基于STM32的可分離式兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)

梁嘉輝 鄭景星 李明邦 張鋒

摘 要 目前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中已經(jīng)有成熟的兩棲機(jī)器人產(chǎn)品，但是市面上的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)單一，功能比較簡(jiǎn)單，不能滿足現(xiàn)實(shí)中各種實(shí)際場(chǎng)景的需要，而且一體式的結(jié)構(gòu)使機(jī)器人變得笨重，不夠靈活，限制了兩棲機(jī)器人的發(fā)展。所以，我們決定跳出一體式結(jié)構(gòu)的格局，將無(wú)人機(jī)和智能小車通過(guò)可分離結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。使之可以根據(jù)任務(wù)的需求，進(jìn)行結(jié)合或者分離，解決了因一體式結(jié)構(gòu)而無(wú)法再特殊地進(jìn)行工作的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 兩棲；機(jī)器人；可分離結(jié)合；特殊地形

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）226-0139-02

“十一五”期間，中國(guó)已經(jīng)把“廢墟搜索與輔助救援機(jī)器人”列入國(guó)家863項(xiàng)目，由此可見(jiàn)救援機(jī)器人的重要性。目前，國(guó)內(nèi)外在研究和使用的偵察機(jī)器人系統(tǒng)分為空中偵察機(jī)器人系統(tǒng)和陸地偵察機(jī)器人系統(tǒng)兩大系列，均具有明顯的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)一種可分離式兩棲救援、巡檢、偵察機(jī)器人，在實(shí)現(xiàn)空中飛行的同時(shí)兼顧地面行走，實(shí)現(xiàn)了陸空兩棲偵察，不但打破了一體式設(shè)計(jì)，而且對(duì)現(xiàn)有偵察機(jī)器人體系的進(jìn)行有利補(bǔ)充。在軍事、救援和勘測(cè)等方面以及提升勞動(dòng)效率，降低人員的危險(xiǎn)性等方面具有重要意義。而一款多功能、多用途、體積小和載重量大的新型兩棲旋翼機(jī)器也相應(yīng)的成為國(guó)內(nèi)外軍方、科研以及其他團(tuán)隊(duì)研究的熱點(diǎn)，所以市場(chǎng)前景非常樂(lè)觀。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 兩棲機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括機(jī)車結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)和地面站控制系統(tǒng)兩大主體部分。機(jī)車結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)分為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、車位停放系統(tǒng)和探測(cè)車系統(tǒng)，其中，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括供電電源、飛控單元、無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速單元、GPS、攝像頭以及通信模塊，車位停放系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和通信模塊，探測(cè)車系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器采集與處理電路、照明燈模塊和報(bào)警裝置。地面站控制系統(tǒng)包括主控單元、供電電路、按鍵輸入檢測(cè)單元、報(bào)警處理電路、通信模塊、AD采集模塊以及顯示屏驅(qū)動(dòng)，并且可以通過(guò)視頻采集卡經(jīng)USB在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前畫面信息。

1.2 MCU微控制器單元

硬件主控采用stm32f103rct6，高性能的ARMCortexM3 32bit的內(nèi)核，片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器。6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器，最高工作頻率72MHz，豐富的增強(qiáng)型外設(shè)和IO端口，所有的型號(hào)的控制器都有12位的ADC和16位的通用定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可以很方便的接入傳感器來(lái)采集信號(hào)，3.3V的工作電壓既能夠滿足自身的正常工作，又能夠滿足一般傳感器以及RF24L01的供電電壓并且無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，因此具有很好的低功耗特性。與傳統(tǒng)8位16位單片機(jī)相比，ARMCortexM3 32bit處理器具有更高的代碼執(zhí)行效率。

1.3 低功耗通信單元（NRF24L01）

本系統(tǒng)中的通訊單元如圖2所示。

NRF24L01具有126個(gè)通訊通道，6個(gè)數(shù)據(jù)通道，4線SPI通訊端口，滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要，通訊速率最高可達(dá)8Mbps，數(shù)據(jù)包每次可傳輸1～32Byte的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率支持1Mbps、2Mbps，可以通過(guò)軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，功率頻道和協(xié)議，幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，MCU可與該芯片通過(guò)SPI接口訪問(wèn)芯片的寄存器進(jìn)行配置，達(dá)到控制模塊、通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊的目的。NRF24L01具有極低的電流消耗，在接收模式下電流消耗為12.3mA，在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)電流消耗僅為11.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低，大大減少了系統(tǒng)的電能消耗。

