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軍事偵察機(jī)器人——仿生蛇*

作者:徐海洲,亞迪,李子軒,楊金全,楊建海,李志剛(遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,遼寧鞍山 114051) 時(shí)間:2023-08-01 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:為了在未來戰(zhàn)爭中占據(jù)信息優(yōu)勢,能夠在隱蔽的環(huán)境下進(jìn)行軍事偵查,為此設(shè)計(jì)了一種軍事偵察機(jī)器人仿生蛇。該仿生蛇以STM32微控制器為主控核心,以蛇體搭載各種傳感器,使用舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)身軀移動(dòng)作為主要推進(jìn)機(jī)構(gòu),在各種復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中具備隱匿前行、實(shí)時(shí)偵查及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并將通過WIFI圖傳模塊將偵察信息迅速傳回的功能。蛇形機(jī)器人體型小,重心位置很低,運(yùn)動(dòng)方式靈活多變,復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力很好,具有良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),非常適于[1]隱蔽偵察。

*基金項(xiàng)目:本項(xiàng)目由大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目基金資助

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202308/449174.htm

傳統(tǒng)的偵察機(jī)器人依靠履帶或滾輪等方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng),采用這種方式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人體型較大,在軍事活動(dòng)中容易被敵人發(fā)現(xiàn),在復(fù)雜地形中通過性較差,偵查具有局限性,而仿生蛇軍事偵察機(jī)器人具有更小巧靈活的特點(diǎn),能利用復(fù)雜的地形隱藏行動(dòng)路線,能夠在復(fù)雜的地形下快速機(jī)動(dòng),可在松軟土地以及空間狹小人類無法進(jìn)入或者其他需要進(jìn)行偵察而又危險(xiǎn)的情況進(jìn)行偵察。仿生蛇軍事偵察機(jī)器人能夠提高人們的偵察效率,減少危險(xiǎn),具有很高的研究價(jià)值。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器主要由主控裝置、舵機(jī)、發(fā)送裝置、攝像裝置和紅外裝置來組成。

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圖1 仿生蛇結(jié)構(gòu)圖

1.1 材料的選擇與加工

其的工作環(huán)境等因素考慮選用樹脂作為仿生蛇偵察機(jī)器人外型結(jié)構(gòu)材料,能抗老化且能在高溫、低溫、腐蝕的環(huán)境中正常進(jìn)行工作,并且其成本較低能使用時(shí)間長性價(jià)比高。根據(jù)結(jié)構(gòu)大小進(jìn)行外形設(shè)計(jì),并運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印,使得外型結(jié)構(gòu)精準(zhǔn),成本較低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且質(zhì)量良好。

1.2 外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生機(jī)器人的外型結(jié)構(gòu)。仿生蛇的整體結(jié)構(gòu)由多個(gè)元件組成,主要分為頭部、頸部、軀干和尾部四個(gè)部分。整體結(jié)構(gòu)采用仿生結(jié)構(gòu),模仿蛇的身體結(jié)構(gòu)。頭部由小型的機(jī)械臂仿照蛇的嘴巴,機(jī)械臂內(nèi)部有一定的空腔,在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)一些小型有用的物品可直接由機(jī)械臂抓取帶回,機(jī)械臂上面有兩只“眼睛”,一個(gè)是MLX90640 紅外熱成像儀器,可輔助進(jìn)行追蹤探查任務(wù),另一個(gè)為OpenMv 攝像頭模塊收取實(shí)時(shí)圖像并通過WIFI 模塊傳回實(shí)時(shí)圖像。頸部由主控模塊STM32F103C8T6、電源以及WiFi 模塊構(gòu)成。軀干主要由舵機(jī)組成,關(guān)節(jié)部分前后使用強(qiáng)磁模塊連接,通過主控芯片STM32F103C8T6 驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)由此實(shí)現(xiàn)仿生蛇的仿生運(yùn)動(dòng)。尾部帶有起爆電路裝有烈性炸藥表面做隔熱防水處理,尾部與軀干關(guān)節(jié)連接處采用電磁鐵連接,可實(shí)現(xiàn)斷節(jié)功能隨時(shí)脫離軀干實(shí)現(xiàn)定向爆破。該仿生蛇的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了仿生運(yùn)動(dòng),并可以在各種復(fù)雜環(huán)境下完成相應(yīng)的指令。

1.3 仿生蛇機(jī)器人尺寸參數(shù)

