本發明涉及機器人領域，特別是一種適于狹長隧道自主避障的機器人。

背景技術：

近年來隨著隧道工程的增多，隧道內往往存在狹長、不定向而且多重墻壁障礙；這種環境下機器人比較難于控制。機器人在隧道內巡檢時，需要將實時圖像傳輸至控制站，同時控制站需要對機器人下達控制指令；數據和信號的傳輸往往采用有線電纜進行，這樣就給機器人的行駛帶來了困難；在早期技術條件下，機器人和控制站之間的通信主要分有線通信、無線電通信、光通信等，針對隧道環境由于缺乏高效的遠距離通信方式，有線通信一度被用于隧道機器人，但由于拖拽電纜的環境適應性差，容易引起各種事故，可行性不高；光通信是一種高速、安全、非接觸式的通信方式，但受限于光的直線傳播，只適合直長隧道內通信，應用也受到限制；無線電在隧道環境內比開放場所衰減更快，通信有效范圍受到極大限制，而且受到功率和輻射環境的限制，高增益天線、定向天線不太適用，所以無線通信也受限。

因此，需要一種適于狹長隧道自主避障的機器人。

技術實現要素：

本發明的目的是提出一種適于狹長隧道自主避障的機器人；該機器人提升了機器人在狹長隧道環境下的靈活控制和自主避障能力。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

本發明提供的適于狹長隧道自主避障的機器人，包括移動底盤和云臺；所述移動底盤包括車體、擺臂電機、行走電機、行走履帶和前擺臂；所述云臺包括聯動折疊臂和攝像頭；

所述車體兩側分別設置行走履帶；所述車體上設置聯動折疊臂；所述聯動折疊臂上端設置攝像頭；所述車體前端兩側分別設置前擺臂；

所述車體一側的行走履帶和擺臂履帶通過位于同側的行走電機驅動；所述擺臂電機設置于車體前端；所述擺臂電機通過擺臂傳動軸與分別設置于車體前端兩側的履帶主動輪連接；所述車體兩側的履帶主動輪與擺臂主動輪分別采用同軸連接；所述車體兩側的擺臂主動輪通過履帶分別與車體前端兩側的前擺臂連接。

進一步，所述車體前端兩側的前擺臂分別通過同一個雙輸出蝸輪蝸桿減速電機來實現驅動。

進一步，所述行走電機和擺臂電機分別加裝密封式隔水防護罩。

進一步，所述聯動折疊臂包括旋轉底座、第一折疊臂、第二折疊臂、第三折疊臂、升降電機、攝像頭平衡電機、第一同步帶和第二同步帶；

所述旋轉底座設置于車體上；所述旋轉底座上設置升降電機；所述升降電機的轉動軸與第一折疊臂連接；

所述第一折疊臂與第二折疊臂連接處設置第一同步帶輪；所述同步帶輪通過第一同步帶與升降電機的轉動軸連接；

所述第二折疊臂的另一端與第三折疊臂連接處設置第二同步帶輪；所述第二同步帶輪通過第二同步帶與第一同步帶輪連接；

所述第三折疊臂的另一端設置攝像頭平衡電機；所述攝像頭平衡電機的轉動軸與攝像頭平衡關節連接；所述攝像頭平衡關節與攝像頭連接。

進一步，還包括通信單元、處理器和控制器；所述擺臂電機、行走電機、升降電機、攝像頭平衡電機分別通過電機驅動器與控制器連接；所述控制器與處理連接；所述通信單元與處理器連接。

進一步，所述車體上還設置有溫度傳感器、電流傳感器和氣體傳感器；所述溫度傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環境的溫度信號；所述電流傳感器與處理器連接，用于獲取工作電流信號；所述氣體傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環境的氣體信號。

進一步，所述控制器與電機驅動器之間設置有光耦隔離；所述電機驅動器通過退耦濾波與電源連接。

進一步，所述車體上還設置有分別與處理器連接的傾角傳感器和超聲波傳感器；所述超聲波傳感器采用業字型分別設置于車體前端用于獲取車體行駛位置信號；所述傾角傳感器設置于車體中心位置用于獲取車體傾角信號。

