軍事偵察機器人——仿生蛇*
*基金項目：本項目由大學生創新創業訓練計劃項目基金資助
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202308/449174.htm傳統的偵察機器人依靠履帶或滾輪等方式進行運動，采用這種方式運動的機器人體型較大，在軍事活動中容易被敵人發現，在復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器人具有更小巧靈活的特點，能利用復雜的地形隱藏行動路線，能夠在復雜的地形下快速機動，可在松軟土地以及空間狹小人類無法進入或者其他需要進行偵察而又危險的情況進行偵察。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，具有很高的研究價值。
1 機械結構設計
該機器主要由主控裝置、舵機、發送裝置、攝像裝置和紅外裝置來組成。
圖1 仿生蛇結構圖
1.1 材料的選擇與加工
其的工作環境等因素考慮選用樹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、腐蝕的環境中正常進行工作，并且其成本較低能使用時間長性價比高。根據結構大小進行外形設計，并運用3D打印技術進行打印，使得外型結構精準，成本較低，結構穩定且質量良好。
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元件組成，主要分為頭部、頸部、軀干和尾部四個部分。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，在執行偵察任務時發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”，一個是MLX90640 紅外熱成像儀器，可輔助進行追蹤探查任務，另一個為OpenMv 攝像頭模塊收取實時圖像并通過WIFI 模塊傳回實時圖像。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，關節部分前后使用強磁模塊連接，通過主控芯片STM32F103C8T6 驅動相應的舵機運動由此實現仿生蛇的仿生運動。尾部帶有起爆電路裝有烈性炸藥表面做隔熱防水處理，尾部與軀干關節連接處采用電磁鐵連接，可實現斷節功能隨時脫離軀干實現定向爆破。該仿生蛇的結構實現了仿生運動，并可以在各種復雜環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60 cm，寬6 cm，高8 cm，整個機器人質量8 kg，電池電壓由1 500 mAH 12 V鋰電池供電。
1.4 運動數學建模
轉彎運動基礎，對仿生蛇機器人運動曲線進行分析，蛇形曲線運動方程為P=αbsin(bs), α 為幅值角，b 為比例常數，s 為蛇形曲線長度[2]。
由蛇形曲線公式得出關節角關于時間的函數。
θi(t)=Asin(ωt+(i?1)β) (1)
設第1個舵機需要調整的角度是α1
(2)
由式(2) 可以得出αn是最終調整的幅值，前面關節處具有連續性，得出
θ(s)=α1cos(bsf)= α2cos(bsf)=...=αncos(bsf)=0 (3)
當仿生蛇機器人運動，此時有
設計的運動過程在提高了轉彎效率的同時可以減輕系統負擔，提高執行效率。
表1 仿生蛇機器人運動模式表
1.5 仿生原理
本設計模仿蛇類運動設計了四種運動模式，適用于各種復雜環境下進行偵察活動。
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 作為開發平臺[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境，運用 PID 算法對蛇形仿生機器人的運動情況進行實時反饋控制，并且能調節舵機的角度使得仿生蛇機器人運動更加的平滑，運動控制基于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，獲得更穩定的動力。電磁鐵模塊的使用能夠使蛇形機器人的運動更加靈活，攝像頭模塊可以反饋檢測到的圖像和一些數據和對環境的簡單判斷，使得仿生蛇機器人更加的智能。激光雷達模塊可以檢測周圍環境，使得仿生蛇的在一個安全的環境下工作。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。
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主控板實物圖
圖4 主控芯片原理圖
2.3 驅動元件
為滿足仿生蛇機器人能夠靈活運動的要求，考慮到整個系統的穩定性，易操作性及耐用性等，本設計的控制方案采用舵機驅動。舵機由減速齒輪組、反饋電路和電機組成的驅動系統。STM32 芯片通過信號線與舵機控制線相連，通過內部定時器產生的PWM 信號控制舵機的旋轉角度，并通過串口接收舵機的反饋角度，作為整個系統的反饋角。經過多方面的測試舵機型號選用RDS3115，該舵機扭力大，精度高，可以有效的驅動蛇身運動。并且此舵機內部帶有編碼器能夠準確的測出旋轉角度，并通過自帶的串口反饋角度，更加的適合閉環控制，更好的滿足多種方式運動需求。
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無線網絡傳回圖像，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無線網絡傳輸給ESP32，然后通過ESP32 的串口把控制信號傳輸給單片機，最終達到控制整個蛇在超遠距離移動的目的。
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OpenMv 采集數據，通過SPI 傳輸。OpenMv攝像頭捕捉到圖像后，經過圖像處理算法進行處理，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，通過串口將OpenMv 采集的數據傳輸給ESP32 并通過配置好的SPI傳輸到接收端，接收端進行解碼配置，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，通過內部時鐘產生6 路PWM 信號對6 個舵機進行旋轉控制，在通過舵機內部串口返回的角度給主控芯片，最后通過算法實現對舵機角度的自動調節，從而實現對整個仿生蛇偵察機器人的運動進行控制。針對不同的使用場景，仿生蛇偵察機器人在運行的過程中需要具有，前進、左右轉彎、克服障礙物等功能。在面對不同的地形設計有4 種運動方式：蜿蜒運動、側向運動、螺旋運動和行波運動[3]。通過ESP32 和STM32 相連進行運動模式的選擇，可以實現遠程無線遙控仿生蛇偵察機器人。為了方便數據的實時傳輸，采用了OpenMv 攝像頭和ESP32 對圖像的傳輸，為了在夜間行進采用MLX90640 紅外熱成像模塊進行紅外識別，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，能夠更加完美的實現偵察任務。
圖6 程序流程圖
為了保證仿生蛇偵察機器人運動流暢，在舵機與舵機之間加入了PID 算法調節，在第1 個關節處是預期量，輸出量給第2 個關節輸入，和給第1 個關節反饋，這樣第1 個關節形成了1 個閉環控制，通過舵機與舵機之間的串級PID 調節，會使得整個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
基于STM32 最小系統板，與6 個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，能夠實現遠程遙控，外觀具有極高的隱蔽性，并能夠高效的傳輸圖像，可根據不同地形選擇不同的運動模式，可以高效率的前進，在抗震救災、城市排爆也有著極高的應用價值。
參考文獻：
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[2] 王超,鄧宏彬,彭演賓,等.蛇形仿生機器人的轉彎運動控制方法[J].指揮與控制學報,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境下視覺導航的研究[D].廣州:華南理工大學,2011.
[4] 陳力雄,郭宛霖,張世龍,等. 基于Arduino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. 手指關節康復訓練器的設計與分析[D].徐州:中國礦業大學,2019.
（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）
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