摘 要： 阐述了GPS自动导航的履带式探测机器人的工作原理，设计并制作了机器人机械结构以及数据采集、数据的无线发送接收、机器人电机驱动电路，给出了基于虚拟仪器环境下的自动导航系统的实现方法。测试结果的绝对误差平均值为1.085 m，相对误差平均值为4.34％。该自动导航探测机器人可以替代人完成一些危险的工作。
关键词： GPS；自动导航；履带式机器人；数据采集

在对人类具有威胁、环境恶劣的场合中，移动机器人发挥着重要的作用。目前国内外研制的机器人驱动方式以轮式或履带式居多,在爬越坡面、跨越障碍、壕沟以及在湿地、碎石路面、泥泞地面上行走时，履带式机器人具有一定的优越性[1-3]。定位和导航技术是移动机器人的关键技术，移动机器人必须准确获取自身位置信息以有效完成指定功能。采用差分GPS系统或者惯性制导系统可以实现精确的定位和导航，但成本高昂，目前多用于军事、航空航天等关键领域[4-5]。低成本的定位导航技术仍然是阻碍移动机器人推广应用的瓶颈。本文设计并制作的机器人可以解决此问题。
1 工作原理
GPS自动导航探测机器人总体原理框图如图1所示，是以履带式移动机器人作为机器人底盘，利用机器人的行驶功能并加以改造。在机器人上搭载GPS、电子罗盘、温湿度传感器作为信息采集单元；搭载红外传感器与驱动电路作为机器人控制单元。信息采集单元与机器人控制单元都由单片机实现。LabVIEW编写的上位机程序构成了导航计算单元，通过无线通信模块与信息采集单元、机器人控制单元形成一个自动导航探测系统，机器人上载有数字摄像机，可以对机器人周围环境进行直观地探测。

2 硬件电路设计
GPS自动导航探测机器人硬件电路包括车载的信息采集单元电路、控制单元电路以及上位机无线数据收发电路。硬件电路的主要功能是将采集数据发送给上位机；接收来自上位机的数据控制自动导航机器人的运行。
2.1 信息采集单元电路
本设计采用WGS84坐标系统，定位采用绝对定位法[6]。方位角的获得采用GY-26平面数字罗盘模块，此罗盘以 RS232协议与其他设备通信，具有重新标定的功能，能够在任意位置得到准确的方位角，其输出的波特率为9 600 b/s，具有磁偏角补偿功能，可适应不同的工作环境[7]。
采集单元电路使用两块单片机作为信息采集处理器，如图2所示。一块为STC89C52，作从处理器，用于对GPS传来的多种NMEA语句中“GPRMC”语句的提取，并把数据发送到主单片机串口2的接收口，以及对温湿度传感器DHT11的数据进行采集；另一块为STC12C5A60S2双串口单片机，串口1用于对电子罗盘的控制与信息获取，串口2的发送口用于对从机上传的“GPRMC”语句再次筛选以及把所有信息(经度、纬度、速度、方位角、湿度、温度)打包后通过无线通信模块APC220发给上位机。同时将经纬度、时间、方位角在LCD12864液晶屏上显示出来。

2.2 控制单元电路

控制单元采用STC89C52作为处理器，如图3所示。机器人通过数据无线接收模块APC220接收上位机发来的角度和距离数据，并将数据由字符型转换成整型，执行相对应的动作，达到对机器人的比例控制，向目标点前进。单片机的I/O口接驱动电路的输入端，在L298的两个使能端的控制下，机器人直流电机可以正转和反转，从而使机器人前进、后退、左转与右转。机器人驱动部分采用的L298N是专用驱动集成电路，其输出电流为2 A，最高电流为4 A，最高工作电压为50 V。机器人采用的电机工作电压为7.2 V，工作电流为160 mA～180 mA。
避障功能采用红外传感器实现，传感器集发射器和接收器于一体，DATA端接单片机的I/O口，单片机通过扫描I/O口可以判断前方是否有障碍物。当有障碍物时，物体将发射器发射足够量的光线反射到接收器，接收器即产生了开关信号，信号线低电平输出，正常状态是高电平输出。检测有效距离为0 cm～80 cm，自动避障后，继续按照原来的路径前进。
2.3 上位机无线收发单元电路
上位机无线收发单元由电平转换芯片MAX232以及无线收发模块APC220构成。APC220接收GPS自动导航探测机器人采集的GPS信号，经过MAX232芯片把TTL电平转换成PC端能识别的232电平。上位机根据收到的GPS信号为GPS自动导航探测机器人规划好路径，通过无线收发模块APC220，向GPS自动导航探测机器人控制单元发出控制指令，从而使GPS自动导航探测机器人运动到指定目标，如图4所示。大电流电感

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