新一代无线智能救援机器人的设计 - 图文

新一代无线智能救援机器人的设计

摘要

新一代智能救援机器人采用STC12C5A60S2为整个项目的主控芯片，通过蓝牙或者wifi进行相关控制，实现对智能救援机器人的各种数据的实时测量和遥控控制，在自动模式下将测量的数据传送至单片机STC12C5A60S2进行处理，然后由单片机STC12C5A60S2根据所检测的各种数据实现对智能救援机器人的智能控制。智能救援机器人采用四轮驱动，将四个红外线光电传感器分别装在车体的左右侧，避障模块装在前方两侧，并且通过相关程序控制，使智能救援机器人在三种模式（循迹、避障、遥控）下运行，并将图像进行实时传输。

关键词

智能；救援机器人；蓝牙；测量

A new generation of wireless intelligent rescue robot design

Abstract

STC12C5A60S2 new generation of The rescue robot used for monitoring the entire project master chip, via Bluetooth or wifirelated control, real-time measurement of various data and remote control of The rescue robot, the measurement data in automatic mode STC12C5A60S2 be sent to the microcontroller processing, and then by the microcontroller STC12C5A60S2 achieve intelligent control of electric vehicles based on various data detection. The rescue robot with four-wheel drive, four infrared photoelectric sensors were installed in the left and right side of the vehicle body, obstacle avoidance module mounted on both sides of the front, and by the relevant program control, so that The rescue robot in three modes (tracking, obstacle avoidance, run) under remote control, and real-time image transmission.

Keywords

Intelligence; Rescue robot; Bluetooth; Measuring

I

0引言

“机器人”在当今世界已经是家喻户晓，机器人的发展迅速崛起，并对整个工业生产、宇宙、深海探测、矿难救援以及人类生活的各个方面都产生了越来越大的影响。尽管机器人在生产生活中的作用逐渐变得重要起来，但现在机器人所能实现的功能并不像人们所想象的那样完美。目前的机器人既没有科幻大片中的那样神奇，也没有文学描述中那样的智勇，机器人的未来还有很远的路要走。

目前，在国际上还没有下对机器人合适的定义，按照我自己的理解，机器人就是给机器赋予人的行为，按照人的要求去实现一定的功能。如果根据国际标准组织（ISO）所的界说，就是一种带有编程能力的多用途机械臂，这样的机械臂有几个轴组成，并且能够借助于可编程程序操作来处理各种东西、器件件以及一定的专用设备，用来完成各种任务，并且其位置是可控制的、自动的[1]。

从IFR2014年的统计结果可以看出，在2013年全球机器人总销量中，其总销量的71%主要是以下5个国家，即美国、德国、韩国、日本和中国。尽管我国的机器人研发起步没有别的国家早，但取得的成就还是十分显著得，截止到现在在智能化机器人、工业生产机器人和特种作战机器人等方面都取得了十分明显的成绩，为我国未来机器人的发展打下了坚定的基础，现有的智能机器人总的发展趋势为：传感型智能化机器人发展比较快、新型智能化技术不断创新、模块化设计技术普遍使用、机器人工程系统呈上升趋势、微型机器人技术的研究有所突破、重型机器人的研发已经展开、应用领域的机器人向服务型和非制作性发展、人形机器人的研究也得到重视、敏捷生产制造系统走向网络互联和协同、部队所用机器人已经装备到部队。

救援智能机器人的研究方向目前已经成为各国研发的一个重点，虽然国内在这方面的研究取得了很多成果,但救援智能机器人的智能化程度依然不能让人满意。未来的救援智能机器人应当逐步替代人在救灾方面的作用，并且更加智能化。由于现有的智能技术很多部分数要依靠领域知识，人所实现的智能技术远远不能够提供现实智能机器人的完整方法和理论，因此如果把救援智能机器人的功能限定在一个范围，那么已有的人工智能技术就能够更加专一化发挥作用，使研发此类的救援智能机器人成为一种可能。

1系统硬件方案设计

1.1总体方案设计

以STC60S2单片机为核心，在智能救援机器人基础上加装传感器模块、电机驱动模块、显示模块、图像传输模块、远程控制模块和电源模块。且结合笔记本电脑、手机平板电脑等设备，使其方便的实现蓝牙或wifi遥控功能和显示功能。单片机系统结构框图如图1。

