多功能警用水下侦察打捞机器人的设计与实现

李炜贤 陈泓斌 李 博 尹文刚

武警警官学院

引言

当前,武警部队在陆地和空中的先进武器装备相继列装,但是水下警用设备还较为欠缺。伴随着社会的发展与任务的驱动,海警部队于2018年正式纳入武警序列,武警部队执勤的领域越来越广泛,对水下设备的需求也越来越迫切。

因此,本课题围绕武警部队的相关任务需求,设计了一种多功能警用水下侦查打捞机器人。该设备能够用于海关执勤中对船侧、船底走私物的检查,配合公安机关进行水下刑事证物的探测识别、涉案水下现场搜索调查任务,以及承担重大水上赛事和会议期间的水下重点区域安保防护任务。

1 系统整体方案设计

该水下机器人采用了创新结构的设计方案,整体框架为PVC材质的圆柱体。四个螺旋桨在中部呈360度对称分布,用于控制机器人的全向运动,可以实现无需转向任意角度的航行。顶部的螺旋桨用于控制机器人下潜、上升、悬停。机器人中部安装旋转云台,云台上搭载高清摄像头,云台可实现左右360度旋转,配合LED强光照明,扩大了侦察和搜索的范围。底部安装机械臂装置,对目标物体实施打捞,所有与水接触的元器件均作防水处理。本设计采用有线通信,既能保证水下信号传输的高效率,又能充当机器人故障时的保险绳,同时也有效节约了成本。系统整体设计电路如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 螺旋桨动力驱动电路设计 螺旋桨动力驱动采用L298N模块,其内部包含4通道逻辑驱动电路,可接受标准TTL逻辑电平信号VSS。将单片机的电源引脚接入模块5V输出口,给单片机供电,相当于无形之中增加了一个降压模块。在电路中加入二极管,其作用是在产生反向电流时进行泄流,防止直流电机切换转动方向产生很大的电流对芯片的损坏。驱动电机设计电路如图2所示。

图1 系统整体设计电路图

图2 驱动电机设计电路图

2.2 机械臂舵机电路设计 舵机常用的控制信号是单片机内部定时器产生的周期为20毫秒左右的,宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。当舵机收到该信号后,会马上激发出一个与之相同的,宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。之后两个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲。舵机电路设计电路如图3所示。

图3 舵机电路设计电路图

2.3 摄像头云台电路设计 云台由一个步进电机构成,电机可以360度正反旋转,固定在水平底盘上。摄像头安装在云台电机上,可以实现摄像头左右自由旋转,增加侦察视野。

3 系统软件设计

3.1 驱动直流电机转动程序 本设计采用直流电机作为控制机器人运动的核心,通过程序编写控制电机正转或者反转,达到控制机器人前进,后退,左转,右转,下潜,上升的目的。

3.2 舵机步进电机转动程序 本设计采用步进电机作为控制机械臂的核心,通过程序编写控制步进电机正转或者反转,达到控制机械臂张开或者闭合的目的。步进电机转动程序流程如图5所示。

图5 步进电机转动程序流程图

4 结论

本文设计地基于STC89C52单片机的多功能警用水下侦察打捞机器人。能有效地满足武警部队水下侦察与水下打捞的任务需求,为武警部队更好的完成反恐维稳、安保警戒等任务打下坚实基础。