張成　陸毅　段敏　韓昊東　王華東　趙志剛

摘 要：由于災(zāi)害現(xiàn)場搜救人員難以迅速展開救援工作，設(shè)計出本小車，小車以STC89C52單片機(jī)為核心控制器，采用WIFI模塊進(jìn)行人機(jī)互交，體感、聲感和光感模塊辨別位置，機(jī)械手執(zhí)行用戶操作，紅外和超聲波組合進(jìn)行避障。小車擁有成本低廉，操作方便，救援迅速等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣意義。

關(guān)鍵詞：搜救小車;STC89C52;避障;機(jī)械臂

中圖分類號：U462.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）03-39-03

前言

近些年來，計算機(jī)軟件編程的發(fā)展尤為迅速，各個領(lǐng)域趨向智能化，對機(jī)器人的需求越來越高。我國地震、火災(zāi)、泥石流、礦難以及有毒氣體泄漏等災(zāi)害頻發(fā)，由于災(zāi)害發(fā)生的48小時內(nèi)是最佳的救援時間，導(dǎo)致搜救工作異常艱巨，因此對搜救小車整體要求較高，設(shè)計出一個合理的搜救小車是十分必要的。

目前，國外一些發(fā)達(dá)國家早已將搜救機(jī)器人投入使用，例如美國的PackBot機(jī)器人、德國的AI智能蜘蛛機(jī)器人和日本的Quince機(jī)器人，應(yīng)用范圍廣，能夠滿足諸多使用要求。而國內(nèi)在智能搜救領(lǐng)域才剛剛起步。本小車運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)，多傳感器共同協(xié)作，機(jī)械手執(zhí)行操作命令，通過仿真與搭建受災(zāi)環(huán)境進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，保證裝置能夠準(zhǔn)確的運(yùn)行。

1 小車總體設(shè)計

將避障模塊、人體感知模塊布置在小車的前方;機(jī)械手安裝與小車的上部。本小車涉及多模塊控制與信息的采集和處理，為了提高運(yùn)算效率，將主程序按照模塊化運(yùn)行，系統(tǒng)的設(shè)計如圖1所示。

小車由多模塊采集信號，STC89C52處理，無線數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，操作人員發(fā)出指令控制小車。

2 模塊設(shè)計

2.1 人體感應(yīng)模塊設(shè)計

小車采用HC-SR501人體感應(yīng)模塊，HC-SR501采用德國進(jìn)口 LHI778 探頭，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，探測距離可達(dá)7米，完全能夠滿足需求。如2圖所示為感應(yīng)示意圖

2.2 聲音傳感器模塊

聲音傳感器，內(nèi)置一個對聲音敏感的電阻來實(shí)現(xiàn)對聲音的檢測，采用LM386聲音傳感器模塊，能夠?qū)⒁纛l信號放大200倍，可以準(zhǔn)確檢測周圍的聲音，輔助人體感應(yīng)模塊，精確找到被困人員的位置。

2.3 光感模塊

本模塊的設(shè)計，主要是應(yīng)對光線不良條件下，被困人員將光源作為求救信號的情況，增加小車的適應(yīng)性。

2.4 避障模塊設(shè)計

本模塊采用超聲波與紅外共同協(xié)作。超聲波模塊發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回，并計時。測距公式如下：

由于超聲波在距離過近時存在誤差，所以增加紅外測距模塊來彌補(bǔ)超聲波的不足，使測距更為準(zhǔn)確。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本裝置傳感器全部由嵌入式C語言編寫的子程序來實(shí)現(xiàn)各個模塊的預(yù)定功能，主程序流程圖如圖5所示。采用模塊化的設(shè)計思路[1]編寫各個子程序。

3 機(jī)械臂驅(qū)動

機(jī)械臂是該裝置的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于清除障礙物，方便搜救人員了解現(xiàn)場情況。本小車采用了六度自由的機(jī)械臂，由五個TBS-K20數(shù)字舵機(jī)組成，該數(shù)字舵機(jī)扭矩大、虛位小、速度快。工作時控制器控制電路接收信號源的控制脈沖，并驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的操作。單片機(jī)微處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制如圖5所示：

為了讓機(jī)械臂的運(yùn)動更準(zhǔn)確，特采用D-H模型對機(jī)械臂進(jìn)行建模，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]可得到連桿得D-H模型如圖6所示：

4 功能實(shí)現(xiàn)

首先通過CATIA 構(gòu)建機(jī)械臂數(shù)字模型，將運(yùn)動矩陣公式編入CATIA，進(jìn)行數(shù)字化驗(yàn)證;其次搭建模擬受災(zāi)現(xiàn)場，

通過軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，小車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。如圖7所示為將矩陣公式編入CATIA后通過輸入障礙物坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)夾取功能。

5 結(jié)論

本小車是以51單片機(jī)為控制核心，機(jī)械手作為主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過多傳感器的共同協(xié)作，在搭建的模擬場地中可以準(zhǔn)確無誤的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，該搜救小車可以滿足實(shí)際的救援需求，具有一定的市場價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 任勝兵，邢琳.軟件工程[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：132- 143.

[2] 王勇杰.多度自由機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[D]：北京：北京理工大學(xué)， 2016.

[3] 張珊珊.三電機(jī)驅(qū)動四自由度混聯(lián)機(jī)械臂分析與設(shè)計[D]：河北：燕山大學(xué)，2012.