循迹模块电机驱动模块电脑避障模块单片机STC12C5A60S2手机平板电脑显示模块视屏WiFi，蓝牙数据传输模块 图1 单片机系统结构框图

1

1.2主控芯片选择

方案一：采用stm32f103zet6芯片，内含三十二位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器、三个输入/输出端口可用作ADC、有十一个输入/输出端口可用作定时器、CAN、USB、十三个输入/输出端口可用作通信接口，工作频率范围不超过72MHz，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone 2.1)，由高达512KB字节的存储器闪存程序，51\\80\\112个双向多功能的输入/输出端口，全部的输入/输出端口都可以映像到十六个外部中断；甚至每一个输入/输出端口都可以外接5V信号，可用作16位定时器输入/输出端口的有四个等[2]。

方案二：使用型号为STC89C52RC的传统52单片机芯片，这是一种加强版的51单片机，内部有6 时钟和12 时钟两种可供选择的周期模式，用户所使用的程序代码完全可以兼容8051。因为可以直接通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接往里边下载用户编写的程序，所以不需要专门使用专用的编程器和仿真器，还含有“看门狗”以及EEPROM功能，含有3个16 位计数器/定时器，即定时器T2、T1、T0，另外内部还含有4 路外部中断端口，工作温度范围在0～75℃之间，并且还是PDIP 封装。

方案三：采用加强型51单片机STC12C5A60S2单片机芯片，除了具有52单片机的全部功能外，还有丰富的外设，使用非常方便。有3个端口作为时钟输出，7路外部中断输入/输出端口，高低电平触发或下降沿中断，P D模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3，内部自带两路PWM，自带8路10位高精度ADC模数转换，模数转换的速率可达到250KB/S，全双工异步串行口(UART)，双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3，工作温度范围是-40~85°C，封装为PDIP-40。

从以上方案中比较得出，方案一所选择的芯片对软件熟知程度要求较高，程序编写对知识的理解要求也较深；方案二的芯片比较普通，是比较通用的芯片，而且特殊功能也不是很多，使用起来需要加很多的外设，比较麻烦；方案三中的芯片适合设计要求，并且程序编写也比较容易入手，并且内部具有很多特殊功能的端口，使用起来十分方便，为了以后在硬件方面能节省材料以及STC12C5A60S2本身所具有的优势，故选择方案三中的STC12C5A60S2芯片作为最终主控芯片，如图2。

图2 STC12C5A60S2

2组成模块介绍

2.1传感器模块

2.1.1循迹模块

使用四只TR5000红外对管传感器，分别放置在智能救援机器人前面的两侧，根据两只光电开关接受到地面颜色的数值来控制智能救援机器人转向来调整前进向，采用四只可以提高灵敏度，增强跨障碍能力，有利于在复杂环境中实现作业，并且经过多次实践验证了，只要把光电开关的位置合理安装在智能救援机器人上面就可以很好地实现自主行驶的功能[3]。这样比使用三只TR5000红外对管，将其中的一个放置在智能救援机器人底盘中间位置，另外两个置于底盘外侧的设计方案，在智能救援机器人行驶过程中更加稳定。反应也比较灵敏。四路寻迹原理图如图3。

2

图3 四路循迹原理图

2.1.2避障模块

在一般工作中，当智能救援机器人进入作业区后，只要能够判断出在其的前方和偏左、偏右的方向没有太大的障碍就可以忽略障碍对智能救援机器人工作的影响，对于障碍物的检测采用反射式原理的光电传感器，此种传感器的原理与循迹模块大致相同，唯一区别的是：在行驶过程前方不能够检测出障碍，传感器电平输出是高电平，当前方发现障碍时，传感器由于出现信号输出电平为低电平。在本设计中对于用来检测障碍物的传感器也只采用两只光电传感器。 2.1.3数据采集模块

