基于ARM的智能水下搜救机器人的设计.pdf
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1、基于 ARM 的智能水下搜救机器人的设计赵莹,王宇杰,孟祥,薛宇彤(北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林132021)摘要:针对传统的搜救装置不能对溺水事故进行有效搜救问题,设计了一款智能水下搜救机器人。该水下机器人采用 32 位高性能 ARM Cortex-M3 处理器 STM32407IGT6 作为主控芯片,结合影像设备、水下射频通讯技术和避碰声呐系统,配合机械臂进行水下救援打捞工作,主要应用于河流的搜救作业,可代替人工在河流水域进行长时间搜救打捞。该机器人续航力长、安全成本低,有广阔的发展和使用前景。关键词:ARM;智能;机械臂;搜救中图分类号:TP241文献标识码:A文章编号:2095
2、-0748(2023)08-0109-030引言在水下救援工作中,水域环境复杂,水流湍急,潜水人员体力限制等因素都成为搜救阻碍,且超过 30 m的水下更是有很大的安全风险。新科技的出现给水下救援带来了新的希望,水下救援机器人可以搭载多种传感器,通过上位机进行远程操作,并实时搜寻1-3。救援人员通过摄像头成像可以迅速发现溺水人员的位置,在确定目标之后,通过机械臂打捞溺水人员,救援效率大大提高。1系统方案设计系统方案设计如图 1 所示,采用 32 位高性能ARM Cortex-M3 处理器 STM32407IGT6 作为主控芯片。在机器人本体上设计安装摄像头、照明灯等,并且配有良好的水下通讯技术,
3、更好地传输水下图像信息。机器人设计了避碰声呐系统,能够实现水下避障和定位功能。设计了压力、温度、速度、姿态和方位传感单元。采用续航力长、且安全成本低的电池供应系统,使机器人能较长时间在水下作业,还设计了舱门控制单元和弹出式发信单元,用于故障时上浮于水面定位搜寻。水下机器人采用透明亚克力板来密封和固定摄像头,再搭配上摄像头旁边的照明灯,通过软件算法对机器人进行姿态调整,实现全方位、实时、清晰地拍摄。摄像头收集到信息后,通过水声通信传输给电脑上位机。工作人员可以通过手柄,控制水下机器人移动,通过机械臂的末端执行器来实施具体的救援操作。2自动控制系统设计总体控制系统框图如图 2 所示,主要包括水上控
4、制器、姿态控制系统和图像控制系统三部分4-5。姿态控制系统对水下机器人进行姿态调整,包括水下机器人悬停控制、水下机器人前进、后退以及上浮下潜等控制。图像控制系统主要是采集水下图像,包括拍照、录像等操作。机器人由伺服电机进行控制,如图 3 所示,采用收稿日期:2023-04-11基金项目:吉林省科技厅科技发展计划项目(项目编号:20220203112SF);吉林省教育厅科技研究项目(项目编号:JJKH20210039KJ、JJKH20210040KJ);吉林省级大学生创新创业计划训练实验项目:智能水下搜救机器人(项目编号:202210201175)第一作者简介:赵莹(1976),女,吉林吉林人,
5、研究生,毕业于哈尔滨理工大学,教授,研究方向为嵌入式系统及应用。总第 230 期2023 年第 8 期现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and InformationizationTotal 230No.8,2023DOI:10.16525/ki.14-1362/n.2023.08.036图 1总体方案传感单元压力、速度温度传感器姿态传感方位传感照明模块摄像头舱门控制单元避碰声纳单元云台控制摄像头单元电池管理电池高速通信单元弹出式发信单元电机驱动单元末端执行器机械臂CAN 总线STM32407IGT6图 2总体控制系统水下控制系统姿态控制系统姿态传感器姿态
6、传感器姿态传感器主控制器STM32电机照明灯树莓派图像控制系统姿态传感器姿态传感器电缆遥控器上机位软件水上控制系统技术创新现代工业经济和信息化第 13 卷图 10工作程序流程采集摄像头及光电数据电机驱动 PWM 控制电机运动?N结束YYN收到遥控指令?等待无线遥控指令NY是操作周期?YN初始化成功?操作周期等待上电开始开环控制和闭环控制相结合的方式来完成水下机器人的控制操作,开环控制上位机可以直接控制水下机器人的运动,闭环控制则是利用姿态传感器来反馈水下机器人的姿态,然后对水下机器人进行位置控制。3水下通讯与能源供应机器人采用了锂离子电池作为系统的主要能源供给方式,锂离子电池利用锂离子的浓度差
7、进行储能和放电。近距离无线射频通信采用远高于水声通信(50 kHz 以下)和甚低频通信(30 kHz 以下)的载波频率。若利用 500 kHz 以上的工作频率,配合正交幅度调制(QAM)或多载波调制技术,使 100 kbit/s 以上的数据的高速传输成为可能。水下射频通信原理图如图 4 所示,水下射频通信速率高,可以实现水下远近距离的高速率无线双工通信,从岸上控制中心传递远程控制信号给水下机器人,机器人接收信号并进行水下作业,收集各种水下环境信息上送至岸上控制中心。4水下机器人避障和导航(定位)技术避碰声纳6采取波束自适应稳定及垂直波束相控技术,主要完成对水下环境的感知,其中,STM32 主控
8、板主要负责采集避碰声纳的图像数据,然后进行声纳图像处理和障碍物目标信息特征的提取,并将提取出来的障碍物信息发送到控制中心单元,避碰声纳系统示意图如图 5 所示。本文选择了多普勒声纳计程仪。根据多普勒原理,运动着的船只以频率 f 向海底发射超声波信号,当从海底反射回来的信号频率被接收时,就会产生一个频率差值 f,这个频率差值 f 与船运动的速度存在线性关系。多普勒声纳计程仪就是用来测量舰船在水中运动速度和航程的水声导航设备,这种计程仪最突出的特点是具有很高的灵敏度,在 200 m 左右水深范围内测相对海底速度,能精确到 0.01 节,并且能同时测出纵向和横向速度。5救援机械臂设计采用 4 个自由
9、度的机械臂,当整个机器人系统到达某特定位置时,水下机器人处于悬停状态,由肩关节、肘关节和腕关节 3 个自由度运动配合,可以使末端执行器到达空间任意位置,从而完成机械手准确地触碰目标物。加之末端执行器的夹持,可以完成由机械手处于收缩状态到夹取目标物的整个操作。机械臂样图如图 6 所示,机械手和机械臂建模如图 7 和图 8所示,水下搜救机器人的整体建模如图 9 所示。6软件设计水下智能搜救装置工作程序流程如图 10 所示。图 3伺服电机控制系统电流控制器功率变换器电流指令+-电流环磁极位置检测乘法器速度控制器位置控制器速度指令+-位置指令+-位置环速度环编码器永磁同步电动机图 4水下射频通信原理信
10、息发送单元发送方调制器D/A发送电路分频器功放电路低频发射头接收阵列低噪声放大A/D接收电路解调器信息接收处理单元接收方图 5避碰声纳系统控制中心单元STM32 主控板避碰声纳串口串口图 6机械臂样图图 7机械手建模肘关节肩关节腕关节手爪图 8机械臂建模图 9水下机器人整体建模110窑窑2023 年第 8 期竞争力,走向更加智能化、高效化的未来。参考文献1曹永琴.基于工业互联网融合模式的制造业深度融合研究J.上海经济,2022(2):12-26.2周驰.大数据在工业制造业的应用与研究J.数字通信世界,2019(8):224.3张燕聪.工业制造业中大数据的应用J.通讯世界,2018(3):338
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