仿生蛇機(jī)器人長60 cm,寬6 cm,高8 cm,整個(gè)機(jī)器人質(zhì)量8 kg,電池電壓由1 500 mAH 12 V鋰電池供電。

1.4 運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模

轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ),對仿生蛇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行分析,蛇形曲線運(yùn)動(dòng)方程為P=αbsin(bs), α 為幅值角,b 為比例常數(shù),s 為蛇形曲線長度[2]。

由蛇形曲線公式得出關(guān)節(jié)角關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。

θi(t)=Asin(ωt+(i?1)β)   (1)

設(shè)第1個(gè)舵機(jī)需要調(diào)整的角度是α1

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由式(2) 可以得出αn是最終調(diào)整的幅值,前面關(guān)節(jié)處具有連續(xù)性,得出

θ(s)=α1cos(bsf)= α2cos(bsf)=...=αncos(bsf)=0   (3)

當(dāng)仿生蛇機(jī)器人運(yùn)動(dòng),此時(shí)有

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設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)過程在提高了轉(zhuǎn)彎效率的同時(shí)可以減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān),提高執(zhí)行效率。

表1 仿生蛇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式表

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1.5 仿生原理

本設(shè)計(jì)模仿蛇類運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了四種運(yùn)動(dòng)模式,適用于各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行偵察活動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 仿生蛇機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

仿生蛇機(jī)器人系統(tǒng)的組成部分中,根據(jù)仿生蛇機(jī)器人的功能要求,選用MDK5 作為開發(fā)平臺[5],主控芯片采用的是STM32 單片機(jī),它控制功能強(qiáng)大,可以外接各種控制各種傳感器,接收和處理傳感器的反饋信號從而檢測出其所處的環(huán)境,運(yùn)用 PID 算法對蛇形仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制,并且能調(diào)節(jié)舵機(jī)的角度使得仿生蛇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加的平滑,運(yùn)動(dòng)控制基于STM32串口功能強(qiáng)大,能夠輸出多路PWM 信號,可以靈活調(diào)整舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,獲得更穩(wěn)定的動(dòng)力。電磁鐵模塊的使用能夠使的運(yùn)動(dòng)更加靈活,攝像頭模塊可以反饋檢測到的圖像和一些數(shù)據(jù)和對環(huán)境的簡單判斷,使得仿生蛇機(jī)器人更加的智能。激光雷達(dá)模塊可以檢測周圍環(huán)境,使得仿生蛇的在一個(gè)安全的環(huán)境下工作。在數(shù)據(jù)傳輸方面,采用WIFI 圖傳模塊,可以穩(wěn)定遠(yuǎn)距離傳輸圖像,以便更精確的控制蛇的運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

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圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 STM32控制板

本設(shè)計(jì)采用STM32 控制板,如圖3 所示,是基于STM32F103C8T6 主控芯片的微控制板,程序存儲器容量是64KB,工作電壓為2 V~3.6 V,能在零下40℃ 到零上80℃ 的工作環(huán)境下正常工作。相較于其他此控制板具有更小的體積和更強(qiáng)大的功能,能夠滿足仿生蛇系統(tǒng)的控制要求。主控芯片原理圖如圖4 所示。

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圖3 STM32主控板實(shí)物圖

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圖4 主控芯片原理圖

2.3 驅(qū)動(dòng)元件

為滿足仿生蛇機(jī)器人能夠靈活運(yùn)動(dòng)的要求,考慮到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,易操作性及耐用性等,本設(shè)計(jì)的控制方案采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)由減速齒輪組、反饋電路和電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。STM32 芯片通過信號線與舵機(jī)控制線相連,通過內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生的PWM 信號控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,并通過串口接收舵機(jī)的反饋角度,作為整個(gè)系統(tǒng)的反饋角。經(jīng)過多方面的測試舵機(jī)型號選用RDS3115,該舵機(jī)扭力大,精度高,可以有效的驅(qū)動(dòng)蛇身運(yùn)動(dòng)。并且此舵機(jī)內(nèi)部帶有編碼器能夠準(zhǔn)確的測出旋轉(zhuǎn)角度,并通過自帶的串口反饋角度,更加的適合閉環(huán)控制,更好的滿足多種方式運(yùn)動(dòng)需求。

舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度由脈沖信號控制,舵機(jī)可調(diào)范圍是0°~180°,占空比的大小來控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角的大小,旋轉(zhuǎn)角度和脈沖信號轉(zhuǎn)換公式:脈寬= 轉(zhuǎn)動(dòng)角(90+0.5)°,下面是常用角度與脈寬的對應(yīng)表。