主要是对光强、气体、温度、空气湿度等多种信息进行收集，该模块主要是由可以采集一种或多种信息的传感器组成，传感器的使用方法没有太大的差别，可以收集模拟量和数字量两种信息，根据不同需要进行取舍，传感器在收集到数据之后可以结合传输模块实时传回数据[4]。改模块结构简单，可以很好地和其他硬件设备搭配使用。

2.2电机驱动模块

采用L298N专用驱动芯片，VSS(9管脚)是正常工作时的电源脚，工作电压在4.5V~ 36V； VS（4管脚）是驱动电平，最高电平为36V，一般最好取Vs电压高于Vss电压；GND（8管脚）为接地端，ISENA（1管脚）、ISENB（15管脚）通常情况下作为反馈来使用，通常情况下直接接地；IN1（5管脚）、OUT1（2管脚）、IN2（7管脚）、OUT2（3管脚）、IN3（10管脚）、OUT3（13管脚）、IN4（12管脚）、OUT4（14管脚），都为同向，在使能端满足条件时才可以正常工作； ENA（6管脚）和ENB（11管脚）为两个使能端口，OUT1、OUT2由ENA控制，OUT3、OUT4由ENB控制，都是在高电压时才有效，在处于低电压时，电压输出一直为低电平。通过单片机产生可调的PWM波去调节L298N的输入信号来达到控制马达的转速。它的内部含有两个高电压大电流H桥的全桥驱动器，这样的电路效率十分的高；并可方便的实现转速和方向的控制。其稳定性也非常高，是一种

3

比较成熟的PWM调速技术。电机驱动原理图如图4。

U1IN1IN2IN3IN45710126118L298NP4ENA+5+5ENBP524681357IN1IN2IN3IN4IN1IN2IN3IN4ENAENBISENA1ISENB15VSSVSOU19423+5D1D2D3D4P2D5R120kR220kD8电机方向指示灯D6D712电机1P312电机2OU213OU314OU4ENAENBD9D10D11D127805U2IN20k4C1104GND+5R32.2kD13OUTVCCS113C2C3104电机控制123VCC+5系统电源图4 电机驱动原理图

2.3显示模块

采用液晶1602显示屏液晶显示，具有16个引脚，有8个用于数据的定义，1脚（vss）是电源地；2脚（vcc）接5V电压；3脚（V0）背景亮度调节；4脚（RS）是寄存器选择脚； 5脚（RW）是信号线读写，电平1读，电平0时写；6脚（E）是使能端口，电平为高时读取信息；7～14脚（D0～D7）作为8位双向数据端；15脚是正极背光，16脚是负极背光。

在使用的时候可以采用8路数据同时传输，也可以分4路数据按高4位和低4位分开传输，这样使用可以节约单片机端口，功耗低，散热小，非常省电在程序的编写上不存在复杂的指令，比较容易上手。可以一次性显示2x16个字符，故采用此种显示电路。1602显示屏实物图如图5。

图51602显示屏实物图

2.4图像传输模块

采用路由器挂载摄像头方式，使图像可以实时传输到上位机，图像质量清晰。经实际测试得出，这种选择除了在路由器刷固件时步骤比较复杂，在后期使用过程中出现的问题较少，减少了后期维护的工作。采用一个迷你路由器，通过一个软件往路由器中刷一个linux系统，刷好之后选择需要的

4

功能进行设置，该模块只需传输图像即可，所以只需要设置图像传输部分既可以。路由器通过无线传输方式把图像传输到上位机，可以实时监测到画面，很方便实现联网。由于不需要对精度要求太高，所以选择的摄像头像素不用太高，所以采用的是高清摄像头，体积小，很容易在机器人上进行安装。路由器摄像头实物图如图6。

图6 路由器摄像头实物图

2.5远程控制模块

功能：由发射部分和接收部分组成远程控制系统，主要组成部分是wifi模块、和蓝牙模块。搭配单片机最小系统和程序设计来实现远程控制、无线遥控等功能。无线控制系统的工作原理是：接收部分的工作原理——利用pc机当作接收终端，wifi模块作为无线传输部分，主要任务有单片机进行处理，主要就是进行解码。解码出来的数据通过单片机处理后来实现相关的操作，发射部分的工作原理——用pc通过wifirobot上位机实现模拟控制[5]。可以实现智能救援机器人向前、向左、向右转和向后退等控制，另外可以实现拍照功能，视频传输，信息采集、并且可以调整速度，单片机通过检测键盘按键那个被按下，然后按照该按键设定好的代码进行执行相应的指令并通过wifi向接收端发送。智能救援机器人控制界面如图7。

