一种多功能智能搜救小车的设计

张成　陆毅　段敏　韩昊东　王华东　赵志刚

摘 要：由于灾害现场搜救人员难以迅速展开救援工作，设计出本小车，小车以STC89C52单片机为核心控制器，采用WIFI模块进行人机互交，体感、声感和光感模块辨别位置，机械手执行用户操作，红外和超声波组合进行避障。小车拥有成本低廉，操作方便，救援迅速等优点，具有较好的推广意义。

关键词：搜救小车;STC89C52;避障;机械臂

中图分类号：U462.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-39-03

前言

近些年来，计算机软件编程的发展尤为迅速，各个领域趋向智能化，对机器人的需求越来越高。我国地震、火灾、泥石流、矿难以及有毒气体泄漏等灾害频发，由于灾害发生的48小时内是最佳的救援时间，导致搜救工作异常艰巨，因此对搜救小车整体要求较高，设计出一个合理的搜救小车是十分必要的。

目前，国外一些发达国家早已将搜救机器人投入使用，例如美国的PackBot机器人、德国的AI智能蜘蛛机器人和日本的Quince机器人，应用范围广，能够满足诸多使用要求。而国内在智能搜救领域才刚刚起步。本小车运用单片机控制技术，多传感器共同协作，机械手执行操作命令，通过仿真与搭建受灾环境进行联合调试，保证装置能够准确的运行。

1 小车总体设计

將避障模块、人体感知模块布置在小车的前方;机械手安装与小车的上部。本小车涉及多模块控制与信息的采集和处理，为了提高运算效率，将主程序按照模块化运行，系统的设计如图1所示。

小车由多模块采集信号，STC89C52处理，无线数据传输至上位机，操作人员发出指令控制小车。

2 模块设计

2.1 人体感应模块设计

小车采用HC-SR501人体感应模块，HC-SR501采用德国进口 LHI778 探头，灵敏度高，可靠性强，探测距离可达7米，完全能够满足需求。如2图所示为感应示意图

2.2 声音传感器模块

声音传感器，内置一个对声音敏感的电阻来实现对声音的检测，采用LM386声音传感器模块，能够将音频信号放大200倍，可以准确检测周围的声音，辅助人体感应模块，精确找到被困人员的位置。

2.3 光感模块

本模块的设计，主要是应对光线不良条件下，被困人员将光源作为求救信号的情况，增加小车的适应性。

2.4 避障模块设计

本模块采用超声波与红外共同协作。超声波模块发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回，并计时。测距公式如下：

由于超声波在距离过近时存在误差，所以增加红外测距模块来弥补超声波的不足，使测距更为准确。

2.5 系统软件设计

本装置传感器全部由嵌入式C语言编写的子程序来实现各个模块的预定功能，主程序流程图如图5所示。采用模块化的设计思路[1]编写各个子程序。

3 机械臂驱动

机械臂是该装置的主要执行机构，用于清除障碍物，方便搜救人员了解现场情况。本小车采用了六度自由的机械臂，由五个TBS-K20数字舵机组成，该数字舵机扭矩大、虚位小、速度快。工作时控制器控制电路接收信号源的控制脉冲，并驱动舵机转动，实现机械臂的操作。单片机微处理系统实现对舵机输出转角的控制如图5所示：

为了让机械臂的运动更准确，特采用D-H模型对机械臂进行建模，根据参考文献[2]可得到连杆得D-H模型如图6所示：

4 功能实现

首先通过CATIA 构建机械臂数字模型，将运动矩阵公式编入CATIA，进行数字化验证;其次搭建模拟受灾现场，

通过软硬件的联合调试，小车能够实现预期功能。如图7所示为将矩阵公式编入CATIA后通过输入障碍物坐标实现夹取功能。

5 结论

本小车是以51单片机为控制核心，机械手作为主要的执行机构，通过多传感器的共同协作，在搭建的模拟场地中可以准确无误的发现目标，该搜救小车可以满足实际的救援需求，具有一定的市场价值。

参考文献

[1] 任胜兵，邢琳.软件工程[M].北京：北京邮电大学出版社，2004：132- 143.

[2] 王勇杰.多度自由机械臂结构参数优化[D]：北京：北京理工大学， 2016.

[3] 张珊珊.三电机驱动四自由度混联机械臂分析与设计[D]：河北：燕山大学，2012.