進一步，所述通信單元采用WIFI通信。

由于采用了上述技術方案，本發明具有如下的優點：

本發明提供的適于狹長隧道自主避障的機器人，提升了隧道機器人在狹長隧道環境下的靈活控制和自主避障能力，通過ARM控制平臺及多模塊化傳感器融合，借助WIFI通信和圖傳以及樹莓派輔助圖像處理、信號處理的控制系統，解決了隧道復雜環境下通信不暢、圖傳不清晰、無法自主壁障等控制方面的問題，同時解決了人可遠離隧道環境進行操作、巡檢的難題。

本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。

附圖說明

本發明的附圖說明如下。

圖1為整體機構。

圖2為移動底盤。

圖3為云臺結構。

圖4為電氣框架圖。

圖5為電機驅動電路。

圖6為行走監控單元電路。

圖7為姿態單元電路圖。

圖8為氣體檢測單元電路圖。

圖9為通信結構。

圖中，1為車體、2為擺臂電機、3為聯動折疊臂、4為行走電機、41為行走履帶、5為前擺臂；6為攝像頭、7為擺臂傳動軸、71為擺臂履帶、8為履帶主動輪、9為擺臂主動輪；

31為旋轉底座、32為第一折疊臂、33為第二折疊臂、34為第三折疊臂、35為升降電機、36為攝像頭平衡關節、37為攝像頭平衡電機、38為第一同步帶、39為第二同步帶。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

實施例1

如圖所示，本實施例提供的適于狹長隧道自主避障的機器人，包括移動底盤和云臺；所述移動底盤包括車體1、擺臂電機2、行走電機4、行走履帶41和前擺臂5；所述云臺包括聯動折疊臂3和攝像頭6；

所述車體兩側分別設置行走履帶；所述車體上設置聯動折疊臂；所述聯動折疊臂上端設置攝像頭；所述車體前端兩側分別設置前擺臂；

所述車體一側的行走履帶和擺臂履帶71通過位于同側的行走電機驅動；所述擺臂電機設置于車體前端；所述擺臂電機通過擺臂傳動軸7與分別設置于車體前端兩側的履帶主動輪8連接；所述車體兩側的履帶主動輪8與擺臂主動輪9分別采用同軸連接；所述車體兩側的擺臂主動輪通過履帶分別與車體前端兩側的前擺臂連接。

所述車體前端兩側的前擺臂分別通過同一個雙輸出蝸輪蝸桿減速電機來實現驅動。

所述行走電機和擺臂電機分別加裝密封式隔水防護罩。

所述聯動折疊臂3包括旋轉底座31、第一折疊臂32、第二折疊臂33、第三折疊臂34、升降電機35、攝像頭平衡電機37、第一同步帶38和第二同步帶39；

所述旋轉底座設置于車體上；所述旋轉底座上設置升降電機；所述升降電機的轉動軸與第一折疊臂連接；

所述第一折疊臂與第二折疊臂連接處設置第一同步帶輪；所述同步帶輪通過第一同步帶與升降電機的轉動軸連接；

所述第二折疊臂的另一端與第三折疊臂連接處設置第二同步帶輪；所述第二同步帶輪通過第二同步帶與第一同步帶輪連接；

所述第三折疊臂的另一端設置攝像頭平衡電機；所述攝像頭平衡電機的轉動軸與攝像頭平衡關節36連接；所述攝像頭平衡關節與攝像頭連接。

還包括通信單元、處理器和控制器；所述擺臂電機、行走電機、升降電機、攝像頭平衡電機分別通過電機驅動器與控制器連接；所述控制器與處理連接；所述通信單元與處理器連接。

所述車體上還設置有溫度傳感器、電流傳感器和氣體傳感器；所述溫度傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環境的溫度信號；所述電流傳感器與處理器連接，用于獲取工作電流信號；所述氣體傳感器與處理器連接，用于獲取車體所處環境的氣體信號。

所述控制器與電機驅動器之間設置有光耦隔離；所述電機驅動器通過退耦濾波與電源連接。

所述車體上還設置有分別與處理器連接的傾角傳感器和超聲波傳感器；所述超聲波傳感器采用業字型分別設置于車體前端用于獲取車體行駛位置信號；所述傾角傳感器設置于車體中心位置用于獲取車體傾角信號。

