排雷机器人.docx

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1、鹑鹰排雷机器人摘要目前，我国边境和世界其他战乱地区散布着各种炸药和地雷，排除这些潜在的危险对保护人民的生命财产安全具有至关重要的意义。从安全排雷的角度出发，我们设计了鹤鹰排雷机器人。该机器人由无刷电机、金属舵机、陀螺仪模块、LDC100O金属探测器、机械手、无线传输和高清图传模块等构成。主控芯片采用了STM32F407ZGT6微处理器，STM32F407芯片性能高，运算速度快，对机器人的控制更加稳定、高效。首先，我们利用2.4GHZ无线通讯与鹳鹰排雷机器人建立联系，依靠金属探测器对地雷等爆炸物进行精准探测，通过结合高清视频传输。其次，无刷电机与舵机的巧妙结合为鹤鹰排雷提供所需的动力，使机器人运

2、动更加灵活，可以适用更为复杂的路面，突破传统履带式排雷机器人的运动方式。关键词：精准排雷；导航定位；视频传输；STM32F407ZGT6芯片AbstractAtpresent,China,sborderandotherareasoftheworldwarspreadofvariousexplosivesandmines,eliminatingthepotentialdangersoftheprotectionofthepeopleslivesandpropertysafetyisofvitalsignificance.Startingfromtheangleofminesafety,wedes

3、ignthespiritofgullrowthunderrobot.Therobotiscomposedofabrushlessmotor,ametalsteeringgear,agyroscopemodule,ametaldetectormodule,amanipulator,awirelesstransmissionandahighdefinitionpicturetransmissionmodule.ThemaincontrolchipusestheSTM32F407ZGT6microprocessor,STM32F407singlechipperformanceishigh,theop

4、erationspeedisfast,thecontroloftherobotismorestableandefficient.First,Weestablishcontactlinerobotbasedon2.4GHzwirelesscommunicationandthethunderspiritgull,relyonmetaldetectorsofminesandotherexplosivesforaccuratedetection,throughacombinationofvideotransmission,manualorautomaticcontrolmanipulatorofexp

5、losivesweresafelyremoved.Secondly,theingeniouscombinationofbrushlessmotorandsteeringgearneededtopowerthespiritoftherobotgullrowthunder,moreflexible,canbeappliedtomorecomplexpavement,breakthroughthetraditionalcrawlerMovementRobotmine.Keywords:Precisionmine;navigationandpositioning;videotransmission;S

6、TM32F407ZGT6chip摘要IAbstractII1前言21.1 设计背景21.2 国内外研究意义与现状213设计任务22总体方案选择与论证32.1 控制器的选择32.2 电源模块的设计42.3 机械材料的选择53详细实现53.IMCU模块53.2 探雷模块63.2.1 探雷控制63.2.2 探雷原理73.2.3 1.DCIoOo测量并联谐振阻抗、电感93.3 动力装置114实验结果114.1 电源模块输出测试124.2 探雷功能测试124.3 机器人路面适应测试125分析讨论125.1 优缺点125.2 同类对比135.3 创新之处14结论15参考文献16致谢17附录171刖百1.1

7、 设计背景目前，和平与发展是全世界人民共同追求的目标，但是，全球各地总存在着威胁世界和平的因素，比如：地雷、炸弹等爆炸物。上世纪的战争和当代连绵不断的战乱在世界各地遗留下了数以万计颗地雷。地雷每年导致大约二万人受伤或死亡。因此，深入雷区工作的排雷工兵必须做到注意力高度集中，因为每一个小小的失误都威胁到工兵的生命安全。大多数排雷事故发生在工作开始或即将结束的时候。可能是因为工作人员开始准备不够充分；也可能是因为行动即将结束时思想松懈引起的。由于地雷的形状、伪装物和杀伤力千差万别，这对排雷工兵也是巨大的考验，他们依靠探针、军犬或者电子探测器进行探测。但是，即使身上穿有保护装，弹片也能炸掉手指、眼睛

8、，或是造成其他伤害。要将散落于全世界的地雷彻底清除，需要数以千计的排雷兵忙上一千年，因此，就需要大量的排雷机器人去替代或协助排雷人员进行工作。为了解放和减轻工兵排雷的压力，我们设计了一款鹳鹰排雷机器人。该机器人具有精准探测、定位导航、行动轻巧灵活等特点，在排雷方面具有巨大优势。1.2 国内外研究意义与现状军用探雷机器人是一种装有探雷器和使地雷失效装置的机器人，主要用于协助攻击分队在各种雷场中开辟道路，并进行标示。地面军用机器人分为排雷机器人、侦查机器人和保安机器人，如美国研制的交通警察机器人、蜜蜂式探雷器等。此外，国内外设计的排雷机器人的行进方式多为履带式，体积较大，略显笨重；排雷的方式以机械

