现场环境智能巡检机器人设计作者：***来源：《现代电子技术》2016年第18期摘要：针对复杂的现场环境，设计一种对现场生产环境进行巡检机器人系统。

该系统以ARM为核心器件结合多种传感器实现了现场环境温度、湿度、CH4、CO浓度等参数的检测；采用超声波传感器和红外传感器结合多传感器信息融合技术和模糊神经网络信息融合方法，成功实现了机器人在运行过程中灵敏感知障碍物并及时躲避。

系统中采用NRF905无线传输技术，实现了巡检机器人和远程控制台的无线通信。

经过测试表明，该巡检系统可以正常工作而且可以成功躲避障碍物，可以实现与上位机通信。

该系统具有结构简单、功耗低、测量准确、避障行驶安全、性能可靠等特点，具有广阔的应用前景。

关键词：环境检测；多传感器信息；模糊神经网络；无线通信中图分类号： TN915⁃34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）18⁃0135⁃04Abstract： An intelligent inspection robot system was designed for the complicated field production environment. The system takes ARM as its core device， and combines multiple sensors to detect the parameters of the site environment temperature， humidity， methane concentration and carbon monoxide concentration. The multi⁃sensor information fusion technology and fuzzy neural network information fusion method are combined with ultrasonic sensor and infrared sensor to perceive the obstacles sensitively and escape the obstacles timely during the process of robot running. The NRF905 wireless transmission technology is adopted in the system to realize the wireless communication between inspection robot and remote console. The test results show that the inspection system can work normally， avoid the obstacles successfully， and communicate with the host computer. The system has the characteristics of simple structure， low power consumption， accurate measurement， safe obstacle avoidance driving， reliable performance， and broad application prospect.Keywords： environment detection； multi⁃sensor information； fuzzy neural network；wireless communication近年来，随着科技与信息的高速发展，智能机器人技术也发生了日新月异的变化，机器人在工业、医疗、军事等领域得到了越来越多的应用。

机器人涉及很多领域，如计算机领域、自动控制领域、机构学、传感技术、通信技术、人工智能以及仿生学等很多先进学科，因此，机器人的发展是现代科学技术的结晶。

针对复杂的现场生产环境，设计了一種对现场生产环境进行巡检机器人系统。

该机器人系统以单片机为微控制器，根据不同传感器的传感信号，可以实现现场环境检测；将多传感器信息融合技术和无线数据传输技术有机结合，实现了机器人的智能避障和远程控制台的无线通信。

系统不仅可以应用到特种领域，还可以广泛投入到民用行业，具有很高的商业价值[1]。

因此，该系统的研制和应用具有重要的研究价值和现实意义。

1 系统方案设计现场环境智能巡检机器人主要由环境检测模块、导航避障模块、运动控制单元和上位机平台四大部分构成。

整个设计包括电源管理系统设计；数据处理单元设计、环境探测单元设计、无线通信系统设计、避障导航系统设计、显示报警模块设计、运动控制单元模块设计，可以实现机器人在运行过程中避开障碍物并可以完成对复杂现场环境信息的检测。

为了对复杂的地形环境实现智能避障功能，在设计避障导航模块时选取超声波传感器和红外传感器联合探测，并结合多传感器信息融合技术和模糊神经网络信息融合方法；系统中采用NRF905无线通信技术完成机器人与上位机的远程通信，实现机器人的远程控制。

