一种基于仿生的水陆两栖探测蛇

1.本发明涉及水陆两栖探测蛇技术领域，是一种基于仿生的水陆两栖探测蛇。


背景技术：

2.仿生机器人是如今机器人行业研究的重要方向。仿生机器蛇是利用仿生原理，模仿蛇的形态而研究出的一款机器人，它与普通机器人相比在探测、伪装以及一些狭窄区域的搜索等方面有着不可忽视的优势。同时，由于纯仿生机器蛇的系统效率较低，系统隐蔽性高，而普通机器人系统效率高，系统隐蔽性低。


技术实现要素：

3.本发明为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于仿生的水陆两栖探测蛇。
4.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
5.本发明提供了一种基于仿生的水陆两栖探测蛇，本发明提供了以下技术方案：
6.一种基于仿生的水陆两栖探测蛇，所述探测蛇包括：水下仿生蛇部分和远程遥控终端；
7.所述水下仿生蛇部分包括mipi摄像头、万向轮、防水板、第一舵机、第二舵机、第一外壳、第二外壳、第三外壳、螺旋套筒软管、螺旋推进器、螺旋推进器、红外线避险装置、压力传感器、5db增益天线、航行灯、电池组、stm32f103zet6单片机主控模块、esp8266wifi模块、a4957驱动电机、nrf24l01无线模块、照明模块、电机驱动模块；
8.远程遥控终端包括stm32主控模块、oled显示模块、nrf24l01无线模块。
9.优选地，mipi摄像头包括镜头和摄像机，镜头可根据任务及场所环境要求进行更换；
10.stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块的rx和tx引脚相连，进行图像数据的采集，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端；5db增益天线与esp8266wifi模块的天线接口相连。
11.优选地，镜头与第一外壳的孔洞镶嵌连接，摄像机与第一外壳通过孔轴结构固定；stm32f103zet6单片机主控模块与外壳通过孔轴结构固定；
12.舵机通过插动结构与第二外壳相连接；电池组通过孔轴结构插动连接；第一外壳与第二外壳、第二外壳与第三外壳通过铰链连接；外壳外表面间由螺旋套筒软管连接；第二外壳外表面装有一对螺旋推进器；螺旋推进器可收入第二外壳内部。
13.优选地，第三外壳外表面装有一对螺旋推进器，可收入第三外壳内部；
14.第一舵机放置在第一外壳与第二外壳的交界处，第二舵机放置在第二外壳与第三外壳的交界处；万向轮装置放置于第一舵机的外部，万向轮放置在第二舵机的外部；stm32f103zet6单片机主控模块通过控制电机驱动模块的不同电路来驱动a4957驱动电机工作；红外线避险装置与stm32f103zet6单片机主控模块相连，并将采集到的数据实时处理，与电机驱动模块实时传输；压力传感器将外界的压力数据采集转送给stm32f103zet6单片机主控模块来控制螺旋推进器和螺旋推进器弹出。
15.优选地，照明模块包括光敏电阻电路和探照灯接口电路，光敏电阻通过stm32f103zet6单片机主控模块的pa5引脚传输光照强度数据，同时根据输出的pwm波形来控制航行灯的亮度；nrf24l01无线模块和nrf24l01无线模块选择了stm32f103zet6单片机主控模块的pb14和pb15作为spi通信协议中miso和misi数据线接口。
16.优选地，oled显示模块与stm32主控模块相连接，通过不同的编程设置，实现了对于测试传输数据丢包率的实时显示。
17.优选地，当其处于陆地上时，压力传感器检测到外界环境压力减小，此时切换为陆地模式；通过stm32f103zet6单片机主控模块发布控制指令，使stm32f103zet6单片机改变pwm波的占空比来实现舵机转动角度的控制，舵机的转动带动万向轮产生向前的回转动力，实现了两个维度的前行。
18.优选地，将mipi摄像头采集到的实时画面通过stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块的rx和tx引脚相连，进行图像数据的采集，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端，5db增益天线的采用使其数据传输更加稳定可靠，在无障碍的情况下，通信直线距离可达到50米。
