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水陆两栖救灾机器人的设计分析

热度0票  浏览9次 时间:2017年5月18日 09:39
摘要:该项目基于单片微型计算机设计了一种水陆两用多功能救灾
机器人。该两栖救灾机器人结合了常见轮式车辆和快艇的特点,
又兼具了自动避障,路面监测,有害气体监测,原地掉头,温湿
度监测,人体检测,声音回传,语音播报等各项特色功能,再加
上多样化搭载平台的理念,具备了适应各种不同地形,不同灾害
的能力。

【关键词】单片微型计算机 水陆两栖机器人
灾情勘察救援
我国是一个自然灾害频发的国家,灾害发
生时急需救援人员及物资第一时间到达现场,
但洪涝、地震、火灾等灾害发生时极易导致道
路、管道受损,陆路无法通行,救灾人员无法
第一时间到达现场施救。常规事故的救灾方式
是根据事故类型确定救灾方案,因不能接近灾
害现场,无法详细了解灾害现场的状况,救灾
指挥中心难以制定有效的施救方案和措施,从
而造成不必要的人员伤亡和经济损失。随着科
技的发展,机器人将会大量应用到救灾领域。
1 硬件设计
1.1 微型处理器核心板最小系统
本作品采用 STM32F103 微型处理器作为
主控芯片,STM32F103 微型处理器是 ARM
Cortex-M3 核的 32 位微型处理器,设计最小
系统时,需要外加晶振电路和复位电路,同时
还需要考虑其引脚的连接与外设的合理分配。
1.2 摄像头及图像传输模块
该部分电路使用模块化解决方案,摄像
头采用安防微型 AV 摄像头,图像传输模块采
用安防无线图传模块。
1.3 电机驱动电路
本作品采用 BTS7960 芯片驱动电机,该
芯片是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯
片,要驱动两路电机正反转,则需要使用 4 块
芯片组成两路全桥。
1.4 显示屏电路
本作品所使用的 OLED12864 显示屏使用
SPI 通信协议,只需要 4 只 I/O 就能驱动。
1.5 语音识别模块电路
本作品使用 LD3320 语音识别芯片,在电
路设计中需要充分考虑电源的稳定以及录音时
水陆两栖救灾机器人的设计分析
文/庄泳 袁洪建 李会 杜凯凯
该项目基于单片微型计算机
设计了一种水陆两用多功能救灾
机器人。该两栖救灾机器人结合
了常见轮式车辆和快艇的特点,
又兼具了自动避障,路面监测,
有害气体监测,原地掉头,温湿
度监测,人体检测,声音回传,
语音播报等各项特色功能,再加
上多样化搭载平台的理念,具备
了适应各种不同地形,不同灾害
的能力。
对杂波的过滤,所以在设计中加入了许多电容。
1.6 传感器部分电路
本作品所使用的温湿度传感器、气压传
感器、地磁场传感器、红外传感器等均采用模
块化设计,其中温湿度传感器使用1-wire协议,
气压传感器和地磁场传感器使用 IIC 协议,红
外传感器使用 NEC 协议。
2 机械系统设计
2.1 行走动力及防撞避障机构
救灾机器人的常规驱动由两个电机完成,
通过多级齿轮传动,增大扭矩。两台电机可以
为车辆的行驶提供足够的动力,保证行驶速度,
并且可以通过两台电动机的互相配合达到转向
的目的。为了使救灾机器人在救援过程中充分
发挥作用,必须要保证其自身的安全,利用搭
载在车架上的摄像头,可以监测前方状况,并
及时做出调整,发现障碍物时,可利用机械手
臂对障碍物进行清理,有效减少车辆与障碍物
产生碰撞,保护车辆的安全。安装在车架上的
传感器可以检测识别障碍物的方位,随时自动
调整方向,避开障碍。
2.2 水路动力系统
当车辆在泥地、沙地、水面行驶时,需
要运用空气螺旋桨来提供动力,它由独立的电
机来驱动,并可以由蜗轮蜗杆来调整角度控制
方向。
3 控制系统设计
3.1 总体控制
本救援机器人在执行任务时,既要保证
车辆自身安全,又要第一时间到达救灾现场,
一个完善的控制系统是十分必要的。救援车启
动后前进,当遇到各种障碍时,可以使用安装
在车架上的传感器检测识别障碍物的方位,随
时自动调整方向,避开障碍。同时又兼具了路
面监测,有害气体监测,原地掉头,温湿度监测,
人体检测,声音回传,语音播报,并能通过视
频传输系统把现场情况实时传输到显示设备。
3.2 各分机构控制
救援车的每个动作都是由程序自动控制。
3.2.1 水陆切换模式
当水位系统探测到河流、湖泊或洪水时,
驱动左边车轮、驱动右边车轮停止,轮胎升降
系统启动,轮胎收起,启动螺旋桨旋转,救援
车进入水上模式;当水位系统探测到陆地时,
轮胎升降系统启动,轮胎着陆,救援车进入陆
上模式。
3.2.2 避障模式:分为陆路和水路两种方式来
分别实现
陆路:当红外监测系统闭合,说明右 ( 左 )
边有障碍物,驱动右 ( 左 ) 边车轮反转,救援
车后退一定距离。然后,电机驱动 ( 左 ) 右边
车轮正转,电机驱动 ( 右 ) 左边车轮反转,救
援车向左 ( 右 ) 转弯。车子向前走一段距离后,
进行与第一次转弯过程相反的右 ( 左 ) 转弯,
回到原来的行进方向上来继续行进。
水路:当红外监测系统闭合,说明右 ( 左 )
边有障碍物,螺旋桨转到右 ( 左 ) 侧,救援车
向左 ( 右 ) 行进一段距离后,回到原来的行进
方向继续行进。
3.2.3 工作模式
行进过程中,救援车前方会出现很多障
碍物不能前进时,可以通过摄像头和超声波检
测系统进行实时监测,使用机械手臂对障碍物
进行清理,从而使本车继续前进。该机器人搭
载人体检测和声音回传系统,可以检测现场是
否有人,并且可以通过声音回传系统把现场声
音回传到收音系统。该机器人还搭载可燃气体
检测和语音播报系统,当发现有可燃气体时,
语音系统可以分危险等级播报,并且可以把相
关数据实时传输到遥控显示器上,实现对检测
数据的远距离传输。
3.2.4 自动模式
当开启自动模式时,可以自动躲避前方
障碍物,同时可以根据救援车所在环境,自动
选择模式,自动对救援车的灯光进行控制,实
现自动化。
4 结论
该设计实现了水陆两栖救灾机器人的总
体方案设计,完成了机械方案设计及物理模型
的制作,对救灾机器人的运动功能进行了规划,
最后编制完成了整体控制程序并进行调试。该
两栖救灾机器人结合了常见轮式车辆和快艇的
特点,又兼具了自动避障,路面监测,有害气
体监测,原地掉头,温湿度监测,人体检测,
声音回传,语音播报等各项特色功能,再加上
多样化搭载平台的理念,具备了适应各种不同
地形,不同灾害的能力。
参考文献
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器人研究现状、关键性能及展望 [J]. 机
械工程学报 ,2006.
[5] 万佑红 . 机器人教育与大学生创新能力培
养的探索 [J]. 电气电子教学学报 ,2005.
作者简介
庄泳(1995-),男。大学本科学历,电子信
息工程。
作者单位
潍坊学院 山东省潍坊市 261061



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