在對人類具有威脅,、環(huán)境惡劣的場合中，移動機器人發(fā)揮著重要的作用,。目前國內(nèi)外研制的機器人驅(qū)動方式以輪式或履帶式居多,在爬越坡面,、跨越障礙、壕溝以及在濕地,、碎石路面,、泥濘地面上行走時,，履帶式機器人具有一定的優(yōu)越性[1-3]。定位和導(dǎo)航技術(shù)是移動機器人的關(guān)鍵技術(shù),，移動機器人必須準(zhǔn)確獲取自身位置信息以有效完成指定功能,。采用差分GPS系統(tǒng)或者慣性制導(dǎo)系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航，但成本高昂,，目前多用于軍事,、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域[4-5]。低成本的定位導(dǎo)航技術(shù)仍然是阻礙移動機器人推廣應(yīng)用的瓶頸,。本文設(shè)計并制作的機器人可以解決此問題,。

1 工作原理
    GPS自動導(dǎo)航探測機器人總體原理框圖如圖1所示，是以履帶式移動機器人作為機器人底盤,，利用機器人的行駛功能并加以改造,。在機器人上搭載GPS、電子羅盤,、溫濕度傳感器作為信息采集單元,；搭載紅外傳感器與驅(qū)動電路作為機器人控制單元。信息采集單元與機器人控制單元都由單片機實現(xiàn),。LabVIEW編寫的上位機程序構(gòu)成了導(dǎo)航計算單元,，通過無線通信模塊與信息采集單元、機器人控制單元形成一個自動導(dǎo)航探測系統(tǒng),，機器人上載有數(shù)字攝像機,，可以對機器人周圍環(huán)境進行直觀地探測。

2 硬件電路設(shè)計
    GPS自動導(dǎo)航探測機器人硬件電路包括車載的信息采集單元電路,、控制單元電路以及上位機無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路,。硬件電路的主要功能是將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機；接收來自上位機的數(shù)據(jù)控制自動導(dǎo)航機器人的運行,。
2.1 信息采集單元電路
    本設(shè)計采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng),，定位采用絕對定位法[6]。方位角的獲得采用GY-26平面數(shù)字羅盤模塊,，此羅盤以 RS232協(xié)議與其他設(shè)備通信,，具有重新標(biāo)定的功能，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角,，其輸出的波特率為9 600 b/s,，具有磁偏角補償功能，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境[7],。
    采集單元電路使用兩塊單片機作為信息采集處理器,，如圖2所示。一塊為STC89C52,，作從處理器,，用于對GPS傳來的多種NMEA語句中“GPRMC”語句的提取,，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機串口2的接收口，以及對溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)進行采集,；另一塊為STC12C5A60S2雙串口單片機,，串口1用于對電子羅盤的控制與信息獲取，串口2的發(fā)送口用于對從機上傳的“GPRMC”語句再次篩選以及把所有信息(經(jīng)度,、緯度,、速度、方位角,、濕度,、溫度)打包后通過無線通信模塊APC220發(fā)給上位機。同時將經(jīng)緯度,、時間,、方位角在LCD12864液晶屏上顯示出來。

2.2 控制單元電路

    控制單元采用STC89C52作為處理器,，如圖3所示,。機器人通過數(shù)據(jù)無線接收模塊APC220接收上位機發(fā)來的角度和距離數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)由字符型轉(zhuǎn)換成整型,，執(zhí)行相對應(yīng)的動作,，達到對機器人的比例控制,，向目標(biāo)點前進,。單片機的I/O口接驅(qū)動電路的輸入端，在L298的兩個使能端的控制下,，機器人直流電機可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),，從而使機器人前進、后退,、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn),。機器人驅(qū)動部分采用的L298N是專用驅(qū)動集成電路，其輸出電流為2 A,，最高電流為4 A,，最高工作電壓為50 V。機器人采用的電機工作電壓為7.2 V,，工作電流為160 mA～180 mA,。
    避障功能采用紅外傳感器實現(xiàn)，傳感器集發(fā)射器和接收器于一體,，DATA端接單片機的I/O口,，單片機通過掃描I/O口可以判斷前方是否有障礙物。當(dāng)有障礙物時,，物體將發(fā)射器發(fā)射足夠量的光線反射到接收器,，接收器即產(chǎn)生了開關(guān)信號,，信號線低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平輸出,。檢測有效距離為0 cm～80 cm,，自動避障后，繼續(xù)按照原來的路徑前進,。
2.3 上位機無線收發(fā)單元電路
    上位機無線收發(fā)單元由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232以及無線收發(fā)模塊APC220構(gòu)成,。APC220接收GPS自動導(dǎo)航探測機器人采集的GPS信號，經(jīng)過MAX232芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成PC端能識別的232電平,。上位機根據(jù)收到的GPS信號為GPS自動導(dǎo)航探測機器人規(guī)劃好路徑,，通過無線收發(fā)模塊APC220，向GPS自動導(dǎo)航探測機器人控制單元發(fā)出控制指令,，從而使GPS自動導(dǎo)航探測機器人運動到指定目標(biāo),，如圖4所示。

