水上救援機(jī)器人

魏若楠 閆琪 管英含 王勇 齊新皓

摘? ?要：本文介紹了一種運(yùn)用遠(yuǎn)程控制的方式，完成水上救援任務(wù)的水上救援機(jī)器人的設(shè)計。本文首先闡述了救援機(jī)器人以STM32單片機(jī)作為主要控制器，使用2.4G無線通信技術(shù)模塊作為遠(yuǎn)程通信方式，然后介紹了通過對電調(diào)輸入脈寬調(diào)制信號用以驅(qū)動無刷電機(jī)推動船體運(yùn)行的船體的遠(yuǎn)程控制方式，使其迅速并且穩(wěn)定的運(yùn)送救生裝備至所需救援地點，完成救援的任務(wù)。

關(guān)鍵詞：水上救援機(jī)器人? STM32芯片? 2.4G遠(yuǎn)程控制? 船模結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0056-02

正在世界各地各類自然人為災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。在災(zāi)難救援中，救援人員只有非常短的時間（約48 h）用于尋找幸存者，否則發(fā)現(xiàn)幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的環(huán)境下，救援機(jī)器人的出現(xiàn)可以為其提供有效幫助。

1? 主系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)由處理器（采用STM32，運(yùn)算速度快，程序儲存空間大，外圍接口多），遠(yuǎn)程控制模塊（采用2.4G無線通信模塊），電機(jī)電調(diào)部分（直流無刷電機(jī)，無刷電調(diào)）等部分組成。

2? 相關(guān)原理

2.1 主控芯片

系統(tǒng)采用ST（意法半導(dǎo)體）公司成產(chǎn)的STM32F103芯片，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，ARM-V7架構(gòu)。Cortex-M3 擁有強(qiáng)勁性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢。

該芯片的優(yōu)異性主要體現(xiàn)在如下方面：

（1）以8位機(jī)的價格得到32位機(jī)。

（2）擁有SPI、IIC、USB、CAN、ADC、DAC等外設(shè)機(jī)功能。

（3）實時性能好。84個中斷，16個可編程優(yōu)先級，并且每個引腳都可以作為中斷輸入。

（4）較低的開發(fā)成本。支持SWD和JTAG兩種調(diào)試，可以為仿真調(diào)試帶來便利。

2.2 電機(jī)調(diào)速原理

本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）技術(shù)進(jìn)行調(diào)速，它是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制，利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

該技術(shù)以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需的波形。按一定規(guī)則對各脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

在STM32F103芯片上，PWM產(chǎn)生原理如下：

假定定時器工作在向上計數(shù) PWM模式，且當(dāng) CNT=CCRx 時輸出1。就可以得到如下的PWM示意圖（圖1）：當(dāng)CNT值小于CCRx的時候，IO輸出低電平（0），當(dāng)CNT值大于等于CCRx的時候，IO輸出高電平（1），當(dāng)CNT達(dá)到ARR值的時候，重新歸零，然后重新向上計數(shù)，依次循環(huán)。改變CCRx的值，就可以改變PWM輸出的占空比，改變ARR的值，就可以改變PWM輸出的頻率，這就是PWM輸出的原理。

3? 遠(yuǎn)程控制

我們選擇了2.4G無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程控制方式。2.4G無線通信技術(shù)是一種工作在全球免申請ISM頻道2400M-2483M范圍內(nèi)的無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)點對點近距離無線傳輸，具有使用方便、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點。

4? 船模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 船模的浮力和穩(wěn)性

船模的穩(wěn)定性：浮在水面的艦船模型受外力作用會發(fā)生傾斜，當(dāng)外力作用消失時，模型會恢復(fù)原來狀態(tài)，

在我們實際制作船模中，在保證模型的強(qiáng)度的前提下，要盡量減輕模型的重量，尤其是上層的重量。

4.2 確定船模結(jié)構(gòu)

在經(jīng)歷了對船體模型的各種受力因素的分析之后。我們決定采用梭型結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖3）。

5? 配件的選擇

5.1 電機(jī)的選擇

經(jīng)過對市面現(xiàn)有電機(jī)的查找，我們決定使用直流無刷電機(jī)作為動力源。通過電調(diào)對電機(jī)轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

直流無刷電機(jī)的優(yōu)點：

（1）可替代直流電機(jī)調(diào)速、變頻器+變頻電機(jī)調(diào)速、異步電機(jī)+減速機(jī)調(diào)速;

（2）具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu);

（3）可以低速大功率運(yùn)行，可以省去減速機(jī)直接驅(qū)動大的負(fù)載;

（4）體積小、重量輕、出力大;

（5）轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異，中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小;

（6）無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng);

5.2 電池的選擇

我們在能量型電池組和功率型電池組中做了對比。

能量型電池以高能量密度為特點，主要用于高能量輸出;功率型電池以高功率密度為特點，主要用于瞬間高功率輸入、輸出的電池。從我們的目的和電池性能方面出發(fā)，我們需要它有爆發(fā)力和耐力。這明顯是功率型電池的優(yōu)勢，能量型的雖然有耐力但是爆發(fā)力太小，因此，我們在電源的選擇上選擇了功率型電池組

6? 控制程序設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計的主要任務(wù)是完成船模的遠(yuǎn)程控制功能（圖9），其主要實現(xiàn)的過程是：打開開關(guān)無線通信模塊進(jìn)行初始化對頻，搜索目標(biāo)并連接，等待發(fā)射端發(fā)送信號，通過無線通信傳至處理器。通過與期望值進(jìn)行比較，處理器根據(jù)偏差值輸出一定的PWM脈沖，電調(diào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)舵機(jī)角度，實現(xiàn)船模的遠(yuǎn)程控制。

在此過程中，包括控制芯片、無線通信模塊、電機(jī)和舵機(jī)的初始化，比如對I/O口，定時器，中斷等進(jìn)行初始化。在設(shè)定到目標(biāo)后進(jìn)行控制，在對船模的控制中，引入了飛控中的航向角，即用航向角來控制左右轉(zhuǎn)向。

7? 結(jié)語

本文介紹了一種基于STM32F103芯片做控制，2.4G無線通信模塊人工控制而設(shè)計出的水上救援模型。該模型現(xiàn)已可以對小范圍內(nèi)的固定目標(biāo)進(jìn)行救援，可以攜帶救援裝備快速達(dá)到目標(biāo)附近，從而實現(xiàn)救助功能。該模型目前形體較小所攜帶的救援設(shè)備較少，但可以按比例增大模型體積，攜帶更多的救援設(shè)備，實現(xiàn)短時間為多人運(yùn)送救援裝備的目的。具有較強(qiáng)的實用價值。該模型操作方法簡單，速度較快，制作成本較為低廉，適合大范圍推廣，具有極大的應(yīng)用前景。

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