表2 常用角度與脈寬對應(yīng)表

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2.4 WIFI模塊

為滿足圖像傳輸和遠(yuǎn)程控制功能本設(shè)計(jì)采用ESP32模塊,其擁有32 位雙核處理器,CPU 正常工作速度為80 MHz 最高可達(dá)240 MHz。工作溫度為-20℃~70℃,工作電壓為4.75 V~5.35 V。在接收到攝像頭傳入的圖像后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回圖像,可以做到低延遲、高幀率的有效傳回,在遠(yuǎn)程遙控上也是通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給ESP32,然后通過ESP32 的串口把控制信號傳輸給單片機(jī),最終達(dá)到控制整個(gè)蛇在超遠(yuǎn)距離移動(dòng)的目的。

2.5 紅外熱成像模塊

采用MLX90640 紅外熱成像模塊,采用遠(yuǎn)紅外熱傳感器陣列,110°視角,320×240 像素,該傳感器可以準(zhǔn)確測量溫度范圍為-40℃ ~300℃,可更大范圍可精度檢測特定區(qū)域和溫度范圍內(nèi)目標(biāo)物體。

2.6 攝像頭模塊

攝像頭采用的方案是通過OpenMv 采集數(shù)據(jù),通過SPI 傳輸。OpenMv攝像頭捕捉到圖像后,經(jīng)過圖像處理算法進(jìn)行處理,將處理好后的視頻幀轉(zhuǎn)換為SPI傳輸格式,再配置好ESP32 的SPI接口,通過串口將OpenMv 采集的數(shù)據(jù)傳輸給ESP32 并通過配置好的SPI傳輸?shù)浇邮斩耍邮斩诉M(jìn)行解碼配置,就可以轉(zhuǎn)化為可視化圖像。如圖5圖像的顯示。

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圖5 電腦接收到ESP32傳輸回來的圖像

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

本次項(xiàng)目所制作的仿生蛇偵察機(jī)器人主控芯片是STM32F103C8T6,通過內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生6 路PWM 信號對6 個(gè)舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制,在通過舵機(jī)內(nèi)部串口返回的角度給主控芯片,最后通過算法實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)角度的自動(dòng)調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)仿生蛇偵察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。針對不同的使用場景,仿生蛇偵察機(jī)器人在運(yùn)行的過程中需要具有,前進(jìn)、左右轉(zhuǎn)彎、克服障礙物等功能。在面對不同的地形設(shè)計(jì)有4 種運(yùn)動(dòng)方式:蜿蜒運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)和行波運(yùn)動(dòng)[3]。通過ESP32 和STM32 相連進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模式的選擇,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控仿生蛇偵察機(jī)器人。為了方便數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,采用了OpenMv 攝像頭和ESP32 對圖像的傳輸,為了在夜間行進(jìn)采用MLX90640 紅外熱成像模塊進(jìn)行紅外識別,采集到地面信息后傳輸給ESP32,減少黑暗對仿生蛇偵察機(jī)器人的影響。通過GPS 定位能夠準(zhǔn)確的知道仿生蛇軍事偵察機(jī)器人的準(zhǔn)確位置,能夠更加完美的實(shí)現(xiàn)偵察任務(wù)。

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圖6 程序流程圖

為了保證仿生蛇偵察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)流暢,在舵機(jī)與舵機(jī)之間加入了PID 算法調(diào)節(jié),在第1 個(gè)關(guān)節(jié)處是預(yù)期量,輸出量給第2 個(gè)關(guān)節(jié)輸入,和給第1 個(gè)關(guān)節(jié)反饋,這樣第1 個(gè)關(guān)節(jié)形成了1 個(gè)閉環(huán)控制,通過舵機(jī)與舵機(jī)之間的串級PID 調(diào)節(jié),會(huì)使得整個(gè)仿生蛇偵察機(jī)器人的控制更加方便,PID 流程圖如圖7。

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圖7 PID流程

4 結(jié)束語

基于STM32 最小系統(tǒng)板,與6 個(gè)RDS3115 舵機(jī),配合OpenMv 攝像頭、MLX90640 紅外攝像頭和ESP32等模塊設(shè)計(jì)的仿生蛇軍事偵察機(jī)器人,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控,外觀具有極高的隱蔽性,并能夠高效的傳輸圖像,可根據(jù)不同地形選擇不同的運(yùn)動(dòng)模式,可以高效率的前進(jìn),在抗震救災(zāi)、城市排爆也有著極高的應(yīng)用價(jià)值。

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(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期)



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