水上救援機器人

魏若楠 閆琪 管英含 王勇 齊新皓

摘? ?要：本文介紹了一種運用遠程控制的方式，完成水上救援任務的水上救援機器人的設計。本文首先闡述了救援機器人以STM32單片機作為主要控制器，使用2.4G無線通信技術模塊作為遠程通信方式，然后介紹了通過對電調輸入脈寬調制信號用以驅動無刷電機推動船體運行的船體的遠程控制方式，使其迅速并且穩定的運送救生裝備至所需救援地點，完成救援的任務。

關鍵詞：水上救援機器人? STM32芯片? 2.4G遠程控制? 船模結構

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0056-02

正在世界各地各類自然人為災難經常發生。在災難救援中，救援人員只有非常短的時間（約48 h）用于尋找幸存者，否則發現幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的環境下，救援機器人的出現可以為其提供有效幫助。

1? 主系統設計

該系統由處理器（采用STM32，運算速度快，程序儲存空間大，外圍接口多），遠程控制模塊（采用2.4G無線通信模塊），電機電調部分（直流無刷電機，無刷電調）等部分組成。

2? 相關原理

2.1 主控芯片

系統采用ST（意法半導體）公司成產的STM32F103芯片，該芯片采用Cortex-M3內核，ARM-V7架構。Cortex-M3 擁有強勁性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優勢。

該芯片的優異性主要體現在如下方面：

（1）以8位機的價格得到32位機。

（2）擁有SPI、IIC、USB、CAN、ADC、DAC等外設機功能。

（3）實時性能好。84個中斷，16個可編程優先級，并且每個引腳都可以作為中斷輸入。

（4）較低的開發成本。支持SWD和JTAG兩種調試，可以為仿真調試帶來便利。

2.2 電機調速原理

本系統采用脈寬調制（PWM，Pulse Width Modulation）技術進行調速，它是一種模擬控制方脈沖寬度調制，利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

該技術以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需的波形。按一定規則對各脈沖寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。

在STM32F103芯片上，PWM產生原理如下：

假定定時器工作在向上計數 PWM模式，且當 CNT=CCRx 時輸出1。就可以得到如下的PWM示意圖（圖1）：當CNT值小于CCRx的時候，IO輸出低電平（0），當CNT值大于等于CCRx的時候，IO輸出高電平（1），當CNT達到ARR值的時候，重新歸零，然后重新向上計數，依次循環。改變CCRx的值，就可以改變PWM輸出的占空比，改變ARR的值，就可以改變PWM輸出的頻率，這就是PWM輸出的原理。

3? 遠程控制

我們選擇了2.4G無線通信技術的遠程控制方式。2.4G無線通信技術是一種工作在全球免申請ISM頻道2400M-2483M范圍內的無線通信技術，可以實現點對點近距離無線傳輸，具有使用方便、傳輸距離遠、功耗低等優點。

4? 船模的結構設計

4.1 船模的浮力和穩性

船模的穩定性：浮在水面的艦船模型受外力作用會發生傾斜，當外力作用消失時，模型會恢復原來狀態，

在我們實際制作船模中，在保證模型的強度的前提下，要盡量減輕模型的重量，尤其是上層的重量。

4.2 確定船模結構

在經歷了對船體模型的各種受力因素的分析之后。我們決定采用梭型結構設計（如圖3）。

5? 配件的選擇

5.1 電機的選擇

經過對市面現有電機的查找，我們決定使用直流無刷電機作為動力源。通過電調對電機轉速及旋轉方式進行調節。

直流無刷電機的優點：

（1）可替代直流電機調速、變頻器+變頻電機調速、異步電機+減速機調速;

（2）具有傳統直流電機的優點，同時又取消了碳刷、滑環結構;

（3）可以低速大功率運行，可以省去減速機直接驅動大的負載;

（4）體積小、重量輕、出力大;

（5）轉矩特性優異，中、低速轉矩性能好，啟動轉矩大，啟動電流小;

（6）無級調速，調速范圍廣，過載能力強;

5.2 電池的選擇

我們在能量型電池組和功率型電池組中做了對比。

能量型電池以高能量密度為特點，主要用于高能量輸出;功率型電池以高功率密度為特點，主要用于瞬間高功率輸入、輸出的電池。從我們的目的和電池性能方面出發，我們需要它有爆發力和耐力。這明顯是功率型電池的優勢，能量型的雖然有耐力但是爆發力太小，因此，我們在電源的選擇上選擇了功率型電池組

6? 控制程序設計與實現

本設計的主要任務是完成船模的遠程控制功能（圖9），其主要實現的過程是：打開開關無線通信模塊進行初始化對頻，搜索目標并連接，等待發射端發送信號，通過無線通信傳至處理器。通過與期望值進行比較，處理器根據偏差值輸出一定的PWM脈沖，電調調節電機轉速、調節舵機角度，實現船模的遠程控制。

在此過程中，包括控制芯片、無線通信模塊、電機和舵機的初始化，比如對I/O口，定時器，中斷等進行初始化。在設定到目標后進行控制，在對船模的控制中，引入了飛控中的航向角，即用航向角來控制左右轉向。

7? 結語

本文介紹了一種基于STM32F103芯片做控制，2.4G無線通信模塊人工控制而設計出的水上救援模型。該模型現已可以對小范圍內的固定目標進行救援，可以攜帶救援裝備快速達到目標附近，從而實現救助功能。該模型目前形體較小所攜帶的救援設備較少，但可以按比例增大模型體積，攜帶更多的救援設備，實現短時間為多人運送救援裝備的目的。具有較強的實用價值。該模型操作方法簡單，速度較快，制作成本較為低廉，適合大范圍推廣，具有極大的應用前景。

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