一种自主排障式智能车系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可携带机械臂进行操作的自主排障式智能车系统的控制及驱动原理，属于机器人自动化领域。
【背景技术】
[0002]随着现代科技的高度发展，在恶劣工作条件或特殊环境下采用智能机器人代替人类工作，为人类服务，已成为一个主要趋势。在没有人工干预的情况下，如何令智能机器人自主地快速到达目标、并排除障碍物一直是困扰人们的难题，因此设计一种可以自主排除障碍物的移动快捷的机器人，对辅助人类完成特殊环境下的工作是十分必要的。
[0003]目前实际应用的绝大多数机器臂都是固定式的，它们只能固定在某一位置上进行操作，因而其应用范围多限于工业生产中的重复性工作。而当今实践经验表明实际生产生活中迫切需要一种活动空间大，能适用于各种复杂环境和任务的可移动机器人。移动机器人具有工作空间大、运动灵活等优点，目前已有大量关于移动式机器人的研究方面的文献及专利资料。但是这类机器人很多都是纯移动式，并没有可控制的手臂，因此并没有抓取物体的功能，而且这类移动机器人也没有很可靠的避障或清障手段，现阶段国内的机器人、智能车对于障碍普遍采用提前规划路线或遇障绕行的避障手段，对于清障的研究寥寥无几。事实上，对于非固定的障碍物来说，通过移除障碍物清出一条通路远比绕过障碍物更节约、更有效。国外虽然有不少机器人研究者有较为发散的研究，但主要采取的是类似本体冲撞强行开路的方法，不仅给机器人增加了很多不可避免的损耗、增加机器人日常的维护成本，还对机器人表面及内部材料的质量有更高的要求，使造价成本的需求更高。为了让移动机器人既能够在充满障碍的环境中灵活自如运动，又能够完成简单的作业，将现有的固定式机械臂技术与纯移动式机器人技术相结合，并配合能够精确测距、实时通信确定位置位姿的硬件通信模块，研制一套既可以通过机械臂自由抓取物件，又可以借助机械臂自主移除障碍开辟路线的移动智能车系统，具有极高的现实意义和应用价值。是机器人自动化领域研究的一种新思路。
【发明内容】
[0004]针对现有的固定式机械臂活动空间受限以及纯移动式机器人无法进行操作作业和自动清除障碍的缺陷，本发明公开了一种新型排障智能车系统，结构简单紧凑，低成本，小型化，易于操作。
[0005]自主智能车是指在不同的工作环境中，无需人工干预就可以自主移动，并完成指定任务的机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，属于智能机器人研究领域中的一项高新技术。同时自主智能车技术是一门多学科高度融合的技术，主要涉及电子学、控制理论、机械设计、材料学、传感器技术和人工智能等学科，成为当前智能机器人研究的热点之一。
[0006]本发明的技术方案是:一种基于激光测距的自主排障智能车系统。其特征在于:系统主要包括控制核心模块、电源管理模块、机械臂规划模块、驱动轮电机驱动模块、转向舵机控制模块、测距模块、通信模块以及各种辅助支撑模块。每个模块都包括硬件和软件两部分。硬件为系统工作提供硬件实体，软件为系统提供各种算法。
[0007]控制核心模块。使用单片机MO]模块，采用MSP430单片机，主要用于激光测距模块中时间测量单元的调试，及实现单片机与时间测量单元的SPI通信，由于激光测距所使用的测距芯片TDC-GP21需要进行一系列的初始化以及后续的取结果等操作，因此需要选用大容量MCU以保证有足够空间储存控制程序。单片机必须准确无误地采集测距数据，并与相应的直流驱动电机控制以及对智能车自身的位姿精密地结合在一起，否则会因测距不准导致直流驱动电机无法控制车体I停在预定位置，进而造成机械臂5展开后无法抓取障碍物甚至撞上障碍物导致车体I损坏，因此MCU控制模块在整个系统中显得尤为重要和关键。