1.4 電源供電設(shè)計(jì)（LM2596）

LM2596具有固定輸出版本和可調(diào)版本，固定版本可輸出3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓，工作模式有低功耗/正常兩種模式，可通過(guò)外部電路控制。本芯片具有電流限制、保護(hù)電路熱管斷電路等，能夠減少短路，過(guò)流現(xiàn)象，有利于對(duì)系統(tǒng)模塊的保護(hù)，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。利用該器件無(wú)需大量的外圍電路便可構(gòu)成穩(wěn)壓電路，應(yīng)用到本設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)輸出3.3V、5V以及其他的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)芯片來(lái)協(xié)同工作。

1.5 傳感六軸角度傳感器（MPU6050）

MPU6050模塊是InvenSense公司推出的一款低成本的6軸傳感器模塊，包括三軸加速度，三軸角速度，模塊內(nèi)部含有溫度感測(cè)器、包含在運(yùn)作環(huán)境中僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。其體積小巧，用途非常廣，角速感測(cè)范圍±250、±500、±1000與±2000°/sec，測(cè)量精度高。模塊以數(shù)字形式輸出四元數(shù)（quaternion） 、6軸旋轉(zhuǎn)矩陣、3軸角速度感測(cè)器和歐拉角格式（Euler Angle forma）的融合演算數(shù)據(jù)。其工作電壓范圍寬，產(chǎn)品傳輸可透過(guò)最高至400kHz的IIC，可精確追蹤快慢動(dòng)作，應(yīng)用范圍廣。

1.6 探測(cè)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元（TB6612FNG）

TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。如圖3示，與傳統(tǒng)L298N相比，不僅功率因數(shù)提高了很多，而且體積也大大減小，本模塊工作電壓范圍為DC2.5～13.5V，最大可輸出電流2A，輸入控制具有光耦隔離，抗干擾能力強(qiáng)，PWM支持頻率高達(dá)100kHz，具有雙通道輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)4種電機(jī)控制模式。模塊片內(nèi)含有低壓檢測(cè)電路與熱停機(jī)保護(hù)電路。具有良好的散熱能力和電路保護(hù)能力，無(wú)需外加其他散熱片，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件終端是通過(guò)安卓App來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示，通過(guò)安卓App來(lái)與硬件終端進(jìn)行信息交流，硬件系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定一定的時(shí)間向手機(jī)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)偵查地有害氣體濃度，電壓，溫度，小車速度等情況，讓我們?cè)诘谝粫r(shí)間獲得偵查地相關(guān)信息。救助人員在趕到現(xiàn)場(chǎng)之前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息制定相應(yīng)的救護(hù)措施以及救援準(zhǔn)備，在一定程度上降低了不必要的損失和減少不必要的麻煩，為事故救援處理進(jìn)一步智能化，達(dá)到減少人員傷亡等意外的發(fā)生的目的。本App具有良好的UI界面，操作簡(jiǎn)單方便，具有良好的用戶體驗(yàn)感。

3 系統(tǒng)測(cè)試

無(wú)人機(jī)可載小車到達(dá)目的地，可以在手機(jī)或電腦進(jìn)行航線規(guī)劃，可以一鍵返航。小車能夠以第一稱視角探測(cè)地面的路況，能夠測(cè)量出相應(yīng)的溫度、二氧化碳濃度、電壓。

4 結(jié)論

目前從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)看來(lái)，機(jī)器人的市場(chǎng)在慢慢地?cái)U(kuò)大，但是兩棲機(jī)器人的市場(chǎng)還有很大的一片空白。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)外的兩棲機(jī)器人還在逐漸的發(fā)展階段，其中發(fā)展比較成熟的就是水陸兩棲機(jī)器人，有的已經(jīng)投入到軍事，工業(yè)的場(chǎng)所之中。相比之下，陸空兩棲機(jī)器人還處于起步階段，大多數(shù)趨于大型化，只有大型企業(yè)或者軍事場(chǎng)所才能使用。因此我們這款低成本，小型兩棲機(jī)器人更迎合大眾的要求。

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