图7智能救援机器人控制界面

5

2.6电源模块

使用4S航模电池，瞬间电流大，容量也比较大，适合大功率驱动，经降压后分别给单片机、电机、舵机和路由器供电。通过多次试验发现这种设计非常适合，避免了路由器会因为电流不稳定启动不正常，烧毁路由器的情况发生。

3软件设计

3.1系统软件计说明

在智能救援机器人控制系统设计中，不仅包括系统硬件设计，还有大量的单个工作对象所对应的应用程序需要设计。所以，软件的设计在智能救援机器人中占有重要地位。对于本次设计，软件才是核心。

智能救援机器人的控制核心就是用单片机作为控制系统，总体上可化分为数据处理、行为控制两个基本方面。数据处理方面包括：信息的采集、数字滤波、AD变换等[6]。行为控制方面主要是使用单片机采用一定的算法把接收的数据进行处理，然后再输出指定的模块，来实现相应的操作。

为了实现一定的功能，并使智能救援机器人动作更加灵敏，在进行软件设计时，把所有的过程都化分成多个部分，每一部分命名为一个模块。所谓“模块”，就是把相应的功能部分独立编写在一起，方便使用，相对应的程序部分也都独立，这样的程序设计方法叫做模块程序设计法。

这样的设计方法有很大的优点：

第一：每个模块的程序比一个完整的程序更易于编写和调试；

第二：每个模块都可以独立存在，单个模块又能够被多个任务在不同条件下进行调用；

第三：模块程序能够让设计者把任务划分开并且可以利用已经编写的程序，为设计者编写程序带来方便。

3.2程序流程图

程序在初始化之后，检测执行开关是否按下，按下之后进行连接方式选择，进行信息传输，机器人小车载体进行初始化操作，之后执行相关操作。程序流程图如图8。

初始化初始化开关是否按下开关是否按下N连接方式选择连接方式选择N信息传输信息传输小车初始化小车初始化运行方式选择运行方式选择循迹循迹避障遥控遥控

图8 程序流程图

6

3.3数字滤波技术

把收集到的数据经过电磁兼容消除干扰的处理就是数字滤波技术。当模拟信号刚被单片机系统接收到时候，中间都会夹杂着各种噪音和一些别的干扰，这些东西来得来源有很多，例如被测量量本身的影响、传感器自身或者外界条件的干扰。为了达到获得的信息能够最接近事实的反映出来。获得准确的测量结果，就只能对测量信号进行噪音和干扰滤除工作[7]。为了滤除这样的信号，通常情况会采用积分时间等于10ms的整数倍双积分的模数转换器，这样对外界影响的消除十分有效。另外可以使用一定的滤波方法把随机干扰减小到最小，使用一定的算法程序使干扰信号在有用信号中的比重减小就是数字滤波。因此它实质上是一种程序滤波。数字滤波在减少了相对于模拟滤波器不足之外，还包括了下面等优点：数字滤波主要是依靠程序实现相应的目的，因此不需要很多的外部设备，在可靠性、稳定性方面非常突出；数字滤波主要是通过滤波方法的不同或参数来处理不同的信号，十分灵巧、便宜；数字滤波器在低频率信号上解决了模拟滤波器的不足；由于数字滤波器具有很多优点，因此在单片机应用系统中得到了普遍的使用[8]。

3.4开关量的软件抗干扰技术

外界的干扰信号多为毛刺形状，作用时间较短。考虑到这点，通常在采集开关量信号时，都进行多次采集的方法来减小误差，当连续多次采集到的结果完全一致时就可以把采集到的信号作为有效信号。如果多次采样之后，采集到的信号仍然差别很大，就可以停止采集，并同时发给报警信号，因为开关量信号主要是由于各类带有开关型状态的传感器产生，如电气触点、操作按钮、限位开关等，对于这样的信号不能使用平均几次的方法采集，只能保证一致。当开关量信号有很多时，可把几个作为一组进行分组处理，也可以设置多字节信息缓存区，按照这样的方法进行处理[9]。在达到实时性要求的前提之下，在每次采集到的信号之间插入一小段延时，可以起到更好的效果。