9、推压排雷为主，虽然技术比较成熟，但是操作较难，危险性较高；而我们设计的鹤鹰排雷机器人，具有智能探测、机械强度高、轻巧灵活等特点，可以适用较为复杂的环境条件，进而可以加快扫雷破障的速度，大大降低人员的伤亡。1.3 设计任务选用STM32F407微处理器作为主控芯片，该芯片是基于高性能、低成本、低功耗嵌入式应用的ARMCorteX-M4内核。利用LDClOOO金属探测器、无刷电机、金属舵机、陀螺仪模块、2.4GHZ无线通讯和高清图传系统来实现机器人的基本功能。首先，我们借助图像传输对机器人周围环境进行实时监控，用2.4GHZ无线通信来进行远程遥控机器人。其次，利用超声波智能避障技术躲避周围障碍物，

10、依靠LDC1000金属探测器对地雷等爆炸物进行探测，结合陀螺仪对机器人车体的倾斜角度和摄像头监视对爆炸物进行准确定位。最后，将爆炸物所在位置提供通讯传给工兵,工兵依据其定位信息安全地拆除爆炸物。其结构流程图如图1所示。陀螺仪机械手2.4G遥控了各类传感器的工作方法及传送方式，在此基础上设计完善电路图，焊接外围电路，完成机器人的硬件基础。最后通过C语言编写各类传感器算法，以及PlD对于速度的调整，尽可能的优化算法程序，使系统运行稳定。在完成基本功能的前提下对本项目进行深入的研究和开发。2总体方案选择与论证2.1 控制器的选择方案一：飞思卡尔MC9S12XS128系列芯片，MC9S12XS128是

11、一款针对汽车电子市场的高性能16位单片机，具有速度快、功能强、成本低、功耗低等特点。（1）总线速度高达40MHZ；（2）128KB程序FlaSh和8KBDataFlash,用于实现程序和数据存储；（3）可配置8位、10位或12位ADC,3Us的转换时间；（4）内嵌MSCAN模块用于CAN节点应用，内嵌支持LIN协议的增强型SCI模块及SPI模块;（5）4通道16位计数器；（6）出色的低功耗特性，带有中断唤醒功能，实现唤醒休眠系统的功能；（7）8通道PWM,易于实现电机控制。虽然功能强大，但不适合控制该机器人。方案二：采用ST89C51系列单片机，89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存

12、储器（FPERe）MFlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ArMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。但用于控制本机器人难以达到要求。方案三：采用STM32F407,STM32F407系列是基于高性能的ARM

13、Cortex-M4的32位RISC内核，工作频率高达168MHz。Corte-M4F核心功能支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型的单精度浮点单元（FPU）。它还实现了一套完整的DSP指令和内存保护单元（MPU）,从而提高应用程序的安全性。该STM32F407系列采用高速嵌入式存储器（多达IMB闪存，高达192KB的SRAM）,最多4字节的备份SRAM,以及广泛的增强I/O的连接到两条APB总线和外设，两个AHB总线和一个32位的多AHB总线矩阵。所有STM32F407ZG设备提供3个12位ADC,两个DAC,1个低功耗RTC,12个通用16位定时器，其中包括两个用于电机控制的PWM定时器

14、，两个通用32位定时器。个真正的随机数发生器（RNG）。该系列芯片还配备了标准和先进的通信接口。综合比较以上方案，我们选择方案三作为系统的控制器。2.2 电源模块的设计方案一：采用LM2596芯片。LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片机集成电路，能够输出3A的驱动电流，并且能够通过电位器输出可调的电压，同时具有很好的线性和负载调节特性。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,可以使用通用的标准电感,极大地简化了开关电源电路的设计。LM2596电路原理图如图2所示。图2LM2596电路原理图方案二：采用PQ3RD23三端稳压管。该三端稳压管的电压Vo=0.5V/

15、2.0A输出类型，有3.3V5V12V输出电压，输出电压精度为：3.0%,内置开关控制功能和过热保护功能。它是具有使能端管脚的四端稳压管。当它的使能端悬空或者高电平时,三端稳压管处于工作状态。当使能端的管脚接低电平时，处于停止状态，这样就可以通过单片机的I/O控制输出高低电平来控制整流电路开关，但是PQ3RD23的可转换电压为3.6VTOV,可以实现在3.8V供电的情况下实现转化功能，从而实现该要求。综合比较选择方案一，即采用LM2596降压芯片。2.3 机械材料的选择方案一：铝合金材料。铝合金材料特性：质轻，铝的密度为2171g/cm3。强度好,纯铝的抗拉强度约为80MN/m2,但经过热处理

16、强化及合金化强化,其强度会大幅增加，它的最低抗拉强度为360MN/m2,能达到低碳钢相应的强度值。耐蚀性能好。铝合金的特性之一是接触空气时表面会形成一层致密的氧化膜，这层膜能防止腐蚀，所以耐蚀性能好。加工性能好。铁道车辆用型材挤压性能好，二次机加工、弯曲加工也较容易。易于再生。铝的熔点低(660),再生简单。在废弃处理时也无公害，有利于环保，符合可持续发展战略。市场价格比较便宜。方案二：碳纤维材料。碳纤维材料是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用