基于STM32單片機(jī)的智能救援機(jī)器人

鄭金志 張萬禮 高亞蘭

【摘 要】本文是在基于STM32 F103RBT6單片機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的多功能智能履帶小型救援機(jī)器人，該救援機(jī)器人旨能在一些危險(xiǎn)環(huán)境下，完成救援任務(wù)。實(shí)現(xiàn)越障，探測，避障，呼救等救援功能。其內(nèi)置多種傳感器和控制系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)控制救援。以下是該智能救援機(jī)器人的硬件部分的構(gòu)成和軟件部系統(tǒng)的構(gòu)成。

【關(guān)鍵詞】救援機(jī)器人;單片機(jī);智能控制

1.引言

每年都有上萬人死于地震、礦難、滑坡、山體泥石流等自然災(zāi)害，災(zāi)難有時是無法避免的，但有效的救援能大大降低災(zāi)難帶來的損失，以及人員傷亡。為此我們將研究一款新型智能救援機(jī)器人，是一種基于STM32單片機(jī)的小型救援機(jī)器人，該機(jī)器人將完成類似于現(xiàn)實(shí)的一些救援動作，如巡線行駛，避開障礙，清除障礙等救援動作。該小型智能救援機(jī)器人順利完成后希望能給以后的救援機(jī)器帶來參考價(jià)值。

2.智能救援機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

該小型智能救援機(jī)器人總共包含以下五個模塊

（1）驅(qū)動電源加車身模塊（電源至于車身內(nèi)部，分為車身電源和機(jī)械臂電源）;

（2）感應(yīng)器檢測模塊（實(shí)現(xiàn)越障，探測，避障，呼救等救援功能）;

（3）中央控制器模塊（該救援機(jī)器采用了主控制器STM32F103RBT6）

（4）電機(jī)驅(qū)動模塊（分為履帶和機(jī)械臂驅(qū)動電路，芯片則為L298N）

（5）聲音報(bào)警模塊（蜂鳴器）

3.電源電路及車身設(shè)計(jì)

3.1供電模塊

該救援機(jī)器人有三個模塊需要供電。因?yàn)镾TM32單片機(jī)的額定電壓為3.3V，而由充電電池的通性知如果采用恒壓3.3v充電電池，使用一段時間后會導(dǎo)致電壓偏低，從而會導(dǎo)致芯片無法正常工作。因此該救援機(jī)器人的電池為7.4V充電電池，同時需要低壓差穩(wěn)壓芯片TPS7350，以達(dá)到3.3V恒壓的目的; 整個供電系統(tǒng)是通過一節(jié)7.4V充電電池供電，需要提供3.3V恒壓給STM32，5V恒壓供給電路板，機(jī)械臂電機(jī)用電池直接供電，所以采用更加穩(wěn)定的的TPS7350和TPS7333的芯片分別達(dá)到5V和3.3V的供電需求。因?yàn)榫仍畽C(jī)器人的車身履帶電機(jī)則采用飛思卡爾B車電機(jī)，該電機(jī)驅(qū)動力大需要12V供電電壓，只需將7.4v充電電池通過加壓芯片B0512提升到12V即可完成供電。

3.2車身設(shè)計(jì)

救援機(jī)器人的車體部分使用了復(fù)合履帶驅(qū)動方式，履帶驅(qū)動力采用12V飛思卡爾B車電機(jī)為其提供強(qiáng)有力的驅(qū)動力，在實(shí)際救援環(huán)境中，履帶式移動底盤需要在復(fù)雜的地形中工作，并要求越障以及爬樓，因此履帶底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了履帶前腳，能大大的增加履帶機(jī)器人的靈活越障性。

4.感應(yīng)檢測模塊

救援機(jī)器人的避障模塊使用HC-SR04超聲波模塊。HC-SRO4可提供2ca-400cm非接觸式。該模塊利用了超聲波能量消耗慢、傳播距離遠(yuǎn)、傳播穩(wěn)定等特點(diǎn)。該超聲波模塊同時還可完成距離的測量功能。該模塊通過超聲波發(fā)出和接收的時間間隔來計(jì)算距離，超聲波測距模塊能夠精準(zhǔn)、快捷地測量出障礙物到超聲波發(fā)射器之間的距離。其測量精準(zhǔn)度可達(dá)0.3厘米;控制電路可通過計(jì)算距離來控制小車行駛方向，從而及時避開障礙物。

5.控制驅(qū)動電路

5.1主控制芯片

該救援機(jī)器人采用STM32 F103RBT6單片機(jī)作為其核心芯片，STM32系列是一款專為中低端打造的32位ARM微控制器，其性能優(yōu)越，功耗低，價(jià)格實(shí)惠，同時最高頻率可達(dá)72MHz。具有單周期乘法、硬件除法等特點(diǎn)。其存儲器從16K到512K字節(jié)的閃存程序存儲器。STM32運(yùn)算之快，串口靈活足以處理救援機(jī)器人的全部功能。 支持6路舵機(jī)PWM脈沖信號輸出，可以同時支配6個舵機(jī)進(jìn)行角度和轉(zhuǎn)速的自由變換。輸出信號由串口命令控制，操作簡便，命令響應(yīng)速度快?？赏瑫r輸出6路精準(zhǔn)的舵機(jī)轉(zhuǎn)向角和控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動時間的信號，可實(shí)現(xiàn)多路并行控制，各路獨(dú)自運(yùn)行。該控制器的實(shí)現(xiàn)奠定了救援機(jī)器人的操控系統(tǒng)。

5.2電機(jī)驅(qū)動電路

使用L298N芯片可驅(qū)動救援機(jī)器人的低盤履帶直流馬達(dá)和機(jī)械臂步進(jìn)馬達(dá)，L298N可支持PWM調(diào)速控制。通過單片機(jī)調(diào)控芯片，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向的控制，從而讓履帶帶動車身完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等動作，是一種比較理想的芯片。機(jī)械臂的電機(jī)也是如此，但機(jī)械臂的運(yùn)作需要傳感器的協(xié)調(diào)運(yùn)作。通過對單片機(jī)的編程，使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自動伸縮，抓取等系列救援動作。

6.智能救援機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

由于采用了STM32單片機(jī)，該單片機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是告別了匯編語言，從而使得代碼效率高，執(zhí)行速度更快，更易上手，所以我們用C語言編寫了該救援機(jī)器的軟件系統(tǒng)，C語言能更好的實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人的各種復(fù)雜的操作，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。如機(jī)械臂的放取動作和履帶車的避障功能等。

7.總結(jié)

本文是關(guān)于小型救援機(jī)器人研究和實(shí)現(xiàn)。它可以在模擬的危險(xiǎn)環(huán)境下完成擬救援任務(wù)即避障，自動尋找路線;順利翻越壕溝，并能準(zhǔn)確測出障礙物距離;通過多種傳感器識別路況，及時分析并做出預(yù)警判斷，精準(zhǔn)操控車身行駛方向躲避危險(xiǎn);在行駛中能自動識別、撿起、放下物塊;行駛到規(guī)定的地點(diǎn)自動停止并提醒救援結(jié)束。相信該小型救援機(jī)器人會給以后的救援機(jī)器帶來參考價(jià)值。

作者簡介：鄭金志（1998-），男，安徽人，本科在校生。

基金項(xiàng)目：2018年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：基于STM32單片機(jī)的智能救援機(jī)器人（編號201810379113）;