水陸兩棲救災(zāi)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

摘 要 該項(xiàng)目基于單片微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)了一種水陸兩用多功能救災(zāi)機(jī)器人。該兩棲救災(zāi)機(jī)器人結(jié)合了常見輪式車輛和快艇的特點(diǎn)，又兼具了自動避障，路面監(jiān)測，有害氣體監(jiān)測，原地掉頭，溫濕度監(jiān)測，人體檢測，聲音回傳，語音播報等各項(xiàng)特色功能，再加上多樣化搭載平臺的理念，具備了適應(yīng)各種不同地形，不同災(zāi)害的能力。

【關(guān)鍵詞】單片微型計(jì)算機(jī) 水陸兩棲機(jī)器人 災(zāi)情勘察救援

我國是一個自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，災(zāi)害發(fā)生時急需救援人員及物資第一時間到達(dá)現(xiàn)場，但洪澇、地震、火災(zāi)等災(zāi)害發(fā)生時極易導(dǎo)致道路、管道受損，陸路無法通行，救災(zāi)人員無法第一時間到達(dá)現(xiàn)場施救。常規(guī)事故的救災(zāi)方式是根據(jù)事故類型確定救災(zāi)方案，因不能接近災(zāi)害現(xiàn)場，無法詳細(xì)了解災(zāi)害現(xiàn)場的狀況，救災(zāi)指揮中心難以制定有效的施救方案和措施，從而造成不必要的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人將會大量應(yīng)用到救災(zāi)領(lǐng)域。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 微型處理器核心板最小系統(tǒng)

本作品采用STM32F103微型處理器作為主控芯片，STM32F103微型處理器是ARM Cortex-M3核的32位微型處理器，設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)時，需要外加晶振電路和復(fù)位電路，同時還需要考慮其引腳的連接與外設(shè)的合理分配。

1.2 攝像頭及圖像傳輸模塊

該部分電路使用模塊化解決方案，攝像頭采用安防微型AV攝像頭，圖像傳輸模塊采用安防無線圖傳模塊。

1.3 電機(jī)驅(qū)動電路

本作品采用BTS7960芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動的大電流半橋高集成芯片，要驅(qū)動兩路電機(jī)正反轉(zhuǎn)，則需要使用4塊芯片組成兩路全橋。

1.4 顯示屏電路

本作品所使用的OLED12864顯示屏使用SPI通信協(xié)議，只需要4只I/O就能驅(qū)動。

1.5 語音識別模塊電路

本作品使用LD3320語音識別芯片，在電路設(shè)計(jì)中需要充分考慮電源的穩(wěn)定以及錄音時對雜波的過濾，所以在設(shè)計(jì)中加入了許多電容。

1.6 傳感器部分電路

本作品所使用的溫濕度傳感器、氣壓傳感器、地磁場傳感器、紅外傳感器等均采用模塊化設(shè)計(jì)，其中溫濕度傳感器使用1-wire協(xié)議，氣壓傳感器和地磁場傳感器使用IIC協(xié)議，紅外傳感器使用NEC協(xié)議。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 行走動力及防撞避障機(jī)構(gòu)

救災(zāi)機(jī)器人的常規(guī)驅(qū)動由兩個電機(jī)完成，通過多級齒輪傳動，增大扭矩。兩臺電機(jī)可以為車輛的行駛提供足夠的動力，保證行駛速度，并且可以通過兩臺電動機(jī)的互相配合達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。為了使救災(zāi)機(jī)器人在救援過程中充分發(fā)揮作用，必須要保證其自身的安全，利用搭載在車架上的攝像頭，可以監(jiān)測前方狀況，并及時做出調(diào)整，發(fā)現(xiàn)障礙物時，可利用機(jī)械手臂對障礙物進(jìn)行清理，有效減少車輛與障礙物產(chǎn)生碰撞，保護(hù)車輛的安全。安裝在車架上的傳感器可以檢測識別障礙物的方位，隨時自動調(diào)整方向，避開障礙。

2.2 水路動力系統(tǒng)

當(dāng)車輛在泥地、沙地、水面行駛時，需要運(yùn)用空氣螺旋槳來提供動力，它由獨(dú)立的電機(jī)來驅(qū)動，并可以由蝸輪蝸桿來調(diào)整角度控制方向。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體控制

