梁嘉輝 鄭景星 李明邦 張鋒

摘 要 目前在國內(nèi)外市場中已經(jīng)有成熟的兩棲機器人產(chǎn)品，但是市面上的產(chǎn)品價格昂貴，設計復雜，結(jié)構(gòu)單一，功能比較簡單，不能滿足現(xiàn)實中各種實際場景的需要，而且一體式的結(jié)構(gòu)使機器人變得笨重，不夠靈活，限制了兩棲機器人的發(fā)展。所以，我們決定跳出一體式結(jié)構(gòu)的格局，將無人機和智能小車通過可分離結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。使之可以根據(jù)任務的需求，進行結(jié)合或者分離，解決了因一體式結(jié)構(gòu)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(jié)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(jīng)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(nèi)外在研究和使用的偵察機器人系統(tǒng)分為空中偵察機器人系統(tǒng)和陸地偵察機器人系統(tǒng)兩大系列，均具有明顯的優(yōu)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(xiàn)空中飛行的同時兼顧地面行走，實現(xiàn)了陸空兩棲偵察，不但打破了一體式設計，而且對現(xiàn)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(nèi)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(tǒng)包括機車結(jié)合移動平臺和地面站控制系統(tǒng)兩大主體部分。機車結(jié)合移動平臺分為無人機系統(tǒng)、車位停放系統(tǒng)和探測車系統(tǒng)，其中，無人機系統(tǒng)包括供電電源、飛控單元、無刷電機驅(qū)動調(diào)速單元、GPS、攝像頭以及通信模塊，車位停放系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、舵機驅(qū)動和通信模塊，探測車系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、通信模塊、電機驅(qū)動、舵機驅(qū)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(tǒng)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(qū)動，并且可以通過視頻采集卡經(jīng)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(nèi)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(zhuǎn)換，因此具有很好的低功耗特性。與傳統(tǒng)8位16位單片機相比，ARMCortexM3 32bit處理器具有更高的代碼執(zhí)行效率。

1.3 低功耗通信單元（NRF24L01）

本系統(tǒng)中的通訊單元如圖2所示。

NRF24L01具有126個通訊通道，6個數(shù)據(jù)通道，4線SPI通訊端口，滿足多點通訊和調(diào)頻需要，通訊速率最高可達8Mbps，數(shù)據(jù)包每次可傳輸1～32Byte的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包長度，功率頻道和協(xié)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(xiàn)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(fā)射模式下發(fā)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(tǒng)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(diào)版本，固定版本可輸出3.3V、5V、12V，可調(diào)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(xiàn)象，有利于對系統(tǒng)模塊的保護，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。利用該器件無需大量的外圍電路便可構(gòu)成穩(wěn)壓電路，應用到本設計中，通過調(diào)節(jié)電位器來輸出3.3V、5V以及其他的電壓來驅(qū)動各個芯片來協(xié)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(nèi)部含有溫度感測器、包含在運作環(huán)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(shù)字形式輸出四元數(shù)（quaternion） 、6軸旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。其工作電壓范圍寬，產(chǎn)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(qū)動單元（TB6612FNG）

TB6612FNG是東芝半導體公司生產(chǎn)的一款直流電機驅(qū)動器件。如圖3示，與傳統(tǒng)L298N相比，不僅功率因數(shù)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(qū)動兩個電機，實現(xiàn)4種電機控制模式。模塊片內(nèi)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(qū)動電路簡單。

2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件終端是通過安卓App來實現(xiàn)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(tǒng)通過設定一定的時間向手機客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而實現(xiàn)實時監(jiān)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(xiàn)場之前根據(jù)現(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(guī)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(jié)論

目前從國內(nèi)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(fā)展趨勢來說國內(nèi)外的兩棲機器人還在逐漸的發(fā)展階段，其中發(fā)展比較成熟的就是水陸兩棲機器人，有的已經(jīng)投入到軍事，工業(yè)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(shù)趨于大型化，只有大型企業(yè)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。

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