水陆两栖救灾机器人的设计

摘 要 该项目基于单片微型计算机设计了一种水陆两用多功能救灾机器人。该两栖救灾机器人结合了常见轮式车辆和快艇的特点，又兼具了自动避障，路面监测，有害气体监测，原地掉头，温湿度监测，人体检测，声音回传，语音播报等各项特色功能，再加上多样化搭载平台的理念，具备了适应各种不同地形，不同灾害的能力。

【关键词】单片微型计算机 水陆两栖机器人 灾情勘察救援

我国是一个自然灾害频发的国家，灾害发生时急需救援人员及物资第一时间到达现场，但洪涝、地震、火灾等灾害发生时极易导致道路、管道受损，陆路无法通行，救灾人员无法第一时间到达现场施救。常规事故的救灾方式是根据事故类型确定救灾方案，因不能接近灾害现场，无法详细了解灾害现场的状况，救灾指挥中心难以制定有效的施救方案和措施，从而造成不必要的人员伤亡和经济损失。随着科技的发展，机器人将会大量应用到救灾领域。

1 硬件设计

1.1 微型处理器核心板最小系统

本作品采用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。

1.2 摄像头及图像传输模块

该部分电路使用模块化解决方案，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。

1.3 电机驱动电路

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。

1.4 显示屏电路

本作品所使用的OLED12864显示屏使用SPI通信协议，只需要4只I/O就能驱动。

1.5 语音识别模块电路

本作品使用LD3320语音识别芯片，在电路设计中需要充分考虑电源的稳定以及录音时对杂波的过滤，所以在设计中加入了许多电容。

1.6 传感器部分电路

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。

2 机械系统设计

2.1 行走动力及防撞避障机构

救灾机器人的常规驱动由两个电机完成，通过多级齿轮传动，增大扭矩。两台电机可以为车辆的行驶提供足够的动力，保证行驶速度，并且可以通过两台电动机的互相配合达到转向的目的。为了使救灾机器人在救援过程中充分发挥作用，必须要保证其自身的安全，利用搭载在车架上的摄像头，可以监测前方状况，并及时做出调整，发现障碍物时，可利用机械手臂对障碍物进行清理，有效减少车辆与障碍物产生碰撞，保护车辆的安全。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。

2.2 水路動力系统

当车辆在泥地、沙地、水面行驶时，需要运用空气螺旋桨来提供动力，它由独立的电机来驱动，并可以由蜗轮蜗杆来调整角度控制方向。

3 控制系统设计

3.1 总体控制

本救援机器人在执行任务时，既要保证车辆自身安全，又要第一时间到达救灾现场，一个完善的控制系统是十分必要的。救援车启动后前进，当遇到各种障碍时，可以使用安装在车架上的传感器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，有害气体监测，原地掉头，温湿度监测，人体检测，声音回传，语音播报，并能通过视频传输系统把现场情况实时传输到显示设备。

3.2 各分机构控制

救援车的每个动作都是由程序自动控制。

3.2.1 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。

3.2.2 避障模式：分为陆路和水路两种方式来分别实现

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

3.2.3 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传输。

3.2.4 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。

4 结论

该设计实现了水陆两栖救灾机器人的总体方案设计，完成了机械方案设计及物理模型的制作，对救灾机器人的运动功能进行了规划，最后编制完成了整体控制程序并进行调试。该两栖救灾机器人结合了常见轮式车辆和快艇的特点，又兼具了自动避障，路面监测，有害气体监测，原地掉头，温湿度监测，人体检测，声音回传，语音播报等各项特色功能，再加上多样化搭载平台的理念，具备了适应各种不同地形，不同灾害的能力。

参考文献

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作者简介

庄泳（1995-），男。大学本科学历。主要研究方向为电子信息工程。

作者单位

潍坊学院 山东省潍坊市 261061