3.5指令冗余技术

单片机操作指令的控制只能通过PC进行，如果PC受到外界影响出现差错时，指令程序便会偏离原来的轨道，使运行发生“跑飞”的情况、造成操作数数值的改变以及发生操作码的误认。要把“跑飞”的指令程序快速的回到原来的轨道，就要多采用单一字节指令程序，并可以在适当的地方把有效的单字节指令进行重写或者插入空指令NOP操作程序，这就叫做指令冗余[10]。指令冗余的发生难免会使系统的效率降低，但大部分情况下，CPU并不会被完全占用以至于忙到不能够去实现其他指令执行，因此这样的方法仍然被普遍使用[11]。

在可以对程序走向起关键性作用的程序前面可以插入几条延时程序，用来确保被弹飞的程序能够快速回到原来轨道。在对某些对系统工作状态重要的指令之前还可以插入几条延时指令，以确保指令正确执行。虽然指令冗余技术能够有效减少这样的情况发生，却并不一定能够确保在程序出现错误期间不做一些其他的事，也不一定能够确保证程序回到正常轨道后就平安无事了，未了解决这种问题只能采用软件容错技术[12]。

4结语

通过近几个月的不断努力毕业论文终于在规定时间内完成了。总结如下：

通过对智能救援机器人的测试可以发现智能救援机器人跟预期的结果和现有的结果仍然存在着些许差距。由于市场上已经出现了类似的智能救援机器人，虽然与本文中所写的的智能救援机器人有所不同，但很多方面所具备的优势还是此智能救援机器人所不具有，还需要在智能救援机器人的创新性和超前性等方面做出很大的提高。值得欣慰的是这个智能救援机器人在功能方面有了较好地突破，成功实现了蓝牙（或wifi）遥控以及上位机控制智能救援机器人智能化和迷你化。智能救援机器人各个功能的实现都采用集成化模块，在实现更多功能的同时有效的减少了智能救援机器人的体积，从而美化智能救援机器人外形，从而更加有利于智能救援机器人的推广和普及。

尚存在的问题：当前智能救援机器人所具有的功能是实现温度数据的采集，物体红外检测，减少人工采集带来的不利，操作者可以通过手机蓝牙装置控制智能救援机器人，在实现遥控的功能的

7

同时使数据的测量更加便捷化。然而该项功能大多用于实验基地，智能救援机器人能够真正运用到生活中的功能仍然有待完善。对于进一步的研究和发展，可以发现智能救援机器人的设计制作上仍旧有很大的突破性，通过查阅资料和切身观测以及的实际测验，可以得出如下结论：

1.智能救援机器人的灵活性有待提高，跨障碍能力还存在缺陷，可以进一步提高性能使测量方位更加全面，从而提高数据的精确度。

2.智能救援机器人的多模块化，是一个优点同时也是缺点，缺点在于看起来较为冗杂，以后可以把它们进行较为规整的整合。

3.自身建议以后的研究和发展应该紧随当代高科技、高技术的脚步，这样有利于研究的东西不会很快被淘汰。

那些奋斗的日子仍然历历在目，为了尽量使论文完善，不得不熬夜去搜集大量资料，白天没有做好的工作，工作到凌晨两三点的日子更是数不胜数。有时候为了使一个小小功能的程序尽善尽美，就会耗费掉一两天的时间，写好了调试，失败了再重新来过。为的就是更好地享受最后的胜利成果。

在项目完成的过程中，为了提高可行性，大家不得不三思而后行，全方位考虑问题，更何况目前对科技的观察以及在科技方面的创新大部分来源于实验室。时间久了，自己也有了很大的提高。

在完成论文的过程中，经历过无数次失败与成功的实践，获得了创新能力。在思维得以扩展的同时也很好的培养了实践能力和想象能力。我想，这些的日子以后将成为最美好的回忆。

8

附录1：主电路子系统电路

9

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gp17.html