单片机实际运用

一、绪论

1.1项目背景

以往事故现场的救援工作过程中，救援人员发现:由于房屋倒塌等情况的出现，导致地面形成若干个大小不一的裂缝和洞孔。 这时，救援人员因无法探测里面的情况，进行无法开展救援任务。盲目地撬开洞口进行搜索救援将会浪费大量的救援时间以及人力物力甚至造成二次伤害。 因此，在救援现场急切需要小型机器人辅助救援侦察工作，快速搜查并定位被困者，提高救援效率。球形机器人一般拥有全封闭球形外壳，球内包含控制系统、动力系统、传感器等。与传统机器人相比，球形机器人具有体积小、操作灵活、不受地形限制等特点，在房屋倒塌后形成的各类复杂裂缝和孔洞中可以行动自如，在救援通道尚未开辟出来前，可以通过裂缝或者孔洞通道提前侦测被困者的信息，辅助施救者制定方案，有效地执行救援任务。同时，球形机器人上可配备自动循迹、智能避障以及摇杆控制等功能增强辅助救援的能力。通过摄像头采集球形机器人周围的环境信息，将获取的图形信息通过5. 8G模块传输给用户终端，为救灾工作者探测受灾人员位置提供帮助，大大节约了救援时间，争取有效利用黄金救援时间 。 球形机器人在救援现场能够出色地协助救援人员完成搜寻探测任务，极大地提高救援的效率。

1.1.1机器人技术概况

智能机器人已经在生活、工业、科学等许多领域被广泛的使用，目前从智能机器人所具备的水平将机器人智能化划分成了三个等级，第一种是高级智能机器人，第二种是初级智能机器人，和第三种是工业机器人。自从2000年后，在科学设计、智能制造、半导体材料技术、仿真模拟技术、工业加工技术等快速进步的前提下，机器人的智能技术将被推广应用到更多的领域中。

机器人的发展趋势：小型化和微型化小型化和微型化直是机器人发展的一个趋势。机器人小型化可以节约能源，缩小热变形误差，提高响应速度，拓宽应用领域等。利用微型机械概念设计和通过微加工技术生产的微型机器人已经在医疗、工业管道检测等领域得到应用。操作简单化目前市面上机器人的操作普遍比较复杂，有的甚至需要专门的技术人员才能操作，这大大阻碍了机器人的应用和推广。例如，农业机器人的使用对象是文化水平相对较低的农民，因此这类机器人就需要满足操作简单的要求。群体化，由于机器人的应用领域和范围正在不断扩展，单个机器人往往难以完成较为复杂的任务，人们通过设计多个机器人间的相互协作来完成预定的任务，这就是机器人的群体化。它使机器人组成了一个类似人类的机器人社会。机器人群体系统可用于自动化生产线中物料的组织运输、生产加工等环节，以及环境监测、军事侦察等方面。

1.1.2国内外的发展状况

国外现状：例如星战BB8的首现荧屏，这个头不动身体动的可爱球形机器人。类似球形机器人在国外应用也十分广泛，具有高机动性能的两栖机器人在两栖环境中进行潜航是一个巨大的挑战，包括在崎岖的地形上爬行、水下机动、陆水之间的发射和着陆运动等。为了应对这样的挑战，设计了一种带有滞后多矢量喷水复合驱动机构( LMWCDM )的微型仿生两栖球形机器人( AS-Robot )。该类机器人的设计较为复杂，首先，建立了爬行步态的简化运动学模型，并采用在线调整机构对爬行步态进行调整，使机器人能够更稳定地爬上斜坡。然后，基于水下动态模型，提出了一种实时动态推力矢量分配策略，利用4种并行PID算法计算得到的期望力和力矩来产生喷水推力和关节角。最后，通过一系列实验对陆上运动和水下运动的性能进行了评价。进一步，在野外环境下进行了各种地形爬行、发射和着陆等室外运动实验。结果表明，该机器人样机具有较高的运动性能，使其在两栖环境下的灾害救援、侦察和资源勘探等方面得到了广泛使用。

国内现状：针对球形机器人动力学模型不准确、参数不确定的问题，设计了一种基于李雅普诺夫（Lyapunov）方法的模型参考自适应控制（MRAC）算法。首先，搭建了基于全向轮驱动的球形机器人实验平台，并利用拉格朗日方程进行动力学建模。然后，为解决球形机器人运动过程中参数易受干扰的问题，采用MRAC进行运动控制，其中自适应控制率利用李雅普诺夫方法进行设计。最后，通过在线仿真和实测实验，结果表明MRAC具有良好的控制效果，在运动参数受到干扰时仍有较好的控制能力。

