军事侦察机器人——仿生蛇*

*基金项目：本项目由大学生创新创业训练计划项目基金资助

传统的侦察机器人依靠履带或滚轮等方式进行运动，采用这种方式运动的机器人体型较大，在军事活动中容易被敌人发现，在复杂地形中通过性较差，侦查具有局限性，而仿生蛇军事侦察机器人具有更小巧灵活的特点，能利用复杂的地形隐藏行动路线，能够在复杂的地形下快速机动，可在松软土地以及空间狭小人类无法进入或者其他需要进行侦察而又危险的情况进行侦察。仿生蛇军事侦察机器人能够提高人们的侦察效率，减少危险，具有很高的研究价值。

1 机械结构设计

该机器主要由主控装置、舵机、发送装置、摄像装置和红外装置来组成。

图1 仿生蛇结构图

1.1 材料的选择与加工

其的工作环境等因素考虑选用树脂作为仿生蛇侦察机器人外型结构材料，能抗老化且能在高温、低温、腐蚀的环境中正常进行工作，并且其成本较低能使用时间长性价比高。根据结构大小进行外形设计，并运用3D打印技术进行打印，使得外型结构精准，成本较低，结构稳定且质量良好。

1.2 外型结构设计

仿生机器人的外型结构。仿生蛇的整体结构由多个元件组成，主要分为头部、颈部、躯干和尾部四个部分。整体结构采用仿生结构，模仿蛇的身体结构。头部由小型的机械臂仿照蛇的嘴巴，机械臂内部有一定的空腔，在执行侦察任务时发现一些小型有用的物品可直接由机械臂抓取带回，机械臂上面有两只“眼睛”，一个是MLX90640 红外热成像仪器，可辅助进行追踪探查任务，另一个为OpenMv 摄像头模块收取实时图像并通过WIFI 模块传回实时图像。颈部由主控模块STM32F103C8T6、电源以及WiFi 模块构成。躯干主要由舵机组成，关节部分前后使用强磁模块连接，通过主控芯片STM32F103C8T6 驱动相应的舵机运动由此实现仿生蛇的仿生运动。尾部带有起爆电路装有烈性炸药表面做隔热防水处理，尾部与躯干关节连接处采用电磁铁连接，可实现断节功能随时脱离躯干实现定向爆破。该仿生蛇的结构实现了仿生运动，并可以在各种复杂环境下完成相应的指令。

1.3 仿生蛇机器人尺寸参数

仿生蛇机器人长60 cm，宽6 cm，高8 cm，整个机器人质量8 kg，电池电压由1 500 mAH 12 V锂电池供电。

1.4 运动数学建模

转弯运动基础，对仿生蛇机器人运动曲线进行分析，蛇形曲线运动方程为P=αbsin(bs), α 为幅值角，b 为比例常数，s 为蛇形曲线长度^[2]。

由蛇形曲线公式得出关节角关于时间的函数。

θ_i(t)=Asin(ωt+(i−1)β)   (1)

设第1个舵机需要调整的角度是α₁

   (2)

由式(2) 可以得出α_n是最终调整的幅值，前面关节处具有连续性，得出

θ_(s)=α₁cos(bs_f)= α₂cos(bs_f)=...=α_ncos(bs_f)=0   (3)

当仿生蛇机器人运动，此时有

设计的运动过程在提高了转弯效率的同时可以减轻系统负担，提高执行效率。

表1 仿生蛇机器人运动模式表

1.5 仿生原理

本设计模仿蛇类运动设计了四种运动模式，适用于各种复杂环境下进行侦察活动。

2 系统硬件设计

2.1 仿生蛇机器人总体结构

仿生蛇机器人系统的组成部分中，根据仿生蛇机器人的功能要求，选用MDK5 作为开发平台^[5]，主控芯片采用的是STM32 单片机，它控制功能强大，可以外接各种控制各种传感器，接收和处理传感器的反馈信号从而检测出其所处的环境，运用 PID 算法对蛇形仿生机器人的运动情况进行实时反馈控制，并且能调节舵机的角度使得仿生蛇机器人运动更加的平滑，运动控制基于STM32串口功能强大，能够输出多路PWM 信号，可以灵活调整舵机的旋转角度，获得更稳定的动力。电磁铁模块的使用能够使蛇形机器人的运动更加灵活，摄像头模块可以反馈检测到的图像和一些数据和对环境的简单判断，使得仿生蛇机器人更加的智能。激光雷达模块可以检测周围环境，使得仿生蛇的在一个安全的环境下工作。在蛇形机器人数据传输方面，采用WIFI 图传模块，可以稳定远距离传输图像，以便更精确的控制蛇的运动。

系统的总体结构如图2 所示。

图2 系统总体结构图

2.2 STM32控制板

本设计采用STM32 控制板，如图3 所示，是基于STM32F103C8T6 主控芯片的微控制板，程序存储器容量是64KB，工作电压为2 V~3.6 V，能在零下40℃ 到零上80℃ 的工作环境下正常工作。相较于其他此控制板具有更小的体积和更强大的功能，能够满足仿生蛇系统的控制要求。主控芯片原理图如图4 所示。