19.优选地，当其处于水中时，压力传感器感检测到外界环境压力的增大，进而使stm32f103zet6单片机主控模块发布指令控制a4957驱动电机调节螺旋推进器和螺旋推进的扩张，为其在水下工作提供动力；通过nrf24l01无线模块和将远程终端的遥控指令传输到仿生机器蛇，实现实时的前后左右上下6个维度的运动。
20.优选地，照明模块通过光敏电阻采集光电数据进行控制，通过内置的stm32f103zet6单片机主控模块的pa5引脚传输光照强度数据，通过内部的adc模数转换器对光照强度进行处理并设置光强阙值，控制pa9和pa12输出pwm波形，实现航行灯的亮度控制；红外线避险装置实时检测外界的环境，在控制指令传输不及时的情况下，与a4957驱动电机配合进行紧急制动，来保证仿生蛇机器人的正常运行。
21.本发明具有以下有益效果：
22.本发明与现有技术相比：
23.本发明的目的是提出一种基于仿生原理的水陆两栖探测蛇。水陆两栖探测蛇具有以下特点：
24.①
由stm32f103zet6单片机作为主控原件，在陆地上，通过控制舵机产生回转动力来实现蛇的扭动前行；在水中，通过单片机驱动电机来控制螺旋推进器产生上下左右四个方向的驱动力。
25.②
通过传感器检测压力来判断是否处于水中，并自动弹射出螺旋推进器，做到水陆两个模式的自由切换。
26.③
前端的摄像头将采集到的实时画面通过wifi模块传播到控制端实时监控，并对
采集到的图像进行处理，通过红外避险装置避障。同时根据采集光电阻传感器数值大小来控制探照灯的亮灭，实现照明功能。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明的整体外观图；
29.图2是本发明三关节分开的外观示意图；
30.图3是本发明三关节分开的外观示意图；
31.图4是本发明的上表面整体剖面图；
32.图5是本发明第一部分头部的上表面剖面图；
33.图6是本发明中间部分处理器模组的上表面剖面图；
34.图7是万向轮部分的剖面图；
35.图8是本发明整体设计框图；
36.图9是本发明软件构造部分的设计框图。
具体实施方式
37.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
41.以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
42.具体实施例一：
43.根据图1至图9所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种基于仿生的水陆两栖探测蛇。
44.一种基于仿生的水陆两栖探测蛇，本发明由两个部分组成，分别是水下仿生蛇部
分和远程遥控终端。
45.水下仿生蛇部分外部具有mipi摄像头1、万向轮2、防水板3、舵机4、第一外壳5、第二外壳6、第三外壳7、螺旋套筒软管8、螺旋推进器9、螺旋推进器10、红外线避险装置11、压力传感器12、5db增益天线13、航行灯14、电池组15等组成。
46.水下仿生蛇内部具有stm32f103zet6单片机主控模块、esp8266wifi模块、a4957驱动电机、nrf24l01无线模块、照明模块、电机驱动模块。
47.远程终端主要具有stm32主控模块、oled显示模块、nrf24l01无线模块。
48.mipi摄像头1由镜头、摄像机组成，镜头可根据任务及场所环境要求进行更换。stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块的rx和tx引脚相连，进行图像数据的采集，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端。5db增益天线13与esp8266wifi模块的天线接口相连，提高了wifi模块的发送功率，延长了通信距离。