为了使巡检器人适用于更多的复杂环境，系统中采用履带机器人结构设计其主体框架结构[2]。

该系统的基本组成框图如图1所示。

系统工作原理是履带机器人根据不同传感器的传感信号，按照一定的规则来调整机器人的方位角和速度，使机器人在巡检过程中遇到障碍物实现智能避障。

智能机器人上带有的检测现场环境的传感器，可以实现现场环境的温度、湿度、CH4，CO气体浓度等参数测量，若测量结果超限时可以报警。

该系统还可以智能探测到人体，更具备实时将探测信息通过无线数据传输技术发送到远程主控中心等功能。

可以及时地了解现场环境，为指挥中心提供可靠信息；远程控制台可以通过无线遥控设备调整机器人状态，可以通过远程操作实现对巡检机器人的控制。

2 运动控制单元的设计检测机器人选用大功率RP5坦克车体作为底盘，并带有带电感的280直流减速电机和低噪音大扭力减速齿轮组。

具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。

环境检测机器人的履带电机是直流电动机。

设计使用L293N芯片同时驱动直流与步进电机。

设计时，通过处理器配置PWM产生脉冲的方式来驱动直流电机的运转和调速[3]。

机器人运行的速度控制也是一个重点，设计时，采用霍尔片A3144的作为测速单元核心。

为了提高对传感器信息采集的准确性，提高其抗干扰能力，由霍尔器件电路部分输出后，经光电耦合后，成为转速计数器的计数脉冲。

传感器输出的信号和单片机的计数电路两个部分隔开，减少计数的干扰。

控制脉冲的计数时间，便可实现计数器的计数值对应的转速值。

霍尔测速电路连接电路如图2所示。

3 环境探测单元设计环境探测单元主要完成对生产现场环境进行检测及预警。

该探测单元以STM32单片机为核心器件，搭载SHT11传感器、MQ⁃4型CH4传感器、MQ⁃7型CO传感器和DSN⁃FIR800人体感应模块以及液晶显示器和语音报警模块等组成[4]。

结构框图如图3所示。

环境探测单元工作原理：传感器将采集到的环境信息送给单片机，单片机将送来的信号进行处理并通过无线通信模块发射给上位机，监测中心根据接收到的信息对生产现场进行实时监控并实现预警。

在本系统中，温湿度检测采用数字传感器SHT11实现，该传感器接口简单只需将串行接口SCK和DATA与单片机相连即可。

由于MQ⁃7对CO气体有很高的灵敏度，MQ⁃4对CH4灵敏度较高，设计时，选取MQ⁃7检测CO气体，MQ⁃4检测CH4气体浓度。

而MQ⁃4和MQ⁃7采集到的是模拟信号但是由于STM32内部自带两个A/D，所以设计电路时无需外加A/D即可完成转换。

检测机器人在特殊现场有时需要检测是否有人的存在，以便控制中心及时救援或采取行动等特殊任务。

人体探测电路设计采用DSN⁃FIR800型热释红外传感器完成。

4 避障导航系统的设计多传感器信息处理技术是对各个传感器的检测数据进行综合处理的过程。

单一传感器获得的环境信息可能是局部的、片面的，并且常常有不确定性和较大偏差，多信息处理技术就是为了更有效地处理、分析多个传感器的信息。

检测机器人要具有避障功能就必须能感知障碍物的存在，并判断周围障碍物的距离，单一传感器提供的数据不能在复杂多样环境下满足机器人对周围环境的感知要求，因此将多传感器信息处理技术用于检测机器人的避障系统中，有效提高了机器人的避障系统性能[5]。

如图4所示为多传感器信息处理系统结构。

系统根据所有传感器的全部信息进行计算和估计，因此传感器的选择是一个关键问题。

超声波有效测量值一般在30～400 cm之间，超声波测距的“盲区”为0～30 cm；而红外线传感器的探测距离范围一般在10～80 cm之间，因此红外传感器可以有效弥补超声波传感器测距存在的“盲区”。

传感器数量也是一个关键的问题。

如果传感器的数量太少，就不能全面反映现场的环境信息，所获得的信息也容易存在失真的问题。

如果传感器的数量太多，就会大大增加系统的复杂性与冗余性，使系统的执行能力变弱。

考虑到生产现场环境因素，选用超声波传感器和红外传感器混合使用的方法实现避障，采用三个超声波和三根红外线传感器，分别探测移动机器人左侧、正前方、右侧障碍物信息，其传感器的布局如图5所示。

T1～T3代表了超声波传感器的安放位置，S1～S3代表了红外传感器的安放位置。

这样布局可以全方位测得障碍物信息，环境检测机器人在遇到障碍物时能够及时调整方向方位。

在探测过程中，多超声传感器测距的串扰现象：当布置的多超声传感器共同工作时，就会带来传感器之间的串扰现象，导致测量结果不准确。

采用3路超声波依次循环发射的方法，避免相互间干扰[6]。

本文选用HC⁃SR04型超声波传感器设计避障电路。

采用I/O口TRIG触发测距，给至少10 μs的高电平信号；模块自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间×声速[）2]。

TRIG为控制端，ECHO是接收端。

超声波模块与红外传感器硬件电路如图6所示。

5 系统程序设计环境检测机器人系统是以单片机为控制器，对环境参数进行信息采集与勘测，实现对现场环境数据的检测。

整个系统主要控制程序有信号采集、数据处理、电机测速、避障导航、无线收发、显示及报警等程序。

系统以ARM平台采用C语言进行程序编写，编写时采用模块化思想便于后续改进。

5.1 避障导航程序设计机器人采用超声波传感器与红外线传感器相结合的方式。