1.1.3机器人技术发展中的问题

（1）尖端技术尚未实现全球领先机器人是多学科、高科技交叉融合的产物，作为工业后发国，中国在产业基础上相对较弱。在机器人产业中，上游核心零部件直接影响机器人性能，且占本体成本70%以上，但目前我国核心零部件仍依赖进口。同时，我国尖端技术尚未实现全球领先，与国外成熟的公司相比，依然有不小差距，高端市场显著缺失[3]。

（2）关键技术待突破，B端市场尚未明确应用方向。目前，国内将智能机器人定位为满足人类生产和生活质量提高的基础关键设备，部分人工智能技术实现国际领先水平，但从市场需求的角度出发，现有产品尚不能满足用户智能化需求，人机交互、柔顺控制、功能仿生、智能感知等关键技术严重制约服务机器人发展[3]。

（3）产品价格高、功能安全与信息安全难保证国内可量产的智能机器人企业数量较少，由于难以规模化生产，产品成本难降低，而C端市场对产品价格十分敏感，高价格门槛使得机器人难以进入大众化消费时代[3]。

（4）行业标准缺失，产品良莠不齐机器人产业的发展，必须具备与之相匹配的标准体系。国内已有的标准以强制的安全认证为主，缺乏产品功能性认证，使得部分地方及企业标准执行不到位；同时，行业标准处罚力度不够，围标代价不高，直接导致部分企业产品良莠不齐。

1.2球形机器人应用场景

球形机器人是一种整体为球形的、内置电路及传感器的机器人，其外壳即为轮子，使机器人能够全方向的移动，不仅灵敏度高，而且速度快，转弯半径为零，能够在复杂和狭窄的空间内穿梭自如。

1.2.1救援抢险

在自然灾害、人为灾害面前，人类显得很渺小，危险处处存在，机器人的存在，可以使危险大大降低。近几年自然灾害频发，比如地震、洪涝、滑坡、森林火灾等。球形机器人的应用场景比较广泛，可以在地震时利用其自身优异的通过性，布设小型基站、灾区救援、危房探测、废墟消杀等。相比其他类型机器人，球形机器人可以利用自身体积，来通过路况障碍，体积越大，通过性越强。

1.2.2水路两栖

球形机器人的球形外壳之外，是没有线路或机械结构的，在完全闭合之后，是可以做到防水的，所以球形机器人是可以在水面或海面上进行漂浮，并且可在沙滩上登陆到地面，这样即可做到水路两栖。不仅能在沿海作为一些水质探测、微生物检测、水面救援、水面监控、滩涂抢险等事项。

1.2.3草地、沙漠、沼泽

近几年草原火灾、森林火灾事件频发，可以利用球形机器人装载灭火装置，对自然火灾或植被进行灭火，可以为国家挽回更多的自然财产。除此之外，也可以作为森林巡逻机器人、草原植被检测、沙漠地质检测、沼泽救援等事项。在质地软、地形复杂、地面广阔等场景，球形机器人拥有其他类型机器人不可以替代的优势。

1.3整体设计方案

该球形机器人的整体方案为使用亚克力球作为机器人的外壳，也是使机器人移动的“轮子”。内部防止该机器人的电池、DC-DC电源降压模块、MPU6050陀螺仪传感器、STM32单片机最小系统板、OLED液晶显示屏、舵机、负重块、电机驱动、直流减速电机等电控部分。

亚克力是一种透明的有机塑料，是一种可塑性很高的高分子材料，它的透明性非常好，化学性能稳定，并且耐候性，很容易加工、染色，不仅外观优美，还可以制作成板材、管材、球壳等形状，在广告业、建筑业中有着很广泛的应用。它又叫PMMA或有机玻璃，是一种丙烯酸塑料，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯。使用亚克力材料制作而成的球是一种透明、无杂质、可对半分开或合并的一种球壳体，体积大小拥有非常多的型号。使用亚克力球做为外壳，不仅外壳透明，能看清里面电控部分运行的状况，还能使用无线串口等通信工具正常工作。如果使用金属球做为外壳，无线通信模块的性能与通信质量，将大打折扣。

电池是整个机器人的能源供应及存储的位置，在该机器人中，可以使用镍氢电池或航模电池，亦可使用18650型号的锂电池，相较于航模电池而言，18650锂电池有价格便宜、容量大、易固定等优点。

DC-DC电源降压模块采用mini降压模块，不仅效率高，可达96%，电流输出能力为3A，而且电压可以进行调节。该机器人使用了两个降压模块，为整个系统提供稳定的电压。

OLED屏采用了0.96寸的128*64点阵的IIC通信方式的模块，为整个系统提供一个显示参数状态的信息板。

MPU6050使用了GY-521模块，该模块集成了MPU6050陀螺仪芯片、稳压芯片、滤波电路等，方便使用。由于MPU6050传感器芯片很小，不容易焊接，而且若自己焊接的话，很容易焊不平，故使用了成品的模块࿰