基于STM32的無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人

盧震宇

摘要??? 本文介紹了一種無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人的簡(jiǎn)單研究，以此類機(jī)器人的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，圍繞著基礎(chǔ)算法進(jìn)行了研究，并且調(diào)查和分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，指出了未來(lái)水下救援機(jī)器人的發(fā)展前景。此類機(jī)器人具有遠(yuǎn)程化，智能化的特點(diǎn)，可以在被嚴(yán)重污染的水域、極度危險(xiǎn)環(huán)境、等不適合人類下潛的情況下，代替人工在水下進(jìn)行救援以及搜集證據(jù)等完成多種任務(wù)，將會(huì)成為水下救援的一種新趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】水下機(jī)器人 STM32 開(kāi)發(fā)板 傳感器 救援機(jī)器人

水下救援，似乎是一個(gè)極其敏感而微妙的話題，消防隊(duì)則有苦難言。因此，消防水下救援處于一個(gè)尷尬境地。據(jù)悉，截至目前，政府并未出臺(tái)相關(guān)的水下救援制度。現(xiàn)在市場(chǎng)上僅有的大部分水下救援機(jī)器人工作是通過(guò)工作人員在船上或者岸上的遠(yuǎn)程上位機(jī)操控，通過(guò)視覺(jué)等傳感器探測(cè)生命特征并實(shí)時(shí)將信息上傳，因此不僅在于能夠開(kāi)展救援的水下機(jī)器人，則對(duì)操作能力的要求更高，但是有時(shí)候人的判斷也會(huì)有一些失誤。

隨著國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略的提出，高端海洋裝備將成為研究的熱點(diǎn)，為了解決現(xiàn)有的問(wèn)題，綜合多方面的因素，通過(guò)研究分析現(xiàn)有的水下救援機(jī)器人，例如新型消防用水下搜救機(jī)器人，海螺二號(hào)（HAI LUO II）小型水下救援機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle）等等，在繼承其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上推出了無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 項(xiàng)目需求

由于水下情況多數(shù)處于未知，工作環(huán)境危險(xiǎn)，因此對(duì)裝備和從業(yè)人員自身素質(zhì)要求較高。當(dāng)前我國(guó)在無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人這一領(lǐng)域技術(shù)尚未成熟，許多硬件依賴進(jìn)口，使得產(chǎn)品價(jià)格較高。但隨著中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)將會(huì)逐步成熟，使得成本降低。中國(guó)無(wú)人無(wú)纜水下機(jī)器人這一行業(yè)需求不斷增長(zhǎng)，將會(huì)成為未來(lái)水下救援的一種新趨勢(shì)。

1.2 相關(guān)指標(biāo)設(shè)計(jì)

無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人的重點(diǎn)在于智能搜救，和智能救援兩方面。在智能搜救方面，此機(jī)器人配備水下攝像頭，無(wú)線圖傳模塊，圖像智能識(shí)別設(shè)備，低頻主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，以及高精度定位系統(tǒng)。在智能救援方面，配備了兩個(gè)機(jī)械臂以及一個(gè)救生艙，遇到需要救援的人員，可以及時(shí)將其放入救生艙，避免二次傷害，在智能救援方面，還會(huì)配有多種光纖，紅外等傳感器，相配合工作，通過(guò)對(duì)水壓，溫度等環(huán)境因素的計(jì)算，來(lái)得出最合適的救援方案。在動(dòng)力方面，合理利用溫差能的產(chǎn)物。溫差能是利用水體不同深度之間的溫度差來(lái)汲取能量的，其在全世界的海域中存儲(chǔ)量巨大。因此，無(wú)人無(wú)纜水下機(jī)器人剛好利用這一海洋產(chǎn)物來(lái)提供動(dòng)力，從而可以在某方面來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)了“永動(dòng)”。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人主體部分是類人的形狀，機(jī)器人頭部有兩個(gè)水下燈，腳掌底部和兩個(gè)機(jī)械臂處裝有四個(gè)推進(jìn)器，并且推進(jìn)器可以隨著腳掌和機(jī)械臂的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而改變方向，在四個(gè)推進(jìn)器方向一致時(shí)可以全速前進(jìn)，通過(guò)四個(gè)推進(jìn)器相互配合，機(jī)器人可以像人類一樣在海里自由的行進(jìn)。各種推進(jìn)器之間的相互配合是由機(jī)器人中央控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)從而進(jìn)行精密計(jì)算，得出的前行方案。在機(jī)器人中部設(shè)置有一個(gè)救生艙，內(nèi)部裝有恒溫恒壓裝置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)傷者，在將其救出后放入救生艙內(nèi)。

2 主要功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概述

以STM32F103RC為核心的開(kāi)發(fā)板（如圖1）來(lái)作為無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人的中控系統(tǒng)，它具有質(zhì)量小，安全可靠，綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)他具有多路pwm能夠在接收到傳感器傳回的信號(hào)后，再將信號(hào)傳給智能處理器，當(dāng)中央處理器通過(guò)計(jì)算最后得出方案后，再將信號(hào)傳給救援系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)搜救，處理，救援綜合化，為無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人提供多方面協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力。

關(guān)于傳感器與方向修正：無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人配有多個(gè)傳感器，當(dāng)傳感器檢測(cè)到信號(hào)，通過(guò)FS-V1信號(hào)放大器傳輸?shù)介_(kāi)發(fā)板中，因此通過(guò)多種情況來(lái)進(jìn)行修正方向。

2.2 關(guān)于動(dòng)力系統(tǒng)

當(dāng)前水下機(jī)器人大多采用封閉式循環(huán)、化學(xué)和核系統(tǒng)等來(lái)為其提供動(dòng)力，但是這些動(dòng)力供應(yīng)方式有許多弊端，不僅消耗現(xiàn)有的礦產(chǎn)資源，還會(huì)造成一系列的環(huán)境問(wèn)題。在21世紀(jì)，清潔能源的使用已經(jīng)深入人心。在三分陸地七分海洋的地球上，海洋資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)得到人類的重視，因此無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人通過(guò)就地取材，利用溫差能來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，從而使機(jī)器人具備強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)。溫差能是利用水體不同深度之間的溫度差來(lái)汲取能量的。如果科學(xué)合理利用溫差能不僅可以緩解當(dāng)前存在的能源危機(jī)，還有利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，因此我們可以利用溫差能來(lái)為無(wú)人無(wú)纜水下救援機(jī)器人提供動(dòng)力。

2.3 關(guān)于救生艙

救生艙為軟體式救生艙，為了節(jié)省空間，依靠快速自動(dòng)充氣膨脹架設(shè)，當(dāng)救援機(jī)器人發(fā)現(xiàn)傷者，救生艙會(huì)與機(jī)械臂相配合，來(lái)將傷者放入艙內(nèi)，避免二次傷害，額定防護(hù)時(shí)間為96小時(shí)。

救生艙具有恒壓和恒溫裝置，能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得無(wú)論在多深的海洋里，內(nèi)部都會(huì)保持適合的溫度和壓力。

3 結(jié)論

每時(shí)每刻機(jī)器人領(lǐng)域研究都在不斷的推進(jìn)。通過(guò)本文對(duì)相關(guān)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)算法的分析和研究，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我國(guó)在此領(lǐng)域取得了一定的成果，但是智能化救援這一領(lǐng)域，仍然處于起步階段，依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，還等著我們?nèi)ヌ剿骱脱芯俊?/p>

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