沈亚运 李琨 吴旭

摘 要：三部委关于印发的《机器人产业发展规划（2016-2020年）》通知一文中，充分阐述了大力发展机器人产业，对于打造中国制造新优势，推动工业转型升级，加快制造强国建设，改善人民生活水平具有重要意义。目前，虽然我国机器人产业已经取得了长足进步，但与工业发达国家相比，还存在较大差距。尤其在民用小型机器人中，我们还有很长的路要走。而在机器人发展中，移动机器人的避障问题尤为重要。为此，我们就机器人避障问题展开了研究。本文研究了低成本激光在移动机器人避障中的设计等问题。介绍了移动机器人避障原理，结合了市面上应用的低成本激光技术，提出了在有限条件下对机器人性能充分利用的思路。实验结果证明，该思路在低成本情况下有着极好的潜力与结果。

关键词：机器人产业 低成本激光 移動机器人 避障

0 引言

十九大报告明确指出，要加快建设制造强国，加快发展先进制造业。机器人产业近年来正经历前所未有的快速发展阶段，在技术研发、本体制造、零部件生产、系统集成、应用推广、市场培育、人才建设、产融合作等方面取得丰富成果，为我国制造业提质增效、换档升级提 供了全新动能。与此同时，机器人产业也在全民心目中有了极高的地位，因为大家都意识到了随着工业信息化水平的快速发展，机器人将在未来的社会发展中有着重要作用。

对于移动机器人来说，采用激光避障有着较为稳定的探寻行走性能，并且其通用性也比较强。

1 系统硬件电路设计

移动机器人的设计不仅需要考虑其体积、成本、质量，还需要考虑其实际的可操控性能和该机器人的功耗程度。因此，选择合适的硬件结构和稳定的操作系统是整个设计中最为重要的环节。

1.1 系统总体结构模型

如图1所示，该避障机器人由主控制单元、驱动模块、无线遥控模块、电源模块、LED以及最重要的激光雷达模块。另外，这个结构中使用的是RS232串行接口。激光雷达的作用主要是采集所遇到的障碍信息，并在信息单元进行处理后发送到主控制单元中，然后主控制单元将传输来的结果进行处理，并且反馈到机器人系统中，进一步对机器人的形态进行调整，从而实现避障效果。LED则显示机器人的所处状态，可根据实际需要进行分块设计。

1.2 电源模块设计

电源模块提供了整个机器人运转的基本需要。我们主要采用了2576和7805两种形式的稳压电源。前者具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该稳压电源电路可提供高效的电压输出。后者具有热过载保护、短路保护以及使用方便的优点。这两种稳压管的存在可以基本实现整个机器人在移动过程中对电压电流的需求。

1.3 控制单元模块

机器人控制单元采用ST公司的32位处理器STM32F407 VGT6作为激光雷达控制单元和主控制单元的控制器。该处理器具有高达196K字节的内嵌SRAM和高达1M字节的片上内存，以168 MHz高速运行时可达到210 DMIPS的处理能力，可以保障移动机器人的正常运行和处理激光雷达的数据。STM32F407 VGT6具有先进的Cortex -M4内核，专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的32位微控制器，它能满足mbed操作系统正常运行的条件，设计时处理器移人mbed操作系统，可以加快处理器的应用和开发。通过将系统的功能进行模块化划以及分成不同的优先级来实现对避障移动机器人的多任务控制。

1.4 激光雷达模块

此激光雷达模块具有可探测距离相对较远，并且灵敏度较高的特点。在实时探测到前方障碍之后，激光模块还要对信息进行初步处理，所以在实现这种操作的情况下我们结合了光电对管传感器作为双重保护。

1.5 显示模块

根据需要，采用三块LED板反馈机器人的状态。分别用来显示机器人的正常运转状态、 障碍提醒以及等待状态。同时还需要显示一些基本数据，如机器人运动速度、位移、位置状态等。

1.6 驱动模块

驱动模块运用单片机系统与电机带动。通过电机接到的反馈系统进行运转，整个移动机器人的电机方面较为重要，因为需要控制各个方向的驱动。就以机器人小车为例，则需要控制不同轮子的方向。

2 系统软件设计

主控制系统通过对激光雷达模块的编程和编码器的编程来实现不同模块的功能。主要通过keil的系列编程来实现整个系统的编程需求，其中部分重要实现类别，如：

1.假定：IN1=1，IN3=1时电机正向转动，必须保证本条件

2.假定：遇到障碍输出0，正常情况下输出1；如果实际电路是：遇到障碍输出1，正常情况下输出0，这种情况下只需要将编程中实现语句改成：#define m0 1，#define m1 0即可。

3.说明1：直行，转弯，调头时，速度full_speed_left和full_speed_right

微小校正时，高速轮full_speed，低速轮correct_speed

4.lenth

5.width

这些都是整个编程实现的重要基本语言。

3 仿真与测试

该系统为了实现激光在避障中的作用，整个仿真过程中，主要测试相关参数能否正常运转。即：给激光开关供电，前侧放置不同颜色和形状的障碍物，通过LED灯观察状态。移动机器人（两轮小车）在遇到规则性的障碍时，通过激光雷达的探测速度反应比较灵敏，LED灯显示状况按照了预定目标实现，驱动模块在相关编程下的反应速度情况良好。在遇到不规则障碍时，激光雷达的扫描、处理、反馈速度较规则障碍慢些，但是在整个运行过程中，并未发生移动机器人与障碍发生直接碰撞的问题。整个实验过程中，小车运行稳定，操作基本灵活，各项功能完成实现。

4 结语

本文针对低成本激光在移动机器人避障中的设计进行研究，简要的介绍了以两轮机器人运动过程，该过程实现了按照预定路线，合理规避不同形状的障碍物的功能。同时，该过程结合了循迹小车与四轴飞行器系统的相关设计。通过本文机器人避障的基本设计，低成本激光在移动机器人，尤其是在类似于两轮小车，四轴飞行器的应用中表现的极为良好，比较于光电系统的测试程序，激光实现避障反应也很灵敏。

5 结束语

综上所述，该课程的设计，基本实现低成本激光在移动机器人避障的设计。该设计不仅仅在普通的移动式机器人避障中得以应用，并且在相关的工业机器人的设计也可以应用。随着国家工业化水平的不断提升，机器人的应用有着一个新兴产业的前景，更有着急速发展的潜力，相信随着机器人、无人驾驶的发展，在低成本激光的相关产业能够得到良好的应用前景。

参考文献

[1] 唐文响；严华.基于二维激光雷达的避障系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，（10）：202-204.

[2] 李秀智；龚月；贾松敏；梁兴楠.一种室内移动机器人自主探索方法[J].控制与决策，2018（3）：412-413.