智能救援機(jī)器人

黃昌平　潘禮靜　于子甲

【摘 要】全世界目前都有著潛在威脅人類生命以及財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害，所以在提高自身安全意識(shí)之外，事故后的救援工作也同樣重要。由于災(zāi)后環(huán)境復(fù)雜，空間狹小以及二次事故的潛在發(fā)生性，不利于救援人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，即會(huì)加大救援難度。這時(shí)智能救援機(jī)器人替代人去進(jìn)行救援工作將會(huì)大大降低風(fēng)險(xiǎn)，較好地解決問(wèn)題。本文簡(jiǎn)述了一種基于STM32單片機(jī)作為操縱基本設(shè)計(jì)出的一款智能救援機(jī)器人，對(duì)于在復(fù)雜且危險(xiǎn)環(huán)境中的救援工作會(huì)有更好的解決辦法。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);智能救援機(jī)器人;集成電路

全世界各地深受地震、海嘯、泥石流等自然災(zāi)害的侵害，很多災(zāi)難難以避免，但是有效的救援能大大提高救援速率并且降低災(zāi)難帶來(lái)的損失。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的智能救援機(jī)器人，可以持續(xù)進(jìn)行單調(diào)的搜尋以及救援任務(wù)，不懼怕火、濃煙等危險(xiǎn)性高的有害物質(zhì);可以進(jìn)入險(xiǎn)惡地帶拍下資料供救援人員分析以便更好地研究。救援機(jī)器人技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和安全方面起著重要的作用。

一、智能救援機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

智能救援機(jī)器人主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、聲光報(bào)警模塊、檢測(cè)感應(yīng)模塊（避障、巡線、控制、測(cè)距功能）、控制器模塊這五部分構(gòu)成。

（一）車身設(shè)計(jì)及硬件電路設(shè)計(jì)

車身設(shè)計(jì)：履帶式移動(dòng)底盤(pán)需要在復(fù)雜工作環(huán)境中工作，同時(shí)要求進(jìn)行越障以及爬樓梯，因此履帶底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了履帶前角，方便救援機(jī)器人進(jìn)行越障。

硬件選型

1.開(kāi)發(fā)板的選型

本次設(shè)計(jì)選用的開(kāi)發(fā)板是常用的STM32。STM32系列基于專為要求高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用，為此特地設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3 微處理器核。小車的控制系統(tǒng)以STM32為主要控制芯片，運(yùn)用紅外線終端對(duì)管收集道路數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮STM32串口資源和高速的性能運(yùn)轉(zhuǎn)、出色的處理信息能力來(lái)實(shí)現(xiàn)巡線功能。

2.循跡模塊的選型

本模塊使用運(yùn)用脈沖調(diào)制原理制作的接收器，可以很大程度的減少外部因素的影響。而外紅外發(fā)射接收管的工作電流是由平均電流決定的，如果想要得到占空比小的調(diào)制信號(hào)，就會(huì)平均電流不變的情況下產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流（50～100mA），這就大幅度的增加了信噪比。

3.避障模塊的選型

選用避障模塊時(shí)主要有兩種選擇：一是超聲波模塊，二是紅外避障模塊。因?yàn)槭褂玫某暡ū苷夏K體積比較小，它的接收部分比較小，如果超聲波的反射聲波不是平行返回的話，接收到的信號(hào)就很弱，導(dǎo)致測(cè)距不準(zhǔn)確;而紅外避障模塊對(duì)光線的要求又比較高，因此，選擇兩者一起使用。紅外避障模塊可以彌補(bǔ)超聲波避障模塊的死區(qū)部分，使智能小車更加靈敏。

（二）硬件電路設(shè)計(jì)

1.電源模塊電路

該系統(tǒng)使用2種供電形式。由于STM32所需3.3V恒壓提供電力，而目前的充電電池隨著用電時(shí)間會(huì)有所變化會(huì)影響芯片的工作，因此本設(shè)計(jì)采用7.4V充電電池和低壓差穩(wěn)壓芯片TPS7350和TPS7333，以達(dá)到3.3V恒壓的目的; 整個(gè)供電系統(tǒng)是通過(guò)一節(jié)7.4V充電電池供電，STM32芯片須要3.3V電壓，循跡的基本功能須要5V電源供電，電機(jī)裝置可以用電池直接進(jìn)行供電，因此應(yīng)用電壓降比較小的TPS7350和TPS7333穩(wěn)定在5V和3.3V。

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件是由可以負(fù)荷大電流的MOS管和動(dòng)力集成電路IR2104組成的，微處理器輸出PWM波傳給驅(qū)動(dòng)集成電路，驅(qū)動(dòng)集成電路經(jīng)過(guò)管控來(lái)調(diào)整電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止。

二、智能救援機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

該救援機(jī)器人軟件操縱的一大部分使用JAVA語(yǔ)言編寫(xiě)，JAVA語(yǔ)言能更好的實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的各種操作，從而達(dá)到簡(jiǎn)便且精準(zhǔn)控制的目的。

（一）循跡功能的程序設(shè)計(jì)

循跡主要通過(guò)智能救援機(jī)器人前面的兩個(gè)循跡模塊采集地面的顏色信息，并把訊息發(fā)送給開(kāi)發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理，從而讓救援機(jī)器人的動(dòng)作能夠被控制，使用兩個(gè)傳感器一起工作，是為了能讓救援機(jī)器人實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確循跡。

（二）避障功能的程序設(shè)計(jì)

避障子程序的任務(wù)是判斷智能救援機(jī)器人行駛的路線上是否有障礙物，根據(jù)對(duì)周圍環(huán)境的識(shí)別來(lái)給智能救援機(jī)器人下達(dá)正確的運(yùn)行指令，最終避障。避障傳感器由左、右兩個(gè)紅外傳感器和一個(gè)加有舵機(jī)的超聲波避障模塊組成，三個(gè)傳感器一同工作，對(duì)地面障礙的勘測(cè)更加精準(zhǔn)。

三、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)自然災(zāi)害對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和安全造成的影響，為大幅提高救援效率以及減少損失，本文描述了對(duì)于智能救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。智能救援機(jī)器人可以進(jìn)行避障，自動(dòng)尋找路線，越過(guò)障礙物，并且通過(guò)多種傳感器將信息傳送救援人員進(jìn)行分析處理，在行進(jìn)過(guò)程中能夠識(shí)別地面的路況以及通過(guò)機(jī)械臂舉起和放下物件，為救援工作提供便利。救援機(jī)器人的研究和發(fā)展必將對(duì)保護(hù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和安全有著重大的意義。