攻擊型四足仿生輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)

張建+尹學(xué)愛(ài)

摘 要：為使機(jī)器人適應(yīng)各種災(zāi)區(qū)復(fù)雜地形，人員無(wú)法直接進(jìn)入的惡劣環(huán)境執(zhí)行搜索、救援、運(yùn)送物資或者在反恐救援中執(zhí)行反恐偵察或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行打擊的功能，設(shè)計(jì)了一種以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控芯片、電腦上位機(jī)無(wú)線控制的四足機(jī)械結(jié)構(gòu)與輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)器人。四足仿生行進(jìn)和輪式行進(jìn)均可使機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)，保持高度的靈活性和多地形適應(yīng)性。機(jī)器人攜帶高能電磁炮，可對(duì)目標(biāo)實(shí)施物理攻擊，機(jī)器人采用C語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)的電腦上位機(jī)無(wú)線控制，操作簡(jiǎn)單，安裝方便，信號(hào)強(qiáng)度高，穿透能力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：四足仿生機(jī)器人；電磁炮；無(wú)線控制；實(shí)時(shí)視頻；激光瞄準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）33-0039-03

1 概述

在當(dāng)今自然界和人類社會(huì)中，存在著許多人類無(wú)法到達(dá)的地方和可能危及進(jìn)入人員生命的特殊場(chǎng)合，如地震災(zāi)區(qū)、防災(zāi)救援、反恐救援等許多領(lǐng)域，對(duì)這些復(fù)雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機(jī)器人的介入[1]。于是足類步行機(jī)器人越來(lái)越多的出現(xiàn)在人們的眼前，常見(jiàn)的步行機(jī)器人以兩足式、四足式、六足式。其中，四足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且靈活，承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、探險(xiǎn)、娛樂(lè)及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景，其研制工作一直受到國(guó)內(nèi)外的重視[2]。目前市面上四足機(jī)器人行進(jìn)方式較為單一，其功能主要以行進(jìn)為主，供觀賞娛樂(lè)玩耍，且大多數(shù)不具備遠(yuǎn)程遙控能力、目標(biāo)發(fā)射能力。為使機(jī)器人能夠適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境和地形，四足輪式機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，足式移動(dòng)方式與輪式技術(shù)的結(jié)合，既可通過(guò)輪式調(diào)節(jié)控制移動(dòng)的效率，也可利用腿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)越障、避障等高效運(yùn)動(dòng)[2]。四足結(jié)構(gòu)有著良好的穩(wěn)定性和承載能力，但是行動(dòng)較慢，所以我們將機(jī)器人的四足機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一套全新的四足輪式結(jié)構(gòu)，在開(kāi)闊平坦的路面，采用輪式行進(jìn)模式，行動(dòng)迅速，反應(yīng)敏捷；在坎坷不平的環(huán)境下，轉(zhuǎn)換為四足模型行進(jìn)，輕松跨越障礙，進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域；該結(jié)構(gòu)集四足模式優(yōu)點(diǎn)和輪式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)于一身，具有良好的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性。

2 原理及相關(guān)設(shè)備

2.1 基本原理

系統(tǒng)概述：控制上位機(jī)以C語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)，利用電腦自帶串口通信功能，與機(jī)器人之間以無(wú)線串口通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)指令傳輸，機(jī)器人控制核心接收到指令后，對(duì)接收到的指令進(jìn)行處理識(shí)別，進(jìn)而控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令要求的動(dòng)作，自帶錄像功能，實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人所處環(huán)境的情況。

2.2 相關(guān)設(shè)備

2.2.1 控制核心

該系統(tǒng)的控制核心采用STM32103ZET6芯片，其內(nèi)核是Cortex-M3。大容量Flash 512K。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種功能（如圖2）。

2.2.2 無(wú)線信號(hào)電路

無(wú)線信號(hào)傳輸采用SI4432TR4S芯片，SI4432TR4S采用Silicon公司的Si4432無(wú)線收發(fā)芯片，體積小巧，功耗低[3]，具有-121dBm的超高靈敏度，穿墻性能優(yōu)越。

Si4432TR4S模塊基本特點(diǎn)：

（1）完整的FSK收發(fā)器支持FSK、GFSK、OOK模式。（2）工作頻率433M/470M/868M/915M免費(fèi)ISM頻段。（3）最大發(fā)射功率20dBm。（4）接收靈敏度高達(dá)-121dBm。（5）傳輸速率最大256Kbps。（6）工作電壓范圍：1.8V-3.6V。（7）FSK頻偏可編程（15～240KHz）。（8）接收帶寬可編程（67～400KHz）。（9）SPI兼容的控制接口，低功耗任務(wù)周期模式，自帶喚醒定時(shí)器。（10）低的接收電流（18.5mA），最大發(fā)射功率時(shí)的電流：90mA。（11）空曠通訊距離可達(dá)800米以上（波特率9.6Kbps，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）。

