軍事偵察機器人——仿生蛇*

*基金項目：本項目由大學(xué)生創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)訓練計劃項目基金資助

傳統的偵察機器人依靠履帶或滾輪等方式進(jìn)行運動(dòng)，采用這種方式運動(dòng)的機器人體型較大，在軍事活動(dòng)中容易被敵人發(fā)現，在復雜地形中通過(guò)性較差，偵查具有局限性，而仿生蛇軍事偵察機器人具有更小巧靈活的特點(diǎn)，能利用復雜的地形隱藏行動(dòng)路線(xiàn)，能夠在復雜的地形下快速機動(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)行偵察而又危險的情況進(jìn)行偵察。仿生蛇軍事偵察機器人能夠提高人們的偵察效率，減少危險，具有很高的研究?jì)r(jià)值。

1 機械結構設計

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

圖1 仿生蛇結構圖

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器人外型結構材料，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(cháng)性?xún)r(jià)比高。根據結構大小進(jìn)行外形設計，并運用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印，使得外型結構精準，成本較低，結構穩定且質(zhì)量良好。

1.2 外型結構設計

仿生機器人的外型結構。仿生蛇的整體結構由多個(gè)元件組成，主要分為頭部、頸部、軀干和尾部四個(gè)部分。整體結構采用仿生結構，模仿蛇的身體結構。頭部由小型的機械臂仿照蛇的嘴巴，機械臂內部有一定的空腔，在執行偵察任務(wù)時(shí)發(fā)現一些小型有用的物品可直接由機械臂抓取帶回，機械臂上面有兩只“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 模塊構成。軀干主要由舵機組成，關(guān)節部分前后使用強磁模塊連接，通過(guò)主控芯片STM32F103C8T6 驅動(dòng)相應的舵機運動(dòng)由此實(shí)現仿生蛇的仿生運動(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)節連接處采用電磁鐵連接，可實(shí)現斷節功能隨時(shí)脫離軀干實(shí)現定向爆破。該仿生蛇的結構實(shí)現了仿生運動(dòng)，并可以在各種復雜環(huán)境下完成相應的指令。

1.3 仿生蛇機器人尺寸參數

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

1.4 運動(dòng)數學(xué)建模

轉彎運動(dòng)基礎，對仿生蛇機器人運動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，蛇形曲線(xiàn)運動(dòng)方程為P=αbsin(bs), α 為幅值角，b 為比例常數，s 為蛇形曲線(xiàn)長(cháng)度^[2]。

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

θ_i(t)=Asin(ωt+(i?1)β)   (1)

設第1個(gè)舵機需要調整的角度是α₁

   (2)

由式(2) 可以得出α_n是最終調整的幅值，前面關(guān)節處具有連續性，得出

θ_(s)=α₁cos(bs_f)= α₂cos(bs_f)=...=α_ncos(bs_f)=0   (3)

當仿生蛇機器人運動(dòng)，此時(shí)有

設計的運動(dòng)過(guò)程在提高了轉彎效率的同時(shí)可以減輕系統負擔，提高執行效率。

表1 仿生蛇機器人運動(dòng)模式表

1.5 仿生原理

本設計模仿蛇類(lèi)運動(dòng)設計了四種運動(dòng)模式，適用于各種復雜環(huán)境下進(jìn)行偵察活動(dòng)。

2 系統硬件設計

2.1 仿生蛇機器人總體結構

仿生蛇機器人系統的組成部分中，根據仿生蛇機器人的功能要求，選用MDK5 作為開(kāi)發(fā)平臺^[5]，主控芯片采用的是STM32 單片機，它控制功能強大，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，運用 PID 算法對蛇形仿生機器人的運動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制，并且能調節舵機的角度使得仿生蛇機器人運動(dòng)更加的平滑，運動(dòng)控制基于STM32串口功能強大，能夠輸出多路PWM 信號，可以靈活調整舵機的旋轉角度，獲得更穩定的動(dòng)力。電磁鐵模塊的使用能夠使蛇形機器人的運動(dòng)更加靈活，攝像頭模塊可以反饋檢測到的圖像和一些數據和對環(huán)境的簡(jiǎn)單判斷，使得仿生蛇機器人更加的智能。激光雷達模塊可以檢測周?chē)h(huán)境，使得仿生蛇的在一個(gè)安全的環(huán)境下工作。在蛇形機器人數據傳輸方面，采用WIFI 圖傳模塊，可以穩定遠距離傳輸圖像，以便更精確的控制蛇的運動(dòng)。

系統的總體結構如圖2 所示。

圖2 系統總體結構圖

2.2 STM32控制板

本設計采用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大的功能，能夠滿(mǎn)足仿生蛇系統的控制要求。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 驅動(dòng)元件