图3 STM32主控板实物图

图4 主控芯片原理图

2.3 驱动元件

为满足仿生蛇机器人能够灵活运动的要求，考虑到整个系统的稳定性，易操作性及耐用性等，本设计的控制方案采用舵机驱动。舵机由减速齿轮组、反馈电路和电机组成的驱动系统。STM32 芯片通过信号线与舵机控制线相连，通过内部定时器产生的PWM 信号控制舵机的旋转角度，并通过串口接收舵机的反馈角度，作为整个系统的反馈角。经过多方面的测试舵机型号选用RDS3115，该舵机扭力大，精度高，可以有效的驱动蛇身运动。并且此舵机内部带有编码器能够准确的测出旋转角度，并通过自带的串口反馈角度，更加的适合闭环控制，更好的满足多种方式运动需求。

舵机旋转角度由脉冲信号控制，舵机可调范围是0°~180°，占空比的大小来控制舵机旋转角的大小，旋转角度和脉冲信号转换公式：脉宽= 转动角（90+0.5）°，下面是常用角度与脉宽的对应表。

表2 常用角度与脉宽对应表

2.4 WIFI模块

为满足图像传输和远程控制功能本设计采用ESP32模块，其拥有32 位双核处理器，CPU 正常工作速度为80 MHz 最高可达240 MHz。工作温度为-20℃~70℃，工作电压为4.75 V~5.35 V。在接收到摄像头传入的图像后通过无线网络传回图像，可以做到低延迟、高帧率的有效传回，在远程遥控上也是通过无线网络传输给ESP32，然后通过ESP32 的串口把控制信号传输给单片机，最终达到控制整个蛇在超远距离移动的目的。

2.5 红外热成像模块

采用MLX90640 红外热成像模块，采用远红外热传感器阵列，110°视角，320×240 像素，该传感器可以准确测量温度范围为-40℃ ~300℃，可更大范围可精度检测特定区域和温度范围内目标物体。

2.6 摄像头模块

摄像头采用的方案是通过OpenMv 采集数据，通过SPI 传输。OpenMv摄像头捕捉到图像后，经过图像处理算法进行处理，将处理好后的视频帧转换为SPI传输格式，再配置好ESP32 的SPI接口，通过串口将OpenMv 采集的数据传输给ESP32 并通过配置好的SPI传输到接收端，接收端进行解码配置，就可以转化为可视化图像。如图5图像的显示。

图5 电脑接收到ESP32传输回来的图像

3 系统软件设计

3.1 程序流程

本次项目所制作的仿生蛇侦察机器人主控芯片是STM32F103C8T6，通过内部时钟产生6 路PWM 信号对6 个舵机进行旋转控制，在通过舵机内部串口返回的角度给主控芯片，最后通过算法实现对舵机角度的自动调节，从而实现对整个仿生蛇侦察机器人的运动进行控制。针对不同的使用场景，仿生蛇侦察机器人在运行的过程中需要具有，前进、左右转弯、克服障碍物等功能。在面对不同的地形设计有4 种运动方式：蜿蜒运动、侧向运动、螺旋运动和行波运动^[3]。通过ESP32 和STM32 相连进行运动模式的选择，可以实现远程无线遥控仿生蛇侦察机器人。为了方便数据的实时传输，采用了OpenMv 摄像头和ESP32 对图像的传输，为了在夜间行进采用MLX90640 红外热成像模块进行红外识别，采集到地面信息后传输给ESP32，减少黑暗对仿生蛇侦察机器人的影响。通过GPS 定位能够准确的知道仿生蛇军事侦察机器人的准确位置，能够更加完美的实现侦察任务。

图6 程序流程图

为了保证仿生蛇侦察机器人运动流畅，在舵机与舵机之间加入了PID 算法调节，在第1 个关节处是预期量，输出量给第2 个关节输入，和给第1 个关节反馈，这样第1 个关节形成了1 个闭环控制，通过舵机与舵机之间的串级PID 调节，会使得整个仿生蛇侦察机器人的控制更加方便,PID 流程图如图7。

图7 PID流程

4 结束语

基于STM32 最小系统板，与6 个RDS3115 舵机，配合OpenMv 摄像头、MLX90640 红外摄像头和ESP32等模块设计的仿生蛇军事侦察机器人，能够实现远程遥控，外观具有极高的隐蔽性，并能够高效的传输图像，可根据不同地形选择不同的运动模式，可以高效率的前进，在抗震救灾、城市排爆也有着极高的应用价值。

参考文献：

[1] 李秀丽. 基于模块GZ-I的蛇形机器人运动性能研究[D].杭州:浙江工业大学,2011.

[2] 王超,邓宏彬,彭演宾,等.蛇形仿生机器人的转弯运动控制方法[J].指挥与控制学报,2015,1(4):485-492.

[3] 朱红山. 基于OMAP平台蛇形机器人控制系统设计及复杂环境下视觉导航的研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[4] 陈力雄,郭宛霖,张世龙,等. 基于Arduino的仿生六足侦察机器人设计[J].电子制作,2022,30(21):3-7.

[5] 史志阳. 手指关节康复训练器的设计与分析[D].徐州:中国矿业大学,2019.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）