主要應(yīng)用：

工業(yè)遙控、遙控遙測(cè)、排隊(duì)系統(tǒng)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)等。

2.2.3 四足機(jī)械結(jié)構(gòu)與輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合

四足結(jié)構(gòu)有著良好的穩(wěn)定性和承載能力，但是行動(dòng)較慢，所以我們將機(jī)器人的四足機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一套全新的四足輪式結(jié)構(gòu)，在開(kāi)闊平坦的路面，采用輪式行進(jìn)模式，行動(dòng)迅速，反應(yīng)敏捷；在坎坷不平的環(huán)境下，轉(zhuǎn)換為四足模型行進(jìn)，輕松跨越障礙，進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域；該結(jié)構(gòu)集四足模式優(yōu)點(diǎn)和輪式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)于一身，具有良好的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性。

2.2.4 車輪控制電路

車輪控制電路采用LM298N模塊進(jìn)行控制，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W[4]。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.2.5 電磁炮充電電路

電磁炮[11]充電電壓為直流12V，經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換為220V直流電壓為電磁炮供能電容充電，兩個(gè)供能電容的耐壓值為450V，容量為1000uF。

2.2.6 電磁炮發(fā)射控制電路

單片機(jī)接收到發(fā)射指令后，控制普通繼電器打開(kāi)，進(jìn)而級(jí)聯(lián)控制大功率工業(yè)級(jí)繼電器閉合，實(shí)現(xiàn)供能電容瞬間放電，炮管內(nèi)線圈的瞬間大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁，將炮彈發(fā)射出炮管，威力巨大，噪聲極低。為了保護(hù)控制核心及其他各結(jié)構(gòu)不受電磁炮發(fā)射時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)磁干擾、損壞，我們?cè)谄渚€圈外加裝了一層磁屏蔽裝置，可保護(hù)其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備正常工作。endprint

2.2.7 實(shí)時(shí)錄像系統(tǒng)

自帶錄像裝置，實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人前方情況的視頻資料。插卡儲(chǔ)存錄像，支持8-32G TF卡、SD卡。

2.2.8 激光輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

激光輔助瞄準(zhǔn)系統(tǒng)采用5V十字激光器，覆蓋范圍大，清晰明確，易于尋找和瞄準(zhǔn)。機(jī)器人攜帶高能電磁炮，利用激光指示器瞄準(zhǔn)，攻擊時(shí)低噪音，對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效物理打擊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

該部分包括主程序、無(wú)線接收中斷服務(wù)程序、通信波特率定時(shí)器中斷服務(wù)程序、串行中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷服務(wù)程序、接收數(shù)據(jù)處理程序及定時(shí)器通道復(fù)用程序模塊，各模塊功能如下：主程序主要完成初始化及接受指令、控制各部分功能程序，控制上位機(jī)以C語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)，利用電腦自帶串口通信功能，與機(jī)器人之間以無(wú)線串口通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)指令傳輸，機(jī)器人控制核心接收到指令后，對(duì)接收到的指令進(jìn)行處理識(shí)別，進(jìn)而控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令要求的動(dòng)作。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的編寫語(yǔ)言為C，C語(yǔ)言是.NET框架中新一代的開(kāi)發(fā)工具。C語(yǔ)言是一種現(xiàn)代、面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，它簡(jiǎn)化了C++語(yǔ)言在類、命名空間、方法重載和異常處理等方面的操作，它摒棄了C++的復(fù)雜性，更易使用，更少出錯(cuò)。它使用組件編程，和VB一樣容易使用。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

憑借其出眾的越野越障能力和良好的機(jī)動(dòng)性，可適應(yīng)多種復(fù)雜地形復(fù)雜環(huán)境，可進(jìn)入地震災(zāi)區(qū)等惡劣環(huán)境執(zhí)行偵查、搜索、救援、運(yùn)送救災(zāi)物資等工作，也可執(zhí)行反恐偵查等任務(wù)且具備對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效打擊的能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

硬件電路制作完成并調(diào)整好以后，將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。該機(jī)器人各機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好，各功能均已實(shí)現(xiàn)，能夠以四足模式跨越障礙，又能以輪式行進(jìn)，實(shí)際測(cè)試電磁炮可在4米之外打爆氣球；無(wú)線信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠，可穿透鋼筋水泥墻壁；電磁炮充電過(guò)程安全無(wú)誤，整體運(yùn)行狀況良好。系統(tǒng)將硬件操作、無(wú)線傳輸及串行通信三者結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程進(jìn)行控制機(jī)器人的功能。本機(jī)器人的上位機(jī)軟件具有很好的可移植性。

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