張建+尹學愛

摘 要：為使機器人適應各種災區(qū)復雜地形，人員無法直接進入的惡劣環(huán)境執(zhí)行搜索、救援、運送物資或者在反恐救援中執(zhí)行反恐偵察或?qū)δ繕诉M行打擊的功能，設計了一種以STM32F103ZET6單片機為主控芯片、電腦上位機無線控制的四足機械結(jié)構(gòu)與輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的機器人。四足仿生行進和輪式行進均可使機器人靈活運動，保持高度的靈活性和多地形適應性。機器人攜帶高能電磁炮，可對目標實施物理攻擊，機器人采用C語言自主開發(fā)的電腦上位機無線控制，操作簡單，安裝方便，信號強度高，穿透能力強。

關(guān)鍵詞：四足仿生機器人；電磁炮；無線控制；實時視頻；激光瞄準

中圖分類號：TP242.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0039-03

1 概述

在當今自然界和人類社會中，存在著許多人類無法到達的地方和可能危及進入人員生命的特殊場合，如地震災區(qū)、防災救援、反恐救援等許多領域，對這些復雜環(huán)境不斷的探索和研究往往需要有機器人的介入[1]。于是足類步行機器人越來越多的出現(xiàn)在人們的眼前，常見的步行機器人以兩足式、四足式、六足式。其中，四足步行機器人機構(gòu)簡單且靈活，承載能力強、穩(wěn)定性好，在搶險救災、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應用前景，其研制工作一直受到國內(nèi)外的重視[2]。目前市面上四足機器人行進方式較為單一，其功能主要以行進為主，供觀賞娛樂玩耍，且大多數(shù)不具備遠程遙控能力、目標發(fā)射能力。為使機器人能夠適應多種復雜環(huán)境和地形，四足輪式機器人應運而生，足式移動方式與輪式技術(shù)的結(jié)合，既可通過輪式調(diào)節(jié)控制移動的效率，也可利用腿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)越障、避障等高效運動[2]。四足結(jié)構(gòu)有著良好的穩(wěn)定性和承載能力，但是行動較慢，所以我們將機器人的四足機械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設計出一套全新的四足輪式結(jié)構(gòu)，在開闊平坦的路面，采用輪式行進模式，行動迅速，反應敏捷；在坎坷不平的環(huán)境下，轉(zhuǎn)換為四足模型行進，輕松跨越障礙，進入目標區(qū)域；該結(jié)構(gòu)集四足模式優(yōu)點和輪式結(jié)構(gòu)優(yōu)點于一身，具有良好的復雜環(huán)境適應性。

2 原理及相關(guān)設備

2.1 基本原理

系統(tǒng)概述：控制上位機以C語言自主開發(fā)，利用電腦自帶串口通信功能，與機器人之間以無線串口通訊模塊進行數(shù)據(jù)指令傳輸，機器人控制核心接收到指令后，對接收到的指令進行處理識別，進而控制相應的機構(gòu)執(zhí)行指令要求的動作，自帶錄像功能，實時記錄機器人所處環(huán)境的情況。

2.2 相關(guān)設備

2.2.1 控制核心

該系統(tǒng)的控制核心采用STM32103ZET6芯片，其內(nèi)核是Cortex-M3。大容量Flash 512K。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種功能（如圖2）。

2.2.2 無線信號電路

無線信號傳輸采用SI4432TR4S芯片，SI4432TR4S采用Silicon公司的Si4432無線收發(fā)芯片，體積小巧，功耗低[3]，具有-121dBm的超高靈敏度，穿墻性能優(yōu)越。

Si4432TR4S模塊基本特點：

（1）完整的FSK收發(fā)器支持FSK、GFSK、OOK模式。（2）工作頻率433M/470M/868M/915M免費ISM頻段。（3）最大發(fā)射功率20dBm。（4）接收靈敏度高達-121dBm。（5）傳輸速率最大256Kbps。（6）工作電壓范圍：1.8V-3.6V。（7）FSK頻偏可編程（15～240KHz）。（8）接收帶寬可編程（67～400KHz）。（9）SPI兼容的控制接口，低功耗任務周期模式，自帶喚醒定時器。（10）低的接收電流（18.5mA），最大發(fā)射功率時的電流：90mA。（11）空曠通訊距離可達800米以上（波特率9.6Kbps，實測數(shù)據(jù)）。

主要應用：

工業(yè)遙控、遙控遙測、排隊系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線報警系統(tǒng)等。

2.2.3 四足機械結(jié)構(gòu)與輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合

四足結(jié)構(gòu)有著良好的穩(wěn)定性和承載能力，但是行動較慢，所以我們將機器人的四足機械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設計出一套全新的四足輪式結(jié)構(gòu)，在開闊平坦的路面，采用輪式行進模式，行動迅速，反應敏捷；在坎坷不平的環(huán)境下，轉(zhuǎn)換為四足模型行進，輕松跨越障礙，進入目標區(qū)域；該結(jié)構(gòu)集四足模式優(yōu)點和輪式結(jié)構(gòu)優(yōu)點于一身，具有良好的復雜環(huán)境適應性。

2.2.4 車輪控制電路

車輪控制電路采用LM298N模塊進行控制，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W[4]。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。

