多功能警用水下偵察打撈機器人的設計與實現

李煒賢 陳泓斌 李 博 尹文剛

武警警官學院

引言

當前,武警部隊在陸地和空中的先進武器裝備相繼列裝,但是水下警用設備還較為欠缺。伴隨著社會的發展與任務的驅動,海警部隊于2018年正式納入武警序列,武警部隊執勤的領域越來越廣泛,對水下設備的需求也越來越迫切。

因此,本課題圍繞武警部隊的相關任務需求,設計了一種多功能警用水下偵查打撈機器人。該設備能夠用于海關執勤中對船側、船底走私物的檢查,配合公安機關進行水下刑事證物的探測識別、涉案水下現場搜索調查任務,以及承擔重大水上賽事和會議期間的水下重點區域安保防護任務。

1 系統整體方案設計

該水下機器人采用了創新結構的設計方案,整體框架為PVC材質的圓柱體。四個螺旋槳在中部呈360度對稱分布,用于控制機器人的全向運動,可以實現無需轉向任意角度的航行。頂部的螺旋槳用于控制機器人下潛、上升、懸停。機器人中部安裝旋轉云臺,云臺上搭載高清攝像頭,云臺可實現左右360度旋轉,配合LED強光照明,擴大了偵察和搜索的范圍。底部安裝機械臂裝置,對目標物體實施打撈,所有與水接觸的元器件均作防水處理。本設計采用有線通信,既能保證水下信號傳輸的高效率,又能充當機器人故障時的保險繩,同時也有效節約了成本。系統整體設計電路如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 螺旋槳動力驅動電路設計 螺旋槳動力驅動采用L298N模塊,其內部包含4通道邏輯驅動電路,可接受標準TTL邏輯電平信號VSS。將單片機的電源引腳接入模塊5V輸出口,給單片機供電,相當于無形之中增加了一個降壓模塊。在電路中加入二極管,其作用是在產生反向電流時進行泄流,防止直流電機切換轉動方向產生很大的電流對芯片的損壞。驅動電機設計電路如圖2所示。

圖1 系統整體設計電路圖

圖2 驅動電機設計電路圖

2.2 機械臂舵機電路設計 舵機常用的控制信號是單片機內部定時器產生的周期為20毫秒左右的,寬度為1毫秒到2毫秒的脈沖信號。當舵機收到該信號后,會馬上激發出一個與之相同的,寬度為1.5毫秒的負向標準的中位脈沖。之后兩個脈沖在一個加法器中進行相加得到了所謂的差值脈沖。舵機電路設計電路如圖3所示。

圖3 舵機電路設計電路圖

2.3 攝像頭云臺電路設計 云臺由一個步進電機構成,電機可以360度正反旋轉,固定在水平底盤上。攝像頭安裝在云臺電機上,可以實現攝像頭左右自由旋轉,增加偵察視野。

3 系統軟件設計

3.1 驅動直流電機轉動程序 本設計采用直流電機作為控制機器人運動的核心,通過程序編寫控制電機正轉或者反轉,達到控制機器人前進,后退,左轉,右轉,下潛,上升的目的。

3.2 舵機步進電機轉動程序 本設計采用步進電機作為控制機械臂的核心,通過程序編寫控制步進電機正轉或者反轉,達到控制機械臂張開或者閉合的目的。步進電機轉動程序流程如圖5所示。

圖5 步進電機轉動程序流程圖

4 結論

本文設計地基于STC89C52單片機的多功能警用水下偵察打撈機器人。能有效地滿足武警部隊水下偵察與水下打撈的任務需求,為武警部隊更好的完成反恐維穩、安保警戒等任務打下堅實基礎。