軍事偵察機(jī)器人——仿生蛇*

*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

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(guò)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(xiàn)，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(lèi)無(wú)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?jī)r(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(lái)組成。

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(shù)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(zhǎng)性?xún)r(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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(duì)仿生蛇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，蛇形曲線(xiàn)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(xiàn)長(zhǎng)度^[2]。

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

θ_i(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

   (2)

由式(2) 可以得出α_n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(bs_f)= α₂cos(bs_f)=...=α_ncos(bs_f)=0   (3)

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

設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)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

1.5 仿生原理

本設(shè)計(jì)模仿蛇類(lèi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)^[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(hào)從而檢測(cè)出其所處的環(huán)境，運(yùn)用 PID 算法對(duì)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(hào)，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蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，攝像頭模塊可以反饋檢測(cè)到的圖像和一些數(shù)據(jù)和對(duì)環(huán)境的簡(jiǎn)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(cè)周?chē)h(huán)境，使得仿生蛇的在一個(gè)安全的環(huán)境下工作。在蛇形機(jī)器人數(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。

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(chǔ)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(mǎn)足仿生蛇系統(tǒng)的控制要求。主控芯片原理圖如圖4 所示。

圖3 STM32主控板實(shí)物圖

圖4 主控芯片原理圖

2.3 驅(qū)動(dòng)元件

為滿(mǎn)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(guò)信號(hào)線(xiàn)與舵機(jī)控制線(xiàn)相連，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，并通過(guò)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(guò)多方面的測(cè)試舵機(jī)型號(hào)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(cè)出旋轉(zhuǎn)角度，并通過(guò)自帶的串口反饋角度，更加的適合閉環(huán)控制，更好的滿(mǎn)足多種方式運(yùn)動(dòng)需求。

舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度由脈沖信號(hào)控制，舵機(jī)可調(diào)范圍是0°~180°，占空比的大小來(lái)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角的大小，旋轉(zhuǎn)角度和脈沖信號(hào)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(duì)應(yīng)表。

表2 常用角度與脈寬對(duì)應(yīng)表

2.4 WIFI模塊

為滿(mǎn)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給ESP32，然后通過(guò)ESP32 的串口把控制信號(hào)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(cè)量溫度范圍為-40℃ ~300℃，可更大范圍可精度檢測(cè)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(guò)OpenMv 采集數(shù)據(jù)，通過(guò)SPI 傳輸。OpenMv攝像頭捕捉到圖像后，經(jīng)過(guò)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(guò)串口將OpenMv 采集的數(shù)據(jù)傳輸給ESP32 并通過(guò)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。

圖5 電腦接收到ESP32傳輸回來(lái)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(guò)內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生6 路PWM 信號(hào)對(duì)6 個(gè)舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制，在通過(guò)舵機(jī)內(nèi)部串口返回的角度給主控芯片，最后通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)角度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)仿生蛇偵察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。針對(duì)不同的使用場(chǎng)景，仿生蛇偵察機(jī)器人在運(yùn)行的過(guò)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(duì)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(guò)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(wú)線(xiàn)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(duì)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(shí)別，采集到地面信息后傳輸給ESP32，減少黑暗對(duì)仿生蛇偵察機(jī)器人的影響。通過(guò)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)。

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(guò)舵機(jī)與舵機(jī)之間的串級(jí)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。

圖7 PID流程

4 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）