49.镜头与第一外壳5的孔洞镶嵌连接，摄像机与第一外壳通过孔轴结构固定。stm32f103zet6单片机主控模块与第一外壳5通过孔轴结构固定。舵机4通过插动结构与第二外壳6相连接。电池组15通过孔轴结构插动连接。第一外壳5与第二外壳6、第二外壳6与第三外壳7通过铰链连接。外壳外表面间由螺旋套筒软管8连接。第二外壳6外表面装有一对螺旋推进器9。螺旋推进器9，其可收入第二外壳6内部，同上，第三外壳7外表面也装有一对螺旋推进器10，也可收入第三外壳7内部。外壳是由亚克力材料制作的密封耐压仓，与关键连接部位防水板3相配合在水下航行方面起到关键作用。
50.舵机4包括第一舵机和第二舵机，第一舵机放置在第一外壳5与第二外壳6的交界处，第二舵机放置在第二外壳6与第三外壳7的交界处。万向轮2包括第一万向轮和第二万向轮。第一万向轮装置放置于第一舵机的外部，第二万向轮放置在第二舵机的外部。stm32f103zet6单片机主控模块通过控制电机驱动模块的不同电路来驱动a4957驱动电机工作。红外线避险装置11与stm32f103zet6单片机主控模块相连，并将采集到的数据实时处理，与电机驱动模块实时传输。压力传感器12将外界的压力数据采集转送给stm32f103zet6单片机主控模块来控制螺旋推进器9和螺旋推进器10弹出。
51.照明模块主要由光敏电阻电路和探照灯接口电路组成，光敏电阻通过stm32f103zet6单片机主控模块的pa5引脚传输光照强度数据，同时根据输出的pwm波形来控制航行灯14的亮度。nrf24l01无线模块和nrf24l01无线模块选择了stm32f103zet6单片机主控模块的pb14和pb15作为spi通信协议中miso和misi数据线接口。oled显示模块与stm32主控模块相连接，通过不同的编程设置，实现了对于测试传输数据丢包率的实时显示。
52.具体实施例二：
53.摄像机沿孔轴结构插入第一外壳5，使镜头1-1与空洞5-1贴合。通过影像传输模块连接单片机接口1与摄像机。单片机主机沿孔轴结构插入第一外壳5，位于摄像机后。第一外壳5与第二外壳6、第二外壳6与第三外壳7通过铰链连接。舵机4通过插动结构与第二外壳6相连接。万向轮2通过转动结构将其固定在第一外壳5与第二外壳6及第二外壳6与第三外壳7的交界处。外壳外表面间由螺旋套筒软管8连接。螺旋推进器9固定在可转动第二外壳上，螺旋推进器10固定在可转动第三外壳上。可转动外壳通过轮齿结构和第三外壳实现外张和内缩。内置电池及充电接口与第三外壳7插动连接，充电接口与舵机4，stm32f103zet6单片
机主控模块，mipi摄像头1，螺旋推进器9、螺旋推进器10及齿轮驱动装置通过导线连接。
54.航行灯14通过孔轴结构固定在第一外壳5上面，导线通过孔轴结构连接固定stm32f103zet6单片机主控模块。压力传感器12固定在第二外壳上面，将采集的数据通过内部导线连接至stm32f103zet6单片机主控模块中的adc转换电路部分，并经过主控模块16将采集到的数据通过pwm波形式输出，进而控制a4957驱动电机，实现对轮齿结构和的外张和伸缩以及对螺旋推进器9和10的弹出与收回。红外避险装置11通过孔轴结构固定在第一外壳5下面，导线与a4957驱动电机和主控模块相连，配合实现在危险时刻的紧急制动。
55.5db增益天线13由孔轴结构固定在第二外壳6上表面，通过导线与内部的nrf24l01无线模块相连接，将stm32f103zet6单片机主控模块经mipi摄像头1采集到的图像数据通过esp8266wifi模块17的传输更加稳定，大大减少了其数据传输时的掉包率。
56.工作原理：
57.当其处于陆地上时，压力传感器12检测到外界环境压力减小，此时切换为陆地模式。通过stm32f103zet6单片机主控模块发布控制指令，使stm32f103zet6单片机改变pwm波的占空比来实现舵机转动角度的控制(设置一个定时器中断就可以很好的控制其占空比)。舵机的转动带动万向轮产生向前的回转动力，实现了两个维度的前行。将mipi摄像头1采集到的实时画面通过stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块17的rx和tx引脚相连，进行图像数据的采集，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端，5db增益天线13的采用使其数据传输更加稳定可靠，在无障碍的情况下，通信直线距离可达到50米。