2.2.5 電磁炮充電電路

電磁炮[11]充電電壓為直流12V，經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換為220V直流電壓為電磁炮供能電容充電，兩個供能電容的耐壓值為450V，容量為1000uF。

2.2.6 電磁炮發(fā)射控制電路

單片機接收到發(fā)射指令后，控制普通繼電器打開，進而級聯(lián)控制大功率工業(yè)級繼電器閉合，實現(xiàn)供能電容瞬間放電，炮管內(nèi)線圈的瞬間大電流產(chǎn)生強磁，將炮彈發(fā)射出炮管，威力巨大，噪聲極低。為了保護控制核心及其他各結(jié)構(gòu)不受電磁炮發(fā)射時所產(chǎn)生的強磁干擾、損壞，我們在其線圈外加裝了一層磁屏蔽裝置，可保護其他結(jié)構(gòu)和設備正常工作。endprint

2.2.7 實時錄像系統(tǒng)

自帶錄像裝置，實時記錄機器人前方情況的視頻資料。插卡儲存錄像，支持8-32G TF卡、SD卡。

2.2.8 激光輔助瞄準系統(tǒng)

激光輔助瞄準系統(tǒng)采用5V十字激光器，覆蓋范圍大，清晰明確，易于尋找和瞄準。機器人攜帶高能電磁炮，利用激光指示器瞄準，攻擊時低噪音，對目標實施有效物理打擊。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機程序設計

該部分包括主程序、無線接收中斷服務程序、通信波特率定時器中斷服務程序、串行中斷服務程序、定時器中斷服務程序、接收數(shù)據(jù)處理程序及定時器通道復用程序模塊，各模塊功能如下：主程序主要完成初始化及接受指令、控制各部分功能程序，控制上位機以C語言自主開發(fā)，利用電腦自帶串口通信功能，與機器人之間以無線串口通訊模塊進行數(shù)據(jù)指令傳輸，機器人控制核心接收到指令后，對接收到的指令進行處理識別，進而控制相應的機構(gòu)執(zhí)行指令要求的動作。

3.2 上位機程序設計

上位機的編寫語言為C，C語言是.NET框架中新一代的開發(fā)工具。C語言是一種現(xiàn)代、面向?qū)ο蟮恼Z言，它簡化了C++語言在類、命名空間、方法重載和異常處理等方面的操作，它摒棄了C++的復雜性，更易使用，更少出錯。它使用組件編程，和VB一樣容易使用。

4 實驗應用

憑借其出眾的越野越障能力和良好的機動性，可適應多種復雜地形復雜環(huán)境，可進入地震災區(qū)等惡劣環(huán)境執(zhí)行偵查、搜索、救援、運送救災物資等工作，也可執(zhí)行反恐偵查等任務且具備對目標實施有效打擊的能力。

5 結(jié)束語

硬件電路制作完成并調(diào)整好以后，將程序編譯好下載到單片機試運行。該機器人各機構(gòu)運行良好，各功能均已實現(xiàn)，能夠以四足模式跨越障礙，又能以輪式行進，實際測試電磁炮可在4米之外打爆氣球；無線信號傳輸穩(wěn)定可靠，可穿透鋼筋水泥墻壁；電磁炮充電過程安全無誤，整體運行狀況良好。系統(tǒng)將硬件操作、無線傳輸及串行通信三者結(jié)合起來，從而實現(xiàn)了遠程進行控制機器人的功能。本機器人的上位機軟件具有很好的可移植性。

參考文獻：

[1]呂原君，陳瓊.基于虛擬仿真的四足機器人步態(tài)分析[J].河北科技師范學院學報，2008.

[2]王吉岱，盧坤媛，徐淑芬，等.四足步行機器人研究現(xiàn)狀及展望[J].制造業(yè)自動化，2009.

[3]徐富新，向超，劉雁群，等.實驗室測試數(shù)據(jù)實時收發(fā)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學，2015.

[4]賈瑞.基于Arduino Mega2560的無線監(jiān)控小車設計[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2013.

[5]徐愛鈞.智能化測量控制儀表原理與設計[M].北京航空航天大學出版社，1995.

[6][美]Mark Nelson.串行通信開發(fā)指南[M].中國水利水電出版社，2000.

[7]扈嘯，周旭升.單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通[M].西安電子科技大學出版社，2002.

[8]雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機器人的研究現(xiàn)狀及展望[D].北京：北京航空航天大學，2006.

[9]徐軼群，萬隆君.四足步行機器人腿機構(gòu)及其穩(wěn)定性步態(tài)控制[J].機械科學與技術(shù)，2003.

[10]Jones Bryan A.機器人連續(xù)運動的實時執(zhí)行[Z].電氣與電子工程師協(xié)會理事會關(guān)于機器人技術(shù)，2006.

[11]金志明.高速推進內(nèi)彈道學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001.

[12]李小鵬，李立毅.重接式電磁發(fā)射技術(shù)的現(xiàn)狀及應用前景[J].中國科技論文在線，2009.

[13]王京，肖華，何焰藍.自控式電磁線圈炮[J].物理實驗，2004：24（10）.endprint