基于STM32的可分離式兩棲機器人設計

梁嘉輝 鄭景星 李明邦 張鋒

摘 要 目前在國內外市場中已經有成熟的兩棲機器人產品，但是市面上的產品價格昂貴，設計復雜，結構單一，功能比較簡單，不能滿足現實中各種實際場景的需要，而且一體式的結構使機器人變得笨重，不夠靈活，限制了兩棲機器人的發展。所以，我們決定跳出一體式結構的格局，將無人機和智能小車通過可分離結構結合在一起。使之可以根據任務的需求，進行結合或者分離，解決了因一體式結構而無法再特殊地進行工作的問題。

關鍵詞 兩棲；機器人；可分離結合；特殊地形

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）226-0139-02

“十一五”期間，中國已經把“廢墟搜索與輔助救援機器人”列入國家863項目，由此可見救援機器人的重要性。目前，國內外在研究和使用的偵察機器人系統分為空中偵察機器人系統和陸地偵察機器人系統兩大系列，均具有明顯的優勢特點。

本文設計一種可分離式兩棲救援、巡檢、偵察機器人，在實現空中飛行的同時兼顧地面行走，實現了陸空兩棲偵察，不但打破了一體式設計，而且對現有偵察機器人體系的進行有利補充。在軍事、救援和勘測等方面以及提升勞動效率，降低人員的危險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器也相應的成為國內外軍方、科研以及其他團隊研究的熱點，所以市場前景非常樂觀。

1 硬件設計

1.1 兩棲機器人的整體設計

系統包括機車結合移動平臺和地面站控制系統兩大主體部分。機車結合移動平臺分為無人機系統、車位停放系統和探測車系統，其中，無人機系統包括供電電源、飛控單元、無刷電機驅動調速單元、GPS、攝像頭以及通信模塊，車位停放系統包括供電電源、主控單元、舵機驅動和通信模塊，探測車系統包括供電電源、主控單元、通信模塊、電機驅動、舵機驅動、傳感器采集與處理電路、照明燈模塊和報警裝置。地面站控制系統包括主控單元、供電電路、按鍵輸入檢測單元、報警處理電路、通信模塊、AD采集模塊以及顯示屏驅動，并且可以通過視頻采集卡經USB在上位機上實時顯示當前畫面信息。

1.2 MCU微控制器單元

硬件主控采用stm32f103rct6，高性能的ARMCortexM3 32bit的內核，片上集成32-512KB的Flash存儲器。6-64KB的SRAM存儲器，最高工作頻率72MHz，豐富的增強型外設和IO端口，所有的型號的控制器都有12位的ADC和16位的通用定時器，還包含標準的通信接口，可以很方便的接入傳感器來采集信號，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的供電電壓并且無需電平轉換，因此具有很好的低功耗特性。與傳統8位16位單片機相比，ARMCortexM3 32bit處理器具有更高的代碼執行效率。

1.3 低功耗通信單元（NRF24L01）

本系統中的通訊單元如圖2所示。

NRF24L01具有126個通訊通道，6個數據通道，4線SPI通訊端口，滿足多點通訊和調頻需要，通訊速率最高可達8Mbps，數據包每次可傳輸1～32Byte的數據，數據傳輸速率支持1Mbps、2Mbps，可以通過軟件設置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數據包長度，功率頻道和協議，幾乎可以連接到各種單片機芯片，MCU可與該芯片通過SPI接口訪問芯片的寄存器進行配置，達到控制模塊、通過該模塊實現無線通訊的目的。NRF24L01具有極低的電流消耗，在接收模式下電流消耗為12.3mA，在發射模式下發射功率為0dBm時電流消耗僅為11.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低，大大減少了系統的電能消耗。

1.4 電源供電設計（LM2596）

LM2596具有固定輸出版本和可調版本，固定版本可輸出3.3V、5V、12V，可調版本可以輸出小于37V的各種電壓，工作模式有低功耗/正常兩種模式，可通過外部電路控制。本芯片具有電流限制、保護電路熱管斷電路等，能夠減少短路，過流現象，有利于對系統模塊的保護，同時具有很好的線性和負載調節特性。利用該器件無需大量的外圍電路便可構成穩壓電路，應用到本設計中，通過調節電位器來輸出3.3V、5V以及其他的電壓來驅動各個芯片來協同工作。

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，模塊內部含有溫度感測器、包含在運作環境中僅有±1%變動的振蕩器。其體積小巧，用途非常廣，角速感測范圍±250、±500、±1000與±2000°/sec，測量精度高。模塊以數字形式輸出四元數（quaternion） 、6軸旋轉矩陣、3軸角速度感測器和歐拉角格式（Euler Angle forma）的融合演算數據。其工作電壓范圍寬，產品傳輸可透過最高至400kHz的IIC，可精確追蹤快慢動作，應用范圍廣。

1.6 探測車電機驅動單元（TB6612FNG）

TB6612FNG是東芝半導體公司生產的一款直流電機驅動器件。如圖3示，與傳統L298N相比，不僅功率因數提高了很多，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，PWM支持頻率高達100kHz，具有雙通道輸出，可同時驅動兩個電機，實現4種電機控制模式。模塊片內含有低壓檢測電路與熱停機保護電路。具有良好的散熱能力和電路保護能力，無需外加其他散熱片，驅動電路簡單。

2 軟件設計

系統的軟件終端是通過安卓App來實現的，如圖4所示，通過安卓App來與硬件終端進行信息交流，硬件系統通過設定一定的時間向手機客戶端發送數據包，從而實現實時監測偵查地有害氣體濃度，電壓，溫度，小車速度等情況，讓我們在第一時間獲得偵查地相關信息。救助人員在趕到現場之前根據現場相關信息制定相應的救護措施以及救援準備，在一定程度上降低了不必要的損失和減少不必要的麻煩，為事故救援處理進一步智能化，達到減少人員傷亡等意外的發生的目的。本App具有良好的UI界面，操作簡單方便，具有良好的用戶體驗感。

3 系統測試

無人機可載小車到達目的地，可以在手機或電腦進行航線規劃，可以一鍵返航。小車能夠以第一稱視角探測地面的路況，能夠測量出相應的溫度、二氧化碳濃度、電壓。

4 結論

目前從國內市場看來，機器人的市場在慢慢地擴大，但是兩棲機器人的市場還有很大的一片空白。從發展趨勢來說國內外的兩棲機器人還在逐漸的發展階段，其中發展比較成熟的就是水陸兩棲機器人，有的已經投入到軍事，工業的場所之中。相比之下，陸空兩棲機器人還處于起步階段，大多數趨于大型化，只有大型企業或者軍事場所才能使用。因此我們這款低成本，小型兩棲機器人更迎合大眾的要求。

參考文獻

[1]于海生.微型計算機控制技術[M].北京：清華大學出版社，2003：1-50.

[2]馮準.嵌入式視覺導航智能小車系統[D].南京：東南大學，2008：15-45.

[3]張廣玉，張洪濤，李隆球，等.四旋翼微型飛行器設計[J].哈爾濱理工大學學報，2012.17（3）：110-114 .

[4]陳亮.一種新型的水陸兩棲球形機器人的研究[D].北京：北京郵電大學，2012：2-5.