58.当其处于水中时，压力传感器感12检测到外界环境压力的增大，进而使stm32f103zet6单片机主控模块发布指令控制a4957驱动电机调节螺旋推进器9和螺旋推进10的扩张，为其在水下工作提供动力。通过nrf24l01无线模块和24将远程终端的遥控指令传输到仿生机器蛇，实现实时的前后左右上下6个维度的运动。照明模块通过光敏电阻20-1采集光电数据进行控制，通过内置的stm32f103zet6单片机主控模块的pa5引脚传输光照强度数据，通过内部的adc模数转换器对光照强度进行处理并设置光强阙值，控制pa9和pa12输出pwm波形，实现航行灯14的亮度控制。红外线避险装置11实时检测外界的环境，在控制指令传输不及时的情况下，与a4957驱动电机配合进行紧急制动，来保证仿生蛇机器人的正常运行。
59.具体实施例三：
60.基于仿生原理的水陆两栖探测机器蛇是由mipi摄像头1、万向轮2、防水板3、舵机4、第一外壳5、第二外壳6、第三外壳7、螺旋套筒软管8、螺旋推进器9、螺旋推进器10、红外线避险装置11、压力传感器12、5db增益天线13、航行灯14、电池组15、stm32f103zet6单片机主控模块、esp8266wifi模块17、a4957驱动电机、nrf24l01无线模块、照明模块、电机驱动模块、stm32主控模块、oled显示模块、nrf24l01无线模块等组成。基于仿生原理的水陆两栖探测机器蛇可以自动根据外界环境压力调整为陆地探测模式和水下探测模式。
61.陆地上前进时，舵机4的转动带动蛇关节的运动，搭配万向轮2从而提供蛇的前进动力，扭动前进更好地模仿了蛇的形态。舵机4的控制由stm32f103zet6单片机主控模块决定，改变pwm波的占空比可以实现对舵机转动角度的控制，通过不同角度的设定，以便于更接近于蛇的扭动。
62.水下探测时，螺旋推进器9与螺旋推进器10提供水下动力，很大程度地提高了工作效率。螺旋推进器的弹出与收回由a4957驱动电机来决定，根据外界环境压力的变化，stm32f103zet6单片机主控模块会发出不同的指令。
63.探测时，放置的mipi摄像头观察到的图像，会实时传输到远程终端。stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块的rx和tx引脚相连，并根据串口通信协议实现了图像的实时传输。5db增益天线接在wifi模块的天线接口，延长了通信距离。
64.以上所述仅是一种基于仿生的水陆两栖探测蛇的优选实施方式，一种基于仿生的水陆两栖探测蛇的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于仿生的水陆两栖探测蛇，其特征是：所述探测蛇包括：水下仿生蛇部分和远程遥控终端；所述水下仿生蛇部分包括mipi摄像头、万向轮、防水板、第一舵机、第二舵机、第一外壳、第二外壳、第三外壳、螺旋套筒软管、螺旋推进器、螺旋推进器、红外线避险装置、压力传感器、5db增益天线、航行灯、电池组、stm32f103zet6单片机主控模块、esp8266wifi模块、a4957驱动电机、nrf24l01无线模块、照明模块、电机驱动模块；远程遥控终端包括stm32主控模块、oled显示模块、nrf24l01无线模块。2.根据权利要求1所述的探测蛇，其特征是：mipi摄像头包括镜头和摄像机，镜头可根据任务及场所环境要求进行更换；stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块的rx和tx引脚相连，进行图像数据的采集，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端；5db增益天线与esp8266wifi模块的天线接口相连。3.根据权利要求2所述的探测蛇，其特征是：镜头与第一外壳的孔洞镶嵌连接，摄像机与第一外壳通过孔轴结构固定；stm32f103zet6单片机主控模块与外壳通过孔轴结构固定；舵机通过插动结构与第二外壳相连接；电池组通过孔轴结构插动连接；第一外壳与第二外壳、第二外壳与第三外壳通过铰链连接；外壳外表面间由螺旋套筒软管连接；第二外壳外表面装有一对螺旋推进器；螺旋推进器可收入第二外壳内部。