梁嘉辉 郑景星 李明邦 张锋

摘 要 目前在国内外市场中已经有成熟的两栖机器人产品，但是市面上的产品价格昂贵，设计复杂，结构单一，功能比较简单，不能满足现实中各种实际场景的需要，而且一体式的结构使机器人变得笨重，不够灵活，限制了两栖机器人的发展。所以，我们决定跳出一体式结构的格局，将无人机和智能小车通过可分离结构结合在一起。使之可以根据任务的需求，进行结合或者分离，解决了因一体式结构而无法再特殊地进行工作的问题。

关键词 两栖；机器人；可分离结合；特殊地形

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）226-0139-02

“十一五”期间，中国已经把“废墟搜索与辅助救援机器人”列入国家863项目，由此可见救援机器人的重要性。目前，国内外在研究和使用的侦察机器人系统分为空中侦察机器人系统和陆地侦察机器人系统两大系列，均具有明显的优势特点。

本文设计一种可分离式两栖救援、巡检、侦察机器人，在实现空中飞行的同时兼顾地面行走，实现了陆空两栖侦察，不但打破了一体式设计，而且对现有侦察机器人体系的进行有利补充。在军事、救援和勘测等方面以及提升劳动效率，降低人员的危险性等方面具有重要意义。而一款多功能、多用途、体积小和载重量大的新型兩栖旋翼机器也相应的成为国内外军方、科研以及其他团队研究的热点，所以市场前景非常乐观。

1 硬件设计

1.1 两栖机器人的整体设计

系统包括机车结合移动平台和地面站控制系统两大主体部分。机车结合移动平台分为无人机系统、车位停放系统和探测车系统，其中，无人机系统包括供电电源、飞控单元、无刷电机驱动调速单元、GPS、摄像头以及通信模块，车位停放系统包括供电电源、主控单元、舵机驱动和通信模块，探测车系统包括供电电源、主控单元、通信模块、电机驱动、舵机驱动、传感器采集与处理电路、照明灯模块和报警装置。地面站控制系统包括主控单元、供电电路、按键输入检测单元、报警处理电路、通信模块、AD采集模块以及显示屏驱动，并且可以通过视频采集卡经USB在上位机上实时显示当前画面信息。

1.2 MCU微控制器单元

硬件主控采用stm32f103rct6，高性能的ARMCortexM3 32bit的内核，片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器，最高工作频率72MHz，丰富的增强型外设和IO端口，所有的型号的控制器都有12位的ADC和16位的通用定时器，还包含标准的通信接口，可以很方便的接入传感器来采集信号，3.3V的工作电压既能够满足自身的正常工作，又能够满足一般传感器以及RF24L01的供电电压并且无需电平转换，因此具有很好的低功耗特性。与传统8位16位单片机相比，ARMCortexM3 32bit处理器具有更高的代码执行效率。

1.3 低功耗通信单元（NRF24L01）

本系统中的通讯单元如图2所示。

NRF24L01具有126个通讯通道，6个数据通道，4线SPI通讯端口，满足多点通讯和调频需要，通讯速率最高可达8Mbps，数据包每次可传输1～32Byte的数据，数据传输速率支持1Mbps、2Mbps，可以通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度，功率频道和协议，几乎可以连接到各种单片机芯片，MCU可与该芯片通过SPI接口访问芯片的寄存器进行配置，达到控制模块、通过该模块实现无线通讯的目的。NRF24L01具有极低的电流消耗，在接收模式下电流消耗为12.3mA，在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗仅为11.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低，大大减少了系统的电能消耗。

1.4 电源供电设计（LM2596）

LM2596具有固定输出版本和可调版本，固定版本可输出3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于37V的各种电压，工作模式有低功耗/正常两种模式，可通过外部电路控制。本芯片具有电流限制、保护电路热管断电路等，能够减少短路，过流现象，有利于对系统模块的保护，同时具有很好的线性和负载调节特性。利用该器件无需大量的外围电路便可构成稳压电路，应用到本设计中，通过调节电位器来输出3.3V、5V以及其他的电压来驱动各个芯片来协同工作。

1.5 传感六轴角度传感器（MPU6050）

MPU6050模块是InvenSense公司推出的一款低成本的6轴传感器模块，包括三轴加速度，三轴角速度，模块内部含有温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。其体积小巧，用途非常广，角速感测范围±250、±500、±1000与±2000°/sec，测量精度高。模块以数字形式输出四元数（quaternion） 、6轴旋转矩阵、3轴角速度感测器和欧拉角格式（Euler Angle forma）的融合演算数据。其工作电压范围宽，产品传输可透过最高至400kHz的IIC，可精确追踪快慢动作，应用范围广。

1.6 探测车电机驱动单元（TB6612FNG）

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件。如图3示，与传统L298N相比，不仅功率因数提高了很多，而且体积也大大减小，本模块工作电压范围为DC2.5～13.5V，最大可输出电流2A，输入控制具有光耦隔离，抗干扰能力强，PWM支持频率高达100kHz，具有双通道输出，可同时驱动两个电机，实现4种电机控制模式。模块片内含有低压检测电路与热停机保护电路。具有良好的散热能力和电路保护能力，无需外加其他散热片，驱动电路简单。

2 软件设计

系统的软件终端是通过安卓App来实现的，如图4所示，通过安卓App来与硬件终端进行信息交流，硬件系统通过设定一定的时间向手机客户端发送数据包，从而实现实时监测侦查地有害气体浓度，电压，温度，小车速度等情况，让我们在第一时间获得侦查地相关信息。救助人员在赶到现场之前根据现场相关信息制定相应的救护措施以及救援准备，在一定程度上降低了不必要的损失和减少不必要的麻烦，为事故救援处理进一步智能化，达到减少人员伤亡等意外的发生的目的。本App具有良好的UI界面，操作简单方便，具有良好的用户体验感。

3 系统测试

无人机可载小车到达目的地，可以在手机或电脑进行航线规划，可以一键返航。小车能够以第一称视角探测地面的路况，能够测量出相应的温度、二氧化碳浓度、电压。

4 结论

目前从国内市场看来，机器人的市场在慢慢地扩大，但是两栖机器人的市场还有很大的一片空白。从发展趋势来说国内外的两栖机器人还在逐渐的发展阶段，其中发展比较成熟的就是水陆两栖机器人，有的已经投入到军事，工业的场所之中。相比之下，陆空两栖机器人还处于起步阶段，大多数趋于大型化，只有大型企业或者军事场所才能使用。因此我们这款低成本，小型两栖机器人更迎合大众的要求。

参考文献

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