水陆两栖救灾机器人的设计分析
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发布者：庄泳 袁洪建 李会 杜凯凯
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时间：2017年5月18日 09:39
摘要：该项目基于单片微型计算机设计了一种水陆两用多功能救灾
机器人。该两栖救灾机器人结合了常见轮式车辆和快艇的特点，
又兼具了自动避障，路面监测，有害气体监测，原地掉头，温湿
度监测，人体检测，声音回传，语音播报等各项特色功能，再加
上多样化搭载平台的理念，具备了适应各种不同地形，不同灾害
的能力。
【关键词】单片微型计算机 水陆两栖机器人
灾情勘察救援
我国是一个自然灾害频发的国家，灾害发
生时急需救援人员及物资第一时间到达现场，
但洪涝、地震、火灾等灾害发生时极易导致道
路、管道受损，陆路无法通行，救灾人员无法
第一时间到达现场施救。常规事故的救灾方式
是根据事故类型确定救灾方案，因不能接近灾
害现场，无法详细了解灾害现场的状况，救灾
指挥中心难以制定有效的施救方案和措施，从
而造成不必要的人员伤亡和经济损失。随着科
技的发展，机器人将会大量应用到救灾领域。
1 硬件设计
1.1 微型处理器核心板最小系统
本作品采用 STM32F103 微型处理器作为
主控芯片，STM32F103 微型处理器是 ARM
Cortex-M3 核的 32 位微型处理器，设计最小
系统时，需要外加晶振电路和复位电路，同时
还需要考虑其引脚的连接与外设的合理分配。
1.2 摄像头及图像传输模块
该部分电路使用模块化解决方案，摄像
头采用安防微型 AV 摄像头，图像传输模块采
用安防无线图传模块。
1.3 电机驱动电路
本作品采用 BTS7960 芯片驱动电机，该
芯片是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯
片，要驱动两路电机正反转，则需要使用 4 块
芯片组成两路全桥。
1.4 显示屏电路
本作品所使用的 OLED12864 显示屏使用
SPI 通信协议，只需要 4 只 I/O 就能驱动。
1.5 语音识别模块电路
本作品使用 LD3320 语音识别芯片，在电
路设计中需要充分考虑电源的稳定以及录音时
水陆两栖救灾机器人的设计分析
文/庄泳 袁洪建 李会 杜凯凯
该项目基于单片微型计算机
设计了一种水陆两用多功能救灾
机器人。该两栖救灾机器人结合
了常见轮式车辆和快艇的特点，
又兼具了自动避障，路面监测，
有害气体监测，原地掉头，温湿
度监测，人体检测，声音回传，
语音播报等各项特色功能，再加
上多样化搭载平台的理念，具备
了适应各种不同地形，不同灾害
的能力。
摘
要
对杂波的过滤，所以在设计中加入了许多电容。
1.6 传感器部分电路
本作品所使用的温湿度传感器、气压传
感器、地磁场传感器、红外传感器等均采用模
块化设计，其中温湿度传感器使用1-wire协议，
气压传感器和地磁场传感器使用 IIC 协议，红
外传感器使用 NEC 协议。
2 机械系统设计
2.1 行走动力及防撞避障机构
救灾机器人的常规驱动由两个电机完成，
通过多级齿轮传动，增大扭矩。两台电机可以
为车辆的行驶提供足够的动力，保证行驶速度，
并且可以通过两台电动机的互相配合达到转向
的目的。为了使救灾机器人在救援过程中充分
发挥作用，必须要保证其自身的安全，利用搭
载在车架上的摄像头，可以监测前方状况，并
及时做出调整，发现障碍物时，可利用机械手
臂对障碍物进行清理，有效减少车辆与障碍物
产生碰撞，保护车辆的安全。安装在车架上的
传感器可以检测识别障碍物的方位，随时自动
调整方向，避开障碍。
2.2 水路动力系统
当车辆在泥地、沙地、水面行驶时，需
要运用空气螺旋桨来提供动力，它由独立的电
机来驱动，并可以由蜗轮蜗杆来调整角度控制
方向。
3 控制系统设计
3.1 总体控制
本救援机器人在执行任务时，既要保证
车辆自身安全，又要第一时间到达救灾现场，
一个完善的控制系统是十分必要的。救援车启
动后前进，当遇到各种障碍时，可以使用安装
在车架上的传感器检测识别障碍物的方位，随
时自动调整方向，避开障碍。同时又兼具了路
面监测，有害气体监测，原地掉头，温湿度监测，
人体检测，声音回传，语音播报，并能通过视
频传输系统把现场情况实时传输到显示设备。
3.2 各分机构控制
救援车的每个动作都是由程序自动控制。
3.2.1 水陆切换模式
当水位系统探测到河流、湖泊或洪水时，
驱动左边车轮、驱动右边车轮停止，轮胎升降
系统启动，轮胎收起，启动螺旋桨旋转，救援
车进入水上模式；当水位系统探测到陆地时，
轮胎升降系统启动，轮胎着陆，救援车进入陆
上模式。
3.2.2 避障模式：分为陆路和水路两种方式来
分别实现
陆路：当红外监测系统闭合，说明右 ( 左 )
边有障碍物，驱动右 ( 左 ) 边车轮反转，救援
车后退一定距离。然后，电机驱动 ( 左 ) 右边
车轮正转，电机驱动 ( 右 ) 左边车轮反转，救
援车向左 ( 右 ) 转弯。车子向前走一段距离后，
进行与第一次转弯过程相反的右 ( 左 ) 转弯，
回到原来的行进方向上来继续行进。
水路：当红外监测系统闭合，说明右 ( 左 )
边有障碍物，螺旋桨转到右 ( 左 ) 侧，救援车
向左 ( 右 ) 行进一段距离后，回到原来的行进
方向继续行进。
3.2.3 工作模式
行进过程中，救援车前方会出现很多障
碍物不能前进时，可以通过摄像头和超声波检
测系统进行实时监测，使用机械手臂对障碍物
进行清理，从而使本车继续前进。该机器人搭
载人体检测和声音回传系统，可以检测现场是
否有人，并且可以通过声音回传系统把现场声
音回传到收音系统。该机器人还搭载可燃气体
检测和语音播报系统，当发现有可燃气体时，
语音系统可以分危险等级播报，并且可以把相
关数据实时传输到遥控显示器上，实现对检测
数据的远距离传输。
3.2.4 自动模式
当开启自动模式时，可以自动躲避前方
障碍物，同时可以根据救援车所在环境，自动
选择模式，自动对救援车的灯光进行控制，实
现自动化。
4 结论
该设计实现了水陆两栖救灾机器人的总
体方案设计，完成了机械方案设计及物理模型
的制作，对救灾机器人的运动功能进行了规划，
最后编制完成了整体控制程序并进行调试。该
两栖救灾机器人结合了常见轮式车辆和快艇的
特点，又兼具了自动避障，路面监测，有害气
体监测，原地掉头，温湿度监测，人体检测，
声音回传，语音播报等各项特色功能，再加上
多样化搭载平台的理念，具备了适应各种不同
地形，不同灾害的能力。
参考文献
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[5] 万佑红 . 机器人教育与大学生创新能力培
养的探索 [J]. 电气电子教学学报 ,2005.
作者简介
庄泳（1995-），男。大学本科学历，电子信
息工程。
作者单位
潍坊学院 山东省潍坊市 261061
