土路面：0.018～0.020;碎石路面：0.020～0.025;良好的卵石路面：0.025～0.030;坑洼的卵石路面：0.035～0.050;避障机器人重量：≤100 kg；;移动速度：≥45 km/h(平坦路面)；实心轮胎直径：10英寸

根据上述参数(假定减速器减速比为k，假定减速器传动效率为90%)：

综合选择(选取最大滚动摩擦系数)轮胎与路面间的滚动摩擦系数为0.05。

电机转速和扭矩的计算公式见公式(1)和公式(2)

(1)

(2)

式中n为电机转速，v为速度，C为轮胎圆周长，k为减速比，T为电机扭矩，m为对应的机器人质量，g为重力加速度，r为轮胎半径，η为减速器传动效率。带入相应的数值，可得：

n=940k(rpm).

根据上式计算结果，并参考相关的电机手册,取k=5，带入上式计算结果可得：

n≥4 700(rpm)

T(额定)≥0.691(Nm)

对照电机选型手册，选择的电机参数为：

额定电压V：48 V

额定转速n：4 960 rpm

额定转矩T(最大连续转矩)：747 m/Nm

额定电流I：9.38 A

1.4 电池组

电池组为避障机器人提供动力和能量，是避障机器人最重要的部分之一。安全高效的电池组才能保证避障机器人的正常运行。

在整个避障机器人中耗电量最大的是电机，这个部件的耗电量会占到总的电能的80%以上。

在2 h的连续工作时间中，预估电机运行时间1.5 h。

选择48 V的电池组，那么电池组容量的计算公式见公式(3)。

Q=(2×I×t)×80%.

(3)

式中Q为电池组容量，I为电机的额定电流，t为电机运行时间。带入相应的数值得：

Q=35.17Ah .

综上，应当选择电量大于35.17Ah的48V电池组。

2 结论

本文通过对避障机器人各主要组成部件的器件选择及其主要参数的分析计算，实现了避障机器人主体的设计。该机器人可完成基本的避障功能，对避障类机器人的设计、加工、生产具有较好的指导意义。