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三栖救援除污机器人设计

摘要：由大扭力直流电机带动的动力系统、红外传感避障系统、基于STM32F103C8T6单片机

的控制系统、无线遥控系统、永磁交流微型发电系统、水陆两栖转换系统[1]、无线摄像传

输系统、太阳能智能追光发电控制系统、除污系统九大系统组成的水陆空移动救援除污环保

船。它不仅可以水陆两栖自由运动，在水中可由上下移动清洁铲清理水面漂浮垃圾，还可以

由永磁交流微型发电机借助风力水力发电，带动LED闪烁验证其发电量。机器人上装有智能

陀螺仪式跟踪器、光敏传感器可感知太阳具体位置，闭环控制，经单片机控制系统处理后,

控制跟踪器旋转寻阳，大大提高太阳能的利用率。

关键词：三栖；救援除污；智能追光；STM32

引言

当今世界主要的能源是化石能源，主要有煤炭，石油，天然气等，这些都是不可再生能源。

每年因各种化石能源开采带来的灾难时有发生。然而，在这种情况下还在发生因资源短缺而

造成缺电问题，据统计国内已有24个省市区严重缺电,缺电问题面临20年来最严重时刻。

全国煤炭供应存在巨大缺口,各地用煤紧张，国内不可再生能源紧缺。能源利用后产生大量

无法解决的有害气体，严重污染大气环境，损害人体健康。介于以上的国内现状我们加以联

想到了海洋。海洋含有大量可再生能源，多国目前也正大力研究。我们对此展开了讨论、研

究和相关实验。经调查，我们了解到通过多种易被人们忽视的能源（波浪能、风能）加以回

收利用，以此来缓解能源紧缺的问题，且风险小，不过度需求人力的参与，解放了劳动力，

能源环保污染小。

基于上述结论我们策划了一下水陆两栖发电方案：以水陆两栖底盘为主的驱动模块运行，内

置永磁交流微型发电机，通过水陆风能、波浪能带动风叶高速旋转，将风能转为机械能，风

叶带动发电机旋转，将机械能转化为电能，整流后输出，加之太阳能辅助充电系统，所得电

能传输后可用于家庭等供电系统，加大了能源的利用率。此发电方式必将成为未来的一种发

展趋势，同时这种发电方式也为节能减排政策带来了新的发展契机。

1设计方案

1.1超声波避障传感器

超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。

它虽然体积小，但是具有其它大型传感器所具有的功能，安装使用方便而且不受被测物体的

颜色影响，有许多特设功能，如：具有自诊断LED显示和按键设定功能、温度补偿功能、

可选择模拟量或开关量输出等；其供电电压为10~30V，测量范围为30mm~300mm，输出电压

0V~10V，输出电流为4mA~20mA，最小负载阻抗2.5Ω，精度可达到0.5mm，外形分为直线型

和直角型，感应口径为18mm。

超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0~25cm的液位控制，以及液位误差不超过

±0.3cm的要求，并且解决了安装不方便的难题。所以本设计选择了精度高，体型小的超声

波传感器。超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生

超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为；超声波换能器

或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收

声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射

超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信

号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。首先测出超声波从发射到

遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距

离，即其中D为传感器与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。在空气中

声波的传波传输速率,其中T为绝对温度，在测距精度不是很高的情况下，一般认为c为常

数340m/s。[2]

1.2光耦继电器模块

光电继电器模组是把电气控制柜中的多组继电器集成化、系列化、模块化设计，为设备节省

空间，减少了中间接线环节，提高了效率及产品的性能。支持双电源，达到信号与继电器驱

动隔离的目的，安全稳定。当控制电压与继电器控制电压一致时，可通过跳线帽将两电源

短路，使用单电源供电。光电继电器指利用光电效应而动作的继电器。它是由发光元件（如

小型白炽灯、磷化镓二极管等）和光敏器件构成的。当加在发光元件上的信号达到某一定值

时，光的作用使光敏器件的阻值发生急剧变化，从而起到闭合或开断电路的作用。[3]

1.3太阳能板辅助发电模块

太阳能发电：现在已经较为成熟的发电模式。系统相互独立，可自行控制，避免发生大规模

停电事故，安全