所述通信單元采用WIFI通信。

實施例2

本實施例提供的適于狹長隧道自主避障的機器人，提升隧道機器人在狹長隧道環境下的靈活控制和自主避障能力，基于ARM控制平臺，多模塊化傳感器融合，借助WIFI通信和圖傳以及樹莓派輔助圖像處理、信號處理的控制系統，將其運用到隧道機器人上。該控制系統的設計，解決了隧道復雜環境下通信不暢、圖傳不清晰、無法自主壁障等控制方面的問題，同時解決了人可遠離隧道環境進行操作、巡檢的難題。為傳統電纜隧道無需改造即可實現機器人巡檢提供了控制方案。

狹長、不定向而且多重墻壁障礙是隧道環境下機器人控制長期無法攻克的難點；因此，對于通信網絡本實施例采用WIFI通信；采用大功率的路由器以及大功率天線和多AP網絡結構。大功率高增益的天線為平板定向天線和微波盤狀天線中的一種；機器人車體必須采用wifi模式將車體信息傳輸給控制箱。由于控制箱的位子先對于通信網絡來說是固定的，加上其裝有工業控制計算機，因此可以采用小功率的wifi網卡與網絡連接，因此建立控制箱和運動中的機器人車體wifi網絡是整個控制環節中最重要的。路由器或者ap數量由隧道長度而定。機器人在隧道內巡檢時，需要將實時圖像傳輸至控制站，同時控制站需要對機器人下達控制指令。

如圖1所示，圖1為整體機構，搭建隧道WIFI環境，利用其傳輸數據和圖像，再利用樹莓派進行圖像信號處理和控制信號解析；利用ARM平臺進行多傳感器信號處理和對機器人的控制，是當前比較實用的控制方式。

本隧道機器人分為移動底盤和云臺兩部分。移動底盤包括車體、行走履帶、前擺臂等結構，負責機器人巡航、避障、靈活移動；云臺包括伸縮臂和2自由度攝像頭等結構，負責線路檢查、狀態監控、標牌銘牌識別。

圖2為移動底盤，移動底盤是核心部件，具有以下功能：行走、轉向、爬臺階、爬坡、過門檻、避障等功能。移動底盤主要由車體、擺臂電機、行走電機、行走履帶、前擺臂等組成。行走電機和擺臂電機加裝密封式隔水防護罩，保證涉水深度200-300mm，涉泥深度50-100mm。單邊的行走履帶和擺臂履帶采用同一個行走電機驅動，通過鏈條傳遞輸出到前面的履帶主動輪上，擺臂主動輪與履帶主動輪兩輪同心重疊，實現單邊履帶同步轉動。左右兩擺臂采用同一個雙輸出蝸輪蝸桿減速電機驅動，擺臂傳動軸穿過中空的擺臂主動輪和履帶主動輪，傳遞到前擺臂，在越障的時候可以實現擺臂的同時抬升，從而實現機械同步和控制簡化。

圖3為云臺結構，云臺結構為三節臂聯動折疊式升降云臺，有7個自由度，目前在市場上大多流行的是折疊臂和伸縮臂。下面是折疊臂與伸縮臂的優劣對比：

(1)折疊臂動作完成快，效率更高；伸縮臂大多采用鋼絲繩收放機構，其工作效率相對較低。

(2)同樣是三自由度云臺，折疊臂能擴大工作范圍，而伸縮臂只能在豎直方向升降。

(3)在操作性方面，聯動的折疊臂與伸縮臂操作性是相同的，實現一鍵升降。

本云臺升降采用三節折疊臂，一個電機驅動，兩條同步帶傳動，實現三節臂同時折疊收放。這樣可以減少電機數量和控制難度。同時加裝攝像頭平衡關節，保證2自由度攝像頭的水平狀態，方便攝像頭的觀看和調整。

優點：結構簡單、升降靈活，觀察范圍較廣。

將網絡通信與圖像傳輸完全整合在一個ARM架構中，該架構基于A9四核處理器，運行UBUNTU系統，同時在該嵌入式系統中開辟一個TCP轉串口通道，由于大部分模塊接口并不完全相同，部分模塊只支持模擬信號，有些模塊還具有完全不同的協議指令，要實現后續模塊更換但不影響主要軟件結構，控制器必須通過TCP轉串口透傳通道實現控制指令的完全透傳功能，方便各個模塊與控制器之間的數據交換協議的臨時修改。

