魏若楠 闫琪 管英含 王勇 齐新皓
摘 要：本文介绍了一种运用远程控制的方式，完成水上救援任务的水上救援机器人的设计。本文首先阐述了救援机器人以STM32单片机作为主要控制器，使用2.4G无线通信技术模块作为远程通信方式，然后介绍了通过对电调输入脉宽调制信号用以驱动无刷电机推动船体运行的船体的远程控制方式，使其迅速并且稳定的运送救生装备至所需救援地点，完成救援的任务。
关键词：水上救援机器人 STM32芯片 2.4G远程控制 船模结构
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0056-02
正在世界各地各类自然人为灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间（约48 h）用于寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下，救援机器人的出现可以为其提供有效帮助。
1 主系统设计
该系统由处理器（采用STM32，运算速度快，程序储存空间大，外围接口多），远程控制模块（采用2.4G无线通信模块），电机电调部分（直流无刷电机，无刷电调）等部分组成。
2 相关原理
2.1 主控芯片
系统采用ST（意法半导体）公司成产的STM32F103芯片，该芯片采用Cortex-M3内核，ARM-V7架构。Cortex-M3 拥有强劲性能、更高的代码密度、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势。
该芯片的优异性主要体现在如下方面：
（1）以8位机的价格得到32位机。
（2）拥有SPI、IIC、USB、CAN、ADC、DAC等外设机功能。
（3）实时性能好。84个中断，16个可编程优先级，并且每个引脚都可以作为中断输入。
（4）较低的开发成本。支持SWD和JTAG兩种调试，可以为仿真调试带来便利。
2.2 电机调速原理
本系统采用脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）技术进行调速，它是一种模拟控制方脉冲宽度调制，利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
该技术以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形。按一定规则对各脉冲宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
在STM32F103芯片上，PWM产生原理如下：
假定定时器工作在向上计数 PWM模式，且当 CNT
3 远程控制
我们选择了2.4G无线通信技术的远程控制方式。2.4G无线通信技术是一种工作在全球免申请ISM频道2400M-2483M范围内的无线通信技术，可以实现点对点近距离无线传输，具有使用方便、传输距离远、功耗低等优点。
4 船模的结构设计
4.1 船模的浮力和稳性
船模的稳定性：浮在水面的舰船模型受外力作用会发生倾斜，当外力作用消失时，模型会恢复原来状态，
在我们实际制作船模中，在保证模型的强度的前提下，要尽量减轻模型的重量，尤其是上层的重量。
4.2 确定船模结构
在经历了对船体模型的各种受力因素的分析之后。我们决定采用梭型结构设计（如图3）。
5 配件的选择
5.1 电机的选择
经过对市面现有电机的查找，我们决定使用直流无刷电机作为动力源。通过电调对电机转速及旋转方式进行调节。
直流无刷电机的优点：
（1）可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速;
（2）具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构;
（3）可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载;
（4）体积小、重量轻、出力大;
（5）转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小;
（6）无级调速，调速范围广，过载能力强;
5.2 电池的选择
我们在能量型电池组和功率型电池组中做了对比。
能量型电池以高能量密度为特点，主要用于高能量输出;功率型电池以高功率密度为特点，主要用于瞬间高功率输入、输出的电池。从我们的目的和电池性能方面出发，我们需要它有爆发力和耐力。这明显是功率型电池的优势，能量型的虽然有耐力但是爆发力太小，因此，我们在电源的选择上选择了功率型电池组
6 控制程序设计与实现
本设计的主要任务是完成船模的远程控制功能（图9），其主要实现的过程是：打开开关无线通信模块进行初始化对频，搜索目标并连接，等待发射端发送信号，通过无线通信传至处理器。通过与期望值进行比较，处理器根据偏差值输出一定的PWM脉冲，电调调节电机转速、调节舵机角度，实现船模的远程控制。
在此过程中，包括控制芯片、无线通信模块、电机和舵机的初始化，比如对I/O口，定时器，中断等进行初始化。在设定到目标后进行控制，在对船模的控制中，引入了飞控中的航向角，即用航向角来控制左右转向。
7 结语
本文介绍了一种基于STM32F103芯片做控制，2.4G无线通信模块人工控制而设计出的水上救援模型。该模型现已可以对小范围内的固定目标进行救援，可以携带救援装备快速达到目标附近，从而实现救助功能。该模型目前形体较小所携带的救援设备较少，但可以按比例增大模型体积，携带更多的救援设备，实现短时间为多人运送救援装备的目的。具有较强的实用价值。该模型操作方法简单，速度较快，制作成本较为低廉，适合大范围推广，具有极大的应用前景。
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