3 自動導(dǎo)航軟件設(shè)計
    上位機程序在LabVIEW環(huán)境下開發(fā),，下位單片機程序采用C51開發(fā),。下位機數(shù)據(jù)處理軟件用于接收GPS、電子羅盤,、溫度等數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機,，下位機控制軟件負責(zé)接收上位機控制指令并控制機器人的運行。上位機程序用來接收下位機數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,，并規(guī)劃機器人的運行路徑,。
3.1 自動導(dǎo)航算法
    通過無線數(shù)據(jù)采集模塊，上位機獲取機器人所在位置的經(jīng)緯度,、方位角等數(shù)據(jù),；由于目標(biāo)點經(jīng)緯度已知，所以可以通過高斯-克呂格投影變換法得到目標(biāo)點與出發(fā)點的直角坐標(biāo),；由電子羅盤檢測機器人的指向角來規(guī)劃機器人路徑,。由于機器人受重心以及各種外界因素的影響，行駛過程可能出現(xiàn)偏差,。因此,，采用反饋校正的方式，即發(fā)送給機器人指令前一瞬間當(dāng)作機器人的起始位置,，再次與目標(biāo)點進行路徑規(guī)劃,。自動校正指令發(fā)送的周期可以根據(jù)實際情況加以設(shè)置。當(dāng)機器人與目標(biāo)點非常接近時（3 m～6 m）,，上位機發(fā)送最后一次指令給機器人(即上位機不再發(fā)送指令給機器人),，避免由GPS模塊精度不高而帶來的機器人在目標(biāo)點打轉(zhuǎn)的問題。
3.2 GPS數(shù)據(jù)提取程序設(shè)計
    數(shù)據(jù)提取程序流程如圖5所示，當(dāng)數(shù)據(jù)幀頭為$GPRMC時,，提取并顯示目標(biāo)點經(jīng)緯度,、速度、時間和溫濕度,。

3.3 上位機程序
    上位機對機器人控制有自動和手動兩種模式,。自動導(dǎo)航適用于遠距離導(dǎo)航，在上位機輸入指定一個目標(biāo)點的經(jīng)緯度,，通過轉(zhuǎn)換,，最后發(fā)給機器人的是一個角度和距離，機器人接收到數(shù)據(jù)后向目標(biāo)點前進,。在行駛過程中可以對行駛路線進行若干次自動校正,，以提高導(dǎo)航能力。手動控制通過上位機發(fā)送響應(yīng)指令控制機器人的前后左右動作,，適合短距離位置調(diào)整和探測,。上位機程序流程圖如圖6所示。

4 機器人系統(tǒng)測試
    對硬件電路制作的GPS自動導(dǎo)航探測機器人進行了試驗,，并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析,。
    自動導(dǎo)航試驗地點選于某地一廣場，首先運行LabVIEW開發(fā)的上位機監(jiān)控軟件,，先采集目標(biāo)位置,，并顯示到上位機監(jiān)控軟件中；然后把GPS自動導(dǎo)航探測機器人拿到出發(fā)位置,；最后在上位機監(jiān)控軟件界面上點擊自動導(dǎo)航按鈕,，機器人自動向目標(biāo)點進發(fā)。其中,，試驗的出發(fā)點經(jīng)緯度為(E11607.45785,、N2419.88293),，目標(biāo)點經(jīng)緯度為（E11607.45931,、N2419.88526），實際距離為25 m,。通過10次機器人自動導(dǎo)航試驗,，測得機器人最后停止位置與目標(biāo)點的距離如表1所示。測試結(jié)果的絕對誤差平均值為1.085 m,，相對誤差平均值為4.34％,。
    本文介紹的GPS自動導(dǎo)航履帶式探測機器人對地面的適應(yīng)能力強，可以在對人體有害的環(huán)境中代替人運動到指定位置,，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù),，完成一些危險的工作。在前往目標(biāo)點的途中機器人能實時測量并發(fā)送當(dāng)前位置的經(jīng)緯度,、溫濕度,、有害氣體濃度,、機器人的方位角、速度等,，數(shù)字攝像機能實時反映機器人周圍的環(huán)境,，并在上位機主界面上，直觀地顯示出所采集的各種信息,；導(dǎo)航的平均誤差為1.086 m,，最大數(shù)據(jù)采集間間隔為3 s，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊APC220的無線傳輸距離為1 000 m,，能夠通過計算機實現(xiàn)機器人的遠距離監(jiān)控,。
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