[0008]电源管理模块。需对整个系统有全面了解，因为不同的组件对电源101的需求各不相同，同时还要考虑到电压、电流、总功耗、效率等相关参数及散热问题，以及电路板间隔离防止相互干扰。电源101设计分成两部分:一部分为直流电源；另一部分为直流电源隔离板。由于电机是感性负载，电机电源单独分出来，直接供电(1A，12V);机械臂电源也单独分出来，直接供电(900mA，7.4V)，激光和单片机控制部分由5V电路板供电；激光部分为发射器，400mA，5V;接收器50mA，5V，单片机部分供电为5V供电。
[0009]机械臂规划模块。机械臂5的规划问题涉及到正运动学和逆运动学运算。先将机械臂5建模，只要符合底纳维特-哈滕博格建模方法，不同的初始姿态可以有不同的D-H系，只要基坐标系一致都可以得到相同的运动学方程解。正运动学是指已知机械臂5各关节参数(转角、扭矩等)计算机械臂5末端机械爪6位置坐标和姿态，逆运动学是指已知机械爪6位置坐标和姿态来逆推其各关节应有的姿态参数。而在实际操作中，逆运动学计算应用要远比正运动学广泛。将机械爪6能到达的位置范围称为机械臂5的工作空间。具体做法是对关节变量通过均匀分布，赋予一定数量的、符合关节变化要求的随机量，从而得到工作空间由随机点构成的图形，称之为云图。机械臂5机械参数为回转角度180度，回转半径:355mm，整套高度:428mm，夹持前部最大开度:55mm，夹持最宽距离:98mm。
[0010]驱动轮电机驱动模块。采用直角转向减速马达，型号GW31ZY，工作电压:DC12V，空载转速:351'/111；[11，负载转速:26.51'/111；[11，输出扭矩:151^.011，额定电流:1.8厶，重量:0.381^。控制驱动轮201的电机置于车身空厢外侧。
[0011]转向舵机控制模块。机械臂5关节控制用到三种舵机，位于机械臂5基座位置的初始关节节点，采用RB-421舵机，可以达到-90度至+90度的旋转范围。扭矩大小为4.9kg.cm(4.8V) ；6kg.cm(6.0V) ；6.2kg.cm(7.2V)。完全可以满足扭矩要求。各关节处采用RB-796MG舵机，具有扭矩大，噪声小，性能更稳定的优点。工作电压:4.8V-7.2V，扭矩大小:9Kg.cm(4.8V)10KG.cm(6V)12KG.cm(7.2V)。可以满足驱动要求。机械爪6采用双指型夹持结构，由舵机控制张开与闭合。材料采用高强度的聚酯塑料以减轻机械臂5重量，机械臂5采用硬质铝合金材质，减轻重量，防止在操作时车体I失去平衡。机械爪6与障碍物的接触部分添加柔性垫，增大与障碍物的接触面积使其抓取物体更牢固。由RB-797MG舵机驱动，为机械爪6提供强有力的夹紧力。
[0012]测距模块。激光测距模块按功能结构可以分为六部分:电源管理模块、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统、高精度时间间隔测量系统、微控制器及显示接口部分和光学系统。接收模块有两个输入输出端子，发射模块发出的光线通过分光镜，一部分光线达到目标反射回来进入接收模块第一输入端，另一部分光线直接返回进入第二输入端，它们各自的输出端分别将收到的回光信号传递给TDC时间间隔测量电路求得时间差，经过MCU计算即目标物距自身的距离。
[0013]通信模块。CAN总线式串行通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一，具有可靠性、使用性、灵活性、抗干扰能力强，任意节点数及优先级，多主工作方式和非破坏性总线仲裁技术等优点。智能车硬件部分的主控制器模块、电机驱动模块、激光测距模块、机械臂5操作模块、控制器及相应的端口接线模块将被作为CAN节点挂接在CAN总线上，以保证各个模块彼此之间可靠的通讯信息交换。主控制器模块将测距模块的数据采集，相应的直流驱动电机通过对驱动轮201控制以实现对车体