圖4為電氣框架圖，圖中WIFI網卡、樹莓派和工作攝像頭(包行導航攝像頭)組成網絡核心部分，借助于樹莓派的UBUNTU系統，實現車體與控制器靈活地組成一個局域網，因此操作者可以借助手機、平板電腦等設備隨時查看機器人監控畫面。攝像頭和網卡均通過USB與樹莓派連接，MCU邏輯控制單元采用UART接口連接樹莓派，操作者通過TCP端口發下來的指令經樹莓派接收后通過UART完全透傳給MCU單元進行解釋，從而控制本體運動。

電機控制及保護；各個電機驅動器為通用直流電機驅動器，采用PWM調速，正反控制，在驅動信號接口方面有PWM和方向控制接口，因此，MCU邏輯控制單元與電機驅動器的電路連接。

圖5為電機驅動電路，至于電機保護，行走電機監控單元主要是監控電機溫度和電流，用于保護電機不至于過載或過熱損壞。溫度監控采用貼片式pt100，電流監控采用CS400B。

溫度傳感器和電流傳感器各需要兩個，應為行走機構采用左右獨立驅動結構，因此有兩個行走電機。傳感器與主單片機直接的電路連接如圖所示。

圖6為行走監控單元電路，圖中信號調理網絡由低通濾波和比例運放組成，不過溫度傳感器由于有專門的信號調理模塊，一般都是電流輸出模式，因此在這里溫度傳感器部分的調理電路為電流轉電壓信號比例運放電路，整個電路中所用到的運放采用成熟的OP07低溫度漂移運算放大器。

機器人姿態控制，機器人姿態控制及反饋，采用多傳感器融合技術。姿態傳感器單元主要包括傾角傳感器和超聲波。傾角傳感器采用CQ2-200型，超聲波采用KS109型。

傾角傳感器采用串口通訊，而KS109由于需要6個，因此采用IIC通信接口，為了減輕主要控制器CPU的負擔，這里單獨采用一個單片機進行數據測量處理，在統一整合傳輸給主控制器；

圖7為姿態單元電路圖；6個超聲波傳感器安裝在機器人本體前面，采用業字型布局。傾角傳感器安裝在本體中心位置。有利于機器人整體姿態的把控。

隧道內有害氣體檢測，氣體傳感器檢測單元主要是常用有害氣體檢測(如二氧化碳、硫化氫、甲烷等)，所有有害氣體傳感器一般都采用模擬量接口，這里我們需要把傳感器的信號濾波后傳至單片機AD端口。

圖8為氣體檢測單元電路圖，顯示面板單元采用專業的工業屏，也是通過串口與主控制器聯機。也可以直接選用HDMI顯示器直接聯機到樹莓派上，HDMI顯示器屏幕界面直接在樹莓派系統里面保留，進一步降低MCU的壓力。

隧道內WIFI環境搭建，WIFI盡管有1000米的通信距離，但是由于微波的固有性質，也決定了它只有在空曠的環境下才有如此高的距離，在狹小的隧道環境中一般通信距離僅有不到200米，因此需要大功率路由器，以及大功率天線和多AP網絡結構。

根據車體對天線安裝要求，大功率高增益的天線選擇平板定向天線和微波盤狀天線。路由器要求具有較高的功率值，為此我們選擇艾泰的842w路由器。

車體在彎曲的隧道中行走，車體必須采用WIFI模式將車體信息傳輸給控制箱。由于控制箱的位置相對于網絡來說是固定的，加上其裝有工業控制計算機，因此可以采用小功率的WIFI網卡與網絡連接，因此建立控制箱和運動中的車體WIFI網絡是整個控制環節中最重要的，因此我們采用大功率定向天線多AP(或者路由器)方式。具有盲區小、AP或者路由器少等優勢，而且中斷延時時間和天線數量都在可接受范圍內。

圖9為通信結構，由以上可知在機器人巡航的過程中，機器人可以通過WIFI接收遠程控制器的主要動作指令，同時能自己判斷障礙并且規避障礙，電纜的檢查畫面和信息都能通過WIFI傳至遠程控制箱，方便操作人員專心檢查電纜線路，而不必過多擔心機器人本身的操作問題，大大提高了巡檢效率。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的保護范圍當中。