本救援機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時，既要保證車輛自身安全，又要第一時間到達(dá)救災(zāi)現(xiàn)場，一個完善的控制系統(tǒng)是十分必要的。救援車啟動后前進(jìn)，當(dāng)遇到各種障礙時，可以使用安裝在車架上的傳感器檢測識別障礙物的方位，隨時自動調(diào)整方向，避開障礙。同時又兼具了路面監(jiān)測，有害氣體監(jiān)測，原地掉頭，溫濕度監(jiān)測，人體檢測，聲音回傳，語音播報，并能通過視頻傳輸系統(tǒng)把現(xiàn)場情況實(shí)時傳輸?shù)斤@示設(shè)備。

3.2 各分機(jī)構(gòu)控制

救援車的每個動作都是由程序自動控制。

3.2.1 水陸切換模式

當(dāng)水位系統(tǒng)探測到河流、湖泊或洪水時，驅(qū)動左邊車輪、驅(qū)動右邊車輪停止，輪胎升降系統(tǒng)啟動，輪胎收起，啟動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，救援車進(jìn)入水上模式；當(dāng)水位系統(tǒng)探測到陸地時，輪胎升降系統(tǒng)啟動，輪胎著陸，救援車進(jìn)入陸上模式。

3.2.2 避障模式：分為陸路和水路兩種方式來分別實(shí)現(xiàn)

陸路：當(dāng)紅外監(jiān)測系統(tǒng)閉合，說明右（左）邊有障礙物，驅(qū)動右（左）邊車輪反轉(zhuǎn)，救援車后退一定距離。然后，電機(jī)驅(qū)動（左）右邊車輪正轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動（右）左邊車輪反轉(zhuǎn)，救援車向左（右）轉(zhuǎn)彎。車子向前走一段距離后，進(jìn)行與第一次轉(zhuǎn)彎過程相反的右（左）轉(zhuǎn)彎，回到原來的行進(jìn)方向上來繼續(xù)行進(jìn)。

水路：當(dāng)紅外監(jiān)測系統(tǒng)閉合，說明右（左）邊有障礙物，螺旋槳轉(zhuǎn)到右（左）側(cè)，救援車向左（右）行進(jìn)一段距離后，回到原來的行進(jìn)方向繼續(xù)行進(jìn)。

3.2.3 工作模式

行進(jìn)過程中，救援車前方會出現(xiàn)很多障礙物不能前進(jìn)時，可以通過攝像頭和超聲波檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，使用機(jī)械手臂對障礙物進(jìn)行清理，從而使本車?yán)^續(xù)前進(jìn)。該機(jī)器人搭載人體檢測和聲音回傳系統(tǒng)，可以檢測現(xiàn)場是否有人，并且可以通過聲音回傳系統(tǒng)把現(xiàn)場聲音回傳到收音系統(tǒng)。該機(jī)器人還搭載可燃?xì)怏w檢測和語音播報系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有可燃?xì)怏w時，語音系統(tǒng)可以分危險等級播報，并且可以把相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)竭b控顯示器上，實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。

3.2.4 自動模式

當(dāng)開啟自動模式時，可以自動躲避前方障礙物，同時可以根據(jù)救援車所在環(huán)境，自動選擇模式，自動對救援車的燈光進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動化。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水陸兩棲救災(zāi)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)，完成了機(jī)械方案設(shè)計(jì)及物理模型的制作，對救災(zāi)機(jī)器人的運(yùn)動功能進(jìn)行了規(guī)劃，最后編制完成了整體控制程序并進(jìn)行調(diào)試。該兩棲救災(zāi)機(jī)器人結(jié)合了常見輪式車輛和快艇的特點(diǎn)，又兼具了自動避障，路面監(jiān)測，有害氣體監(jiān)測，原地掉頭，溫濕度監(jiān)測，人體檢測，聲音回傳，語音播報等各項(xiàng)特色功能，再加上多樣化搭載平臺的理念，具備了適應(yīng)各種不同地形，不同災(zāi)害的能力。

參考文獻(xiàn)

[1]馮長根.2004年我國事故與災(zāi)害狀況綜述[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2005.

[2]馬宗晉.我國地震減災(zāi)系統(tǒng)工程[J].中國減災(zāi)，2004.

[3]張連民，李晶.一種小型搶險救援車的設(shè)計(jì)思路[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2005.

[4]劉金國，王越超，李斌，等.災(zāi)難救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵性能及展望[J].機(jī)械工程學(xué)報，2006.

[5]萬佑紅.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2005.

作者簡介

莊泳（1995-），男。大學(xué)本科學(xué)歷。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

作者單位

濰坊學(xué)院 山東省濰坊市 261061