4.根据权利要求3所述的探测蛇，其特征是：第三外壳外表面装有一对螺旋推进器，可收入第三外壳内部；第一舵机放置在第一外壳与第二外壳的交界处，第二舵机放置在第二外壳与第三外壳的交界处；万向轮包括第一万向轮和第二万向轮；第一万向轮装置放置于第一舵机的外部，第二万向轮放置在第二舵机的外部；stm32f103zet6单片机主控模块通过控制电机驱动模块的不同电路来驱动a4957驱动电机工作；红外线避险装置与stm32f103zet6单片机主控模块相连，并将采集到的数据实时处理，与电机驱动模块实时传输；压力传感器将外界的压力数据采集转送给stm32f103zet6单片机主控模块来控制螺旋推进器和螺旋推进器弹出。5.根据权利要求4所述的探测蛇，其特征是：照明模块包括光敏电阻电路和探照灯接口电路，光敏电阻通过stm32f103zet6单片机主控模块的pa5引脚传输光照强度数据，同时根据输出的pwm波形来控制航行灯的亮度；nrf24l01无线模块和nrf24l01无线模块选择了stm32f103zet6单片机主控模块的pb14和pb15作为spi通信协议中miso和misi数据线接口。6.根据权利要求5所述的探测蛇，其特征是：oled显示模块与stm32主控模块相连接，通过不同的编程设置，实现了对于测试传输数据丢包率的实时显示。7.根据权利要求6所述的探测蛇，其特征是：当其处于陆地上时，压力传感器检测到外界环境压力减小，此时切换为陆地模式；通过stm32f103zet6单片机主控模块发布控制指令，使stm32f103zet6单片机改变pwm波的占空比来实现舵机转动角度的控制，舵机的转动带动万向轮产生向前的回转动力，实现了两个维度的前行。8.根据权利要求7所述的探测蛇，其特征是：将mipi摄像头采集到的实时画面通过stm32f103zet6单片机主控模块的pa2和pa3引脚与esp8266wifi模块的rx和tx引脚相连，进行图像数据的采集，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端，5db增益天线的采用使其数据传输更加稳定可靠，在无障碍的情况下，通信直线距离可达到50米。
9.根据权利要求8所述的探测蛇，其特征是：当其处于水中时，压力传感器感检测到外界环境压力的增大，进而使stm32f103zet6单片机主控模块发布指令控制a4957驱动电机调节螺旋推进器和螺旋推进的扩张，为其在水下工作提供动力；通过nrf24l01无线模块和将远程终端的遥控指令传输到仿生机器蛇，实现实时的前后左右上下6个维度的运动。10.根据权利要求9所述的探测蛇，其特征是：照明模块通过光敏电阻采集光电数据进行控制，通过内置的stm32f103zet6单片机主控模块的pa5引脚传输光照强度数据，通过内部的adc模数转换器对光照强度进行处理并设置光强阙值，控制pa9和pa12输出pwm波形，实现航行灯的亮度控制；红外线避险装置实时检测外界的环境，在控制指令传输不及时的情况下，与a4957驱动电机配合进行紧急制动，来保证仿生蛇机器人的正常运行。

技术总结
本发明是一种基于仿生的水陆两栖探测蛇。本发明涉及水陆两栖探测蛇技术领域，本发明主要由STM32F103ZET6单片机主控原件、MIPI摄像头、ESP8266WIFI模块、万向轮、舵机等组成。本发明可以根据外界环境变化自动切换陆地模式或水中模式，当在陆地模式时，驱动电机在主控原件的驱动下，蛇关节之间舵机的转动带动万向轮产生向前的回转动力，实现了两个维度的前行。当在水中模式时，螺旋推进器自动弹出，可以快速实现多维度移动。摄像头探测水中实时图像，并根据串口通信协议将数据传输到远程遥控端。本发明基于仿生原理，在运动中模仿蛇的行动姿态，以便有更好的伪装性，可以实现多种环境进行侦查探测。行侦查探测。行侦查探测。


技术研发人员：王印超 叶长龙 徐嵩 史佳伟 何其峰 何俊杰 王欣昕 柴孝
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/6