為滿(mǎn)足仿生蛇機器人能夠靈活運動(dòng)的要求，考慮到整個(gè)系統的穩定性，易操作性及耐用性等，本設計的控制方案采用舵機驅動(dòng)。舵機由減速齒輪組、反饋電路和電機組成的驅動(dòng)系統。STM32 芯片通過(guò)信號線(xiàn)與舵機控制線(xiàn)相連，通過(guò)內部定時(shí)器產(chǎn)生的PWM 信號控制舵機的旋轉角度，并通過(guò)串口接收舵機的反饋角度，作為整個(gè)系統的反饋角。經(jīng)過(guò)多方面的測試舵機型號選用RDS3115，該舵機扭力大，精度高，可以有效的驅動(dòng)蛇身運動(dòng)。并且此舵機內部帶有編碼器能夠準確的測出旋轉角度，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)足多種方式運動(dòng)需求。

舵機旋轉角度由脈沖信號控制，舵機可調范圍是0°~180°，占空比的大小來(lái)控制舵機旋轉角的大小，旋轉角度和脈沖信號轉換公式：脈寬= 轉動(dòng)角（90+0.5）°，下面是常用角度與脈寬的對應表。

表2 常用角度與脈寬對應表

2.4 WIFI模塊

為滿(mǎn)足圖像傳輸和遠程控制功能本設計采用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 的串口把控制信號傳輸給單片機，最終達到控制整個(gè)蛇在超遠距離移動(dòng)的目的。

2.5 紅外熱成像模塊

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

2.6 攝像頭模塊

攝像頭采用的方案是通過(guò)OpenMv 采集數據，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 采集的數據傳輸給ESP32 并通過(guò)配置好的SPI傳輸到接收端，接收端進(jìn)行解碼配置，就可以轉化為可視化圖像。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 系統軟件設計

3.1 程序流程

本次項目所制作的仿生蛇偵察機器人主控芯片是STM32F103C8T6，通過(guò)內部時(shí)鐘產(chǎn)生6 路PWM 信號對6 個(gè)舵機進(jìn)行旋轉控制，在通過(guò)舵機內部串口返回的角度給主控芯片，最后通過(guò)算法實(shí)現對舵機角度的自動(dòng)調節，從而實(shí)現對整個(gè)仿生蛇偵察機器人的運動(dòng)進(jìn)行控制。針對不同的使用場(chǎng)景，仿生蛇偵察機器人在運行的過(guò)程中需要具有，前進(jìn)、左右轉彎、克服障礙物等功能。在面對不同的地形設計有4 種運動(dòng)方式：蜿蜒運動(dòng)、側向運動(dòng)、螺旋運動(dòng)和行波運動(dòng)^[3]。通過(guò)ESP32 和STM32 相連進(jìn)行運動(dòng)模式的選擇，可以實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)遙控仿生蛇偵察機器人。為了方便數據的實(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器人的影響。通過(guò)GPS 定位能夠準確的知道仿生蛇軍事偵察機器人的準確位置，能夠更加完美的實(shí)現偵察任務(wù)。

圖6 程序流程圖

為了保證仿生蛇偵察機器人運動(dòng)流暢，在舵機與舵機之間加入了PID 算法調節，在第1 個(gè)關(guān)節處是預期量，輸出量給第2 個(gè)關(guān)節輸入，和給第1 個(gè)關(guān)節反饋，這樣第1 個(gè)關(guān)節形成了1 個(gè)閉環(huán)控制，通過(guò)舵機與舵機之間的串級PID 調節，會(huì )使得整個(gè)仿生蛇偵察機器人的控制更加方便,PID 流程圖如圖7。

圖7 PID流程

4 結束語(yǔ)

基于STM32 最小系統板，與6 個(gè)RDS3115 舵機，配合OpenMv 攝像頭、MLX90640 紅外攝像頭和ESP32等模塊設計的仿生蛇軍事偵察機器人，能夠實(shí)現遠程遙控，外觀(guān)具有極高的隱蔽性，并能夠高效的傳輸圖像，可根據不同地形選擇不同的運動(dòng)模式，可以高效率的前進(jìn)，在抗震救災、城市排爆也有著(zhù)極高的應用價(jià)值。

參考文獻：

[1] 李秀麗. 基于模塊GZ-I的蛇形機器人運動(dòng)性能研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 王超,鄧宏彬,彭演賓,等.蛇形仿生機器人的轉彎運動(dòng)控制方法[J].指揮與控制學(xué)報,2015,1(4):485-492.

[3] 朱紅山. 基于OMAP平臺蛇形機器人控制系統設計及復雜環(huán)境下視覺(jué)導航的研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2011.

[4] 陳力雄,郭宛霖,張世龍,等. 基于A(yíng)rduino的仿生六足偵察機器人設計[J].電子制作,2022,30(21):3-7.

[5] 史志陽(yáng). 手指關(guān)節康復訓練器的設計與分析[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2019.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）