水陆两栖救灾机器人

发布者:系统管理员发布时间:2016-11-03浏览次数:67

水陆两栖救灾机器人

所属专业:电子信息工程

主要作者:庄泳 韦兴旺 郑一啸 赵衍蕾 袁洪建

指导教师:杜德 程志强

作品的构思

我国是一个自然灾害频发的国家,灾害种类多、频率高、季节性强。灾害发生时急需救援人员及物资第一时间到达现场,但泥石流、洪涝、地面冰冻及地震等灾害发生时极易导致道路受损,陆路无法通行等状况,这时如采用常规救援车辆会存在诸多的限制。

我们团队设计一种广泛适用于多样自然灾害复杂路面状况,并具备了自动避障功能的水陆两栖救灾机器人。该救灾机器人结合了轮式车辆和快艇的特点,通过两边轮胎的自由升降,使其实现了水陆两用的功能,且由于结构的特点可使其广泛适应于水面、冰雪路面、草地、沙地、沼泽、芦苇荡等多种复杂的路面状况。研究内容主要是救灾机器人的机械结构和控制系统设计。

该水陆两栖救灾机器人程序搭载微型操作系统,能够对各种复杂任务进行统一管理,实现资源的合理分配。在开机并对硬件进行初始化后,程序进入综合管理平台,其中包含动作管理、语音管理、通信管理、操作界面管理、传感器的协调和休眠策略。

 

制作过程

第一步:制作作品首先要有控制芯片,该水陆两栖救灾机器人采用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。其核心板最小系统原理图如图1所示。

   
 

1  最小系统板原理图

 

第二步:如果要想实现图像的传输,那么首先要有摄像头,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,大大简化了电路的设计。其原理图如图2所示。

2  视频模块原理图

 

 

第三步:要想让电机动起来,那么就需要电机的驱动芯片,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。其原理图如图3所示。


 

3  电机驱动模块原理图

 

第四步:要想知道机器人的信息,就需要用显示屏来显示,本作品所使用OLED12864显示屏使用SPI通信协议,只需要4I/O就能驱动。其原理图如图4所示。

                     图 4  显示模块原理图

 

第六步:要想实现数据的采集和障碍物的检测,就需要传感器电路,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。其原理图如图6所示。

 

6  传感器模块原理图

第七步;当以上元器件准备就绪后(以上元件可到某宝购买),接下来就是元件的自行拼装,拼装之前,先要有一个总体规划和一个全局的设计,避免有些元件位置上发生冲突,造成不必要的麻烦。

第八步:拼装完成后可自行编程。

工作原理

救援机器人一共分为四种模式,每个模式都是由程序自动控制

(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。

(2) 避障模式。分为陆路和水路两种方式来分别实现。

:当红外监测系统闭合,说明右( ) 边有障碍物,驱动右( )边车轮反转,救援车后退一定距离。然后,电机驱动( )右边车轮正转,电机驱动() 左边车轮反转,救援车向左( ) 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( ) 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( ) 边有障碍物,螺旋桨转到右( ) 侧,救援车向左( ) 行进一段距离后,回到原来的行进方向继续行进。

( 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无线传输。

(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,实现自动化控制。

 

创新点

基于单片机设计了一种水陆两用多功能救灾机器人。可以使用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,同时又兼具了路面监测,以及有害气体监测,温湿度监测,语音播报,人体检测,并能通过无线传输将灾害现场采集的数据、图像、声音实时传输到终端设备,这些参数为制定相应的救灾决策提供依据,远程PC可对机器人的移动进行控制。

作品照片

 

  

实物图

 

 


 

实物图

 


 

实物图

 

 

 

 

 


 

3D图

 


 

3D图

 


3D图