基于陸空兩棲的分離式偵察機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

劉志春

摘要：在研究和分析了國(guó)內(nèi)外陸空兩棲機(jī)器人的基礎(chǔ)上，提出了可分離式陸空兩棲特殊環(huán)境偵察機(jī)器人的總體方案，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)關(guān)鍵部分，分別為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、探測(cè)車系統(tǒng)、車位系統(tǒng)和地面站操控系統(tǒng)。地面站操控系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的控制核心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互功能。詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程中采用過(guò)的設(shè)計(jì)方案，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，詳細(xì)介紹各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)。基于研制的作品，完成了未知環(huán)境探測(cè)、室外偵察、氣體檢測(cè)、自主巡檢等一系列功能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本作品行動(dòng)更加靈活，可同時(shí)完成陸空兩用的任務(wù)，具備了良好的偵察探測(cè)能力等功能。

關(guān)鍵詞：可分離；陸空兩棲；無(wú)線視頻傳輸

0 研究的背景及意義

目前的陸空兩棲機(jī)器人趨于一體化設(shè)計(jì)，可具體分為兩種：第一種是最初的四旋翼和自由輪結(jié)合的方式，由于機(jī)器人具有慣性，因此基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)馬上切換為停止?fàn)顟B(tài)。第二種就是目前常見(jiàn)的仿生型設(shè)計(jì)，在旋翼的底部加入多足驅(qū)動(dòng)，使之完成地面移動(dòng)，但是行動(dòng)速度極為緩慢，基本上無(wú)法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)，從而降低了效率。

國(guó)內(nèi)研究?jī)蓷珶o(wú)人偵察系統(tǒng)的有南京理工大學(xué)的飛行吸附兩棲機(jī)器人，其吸附裝置可以吸附在墻壁、天花板、廣告牌等光滑平面上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間棲息潛伏。而飛行系統(tǒng)可使其在空中自由飛行改變吸附位置。體積小、功耗小、飛行穩(wěn)定、操作靈活。能夠在飛行、吸附間自主切換。自重 1.5公斤左右，最大負(fù)載 1000 克，可吸附 200 分鐘。但缺點(diǎn)是吸附需要比較光滑平面，且吸附裝置載荷有限，吸附狀態(tài)下無(wú)法改變位置，使得其應(yīng)用的工作空間大大受到了限制。

1機(jī)器人總體方案

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)關(guān)鍵部分，分別無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、探測(cè)車系統(tǒng)、車位系統(tǒng)（用來(lái)存放車體）和地面站操控系統(tǒng)。本作品采用模塊化設(shè)計(jì)理念，地面站工作臺(tái)是整個(gè)設(shè)備的控制核心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互功能，通過(guò)控制機(jī)車的結(jié)合和分離，完成對(duì)不同目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)樣本信息采集和實(shí)時(shí)無(wú)線畫(huà)面?zhèn)鬏敗?/p>

1.1六軸飛行器

考慮到裝機(jī)的方便和較強(qiáng)的載重能力，因此選用了F550機(jī)架配備20A好樂(lè)盈電調(diào)、恒拓920KV值的無(wú)刷電機(jī)和1047碳纖維正反漿，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選用了一款具有自穩(wěn)功能的開(kāi)源飛控作為主控板。選用UBLOX-6 GPS模塊，內(nèi)置增益放大，搜星能力強(qiáng)，通過(guò)簡(jiǎn)單的串口通信解析$GPGGA語(yǔ)句指令來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS位置的獲取和后續(xù)的路徑規(guī)劃功能。選用樂(lè)迪AT9遙控器，通過(guò)MCU采集接收機(jī)的遙控信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的遠(yuǎn)距離遙控。對(duì)于航拍設(shè)備，選用5.8G圖傳收發(fā)模塊TS832和RC832搭配高清微型攝像頭經(jīng)視頻采集卡采集即可在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示圖像。

1.2 輕質(zhì)多功能探測(cè)車

為了使小車輕質(zhì)且適應(yīng)性強(qiáng)，選用履帶車輪并用鋁片來(lái)打造整個(gè)車體，選用兩個(gè)電機(jī)前后交叉式安置，從而保證了車體在動(dòng)力充足的前提下減輕了車身重量。選用STM32f103作為主控核心，豐富的增強(qiáng)型外設(shè)和IO端口，方便功能擴(kuò)展。在無(wú)線通信方面，選用了帶有功放元件的NRF24L01通信模塊。在圖像視頻回傳方面，選擇5.8G圖傳收發(fā)模塊TS832和RC832配備微型高清攝像頭，接收端選用AV視頻采集卡即可在電腦上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前畫(huà)面并且具備錄像功能。探測(cè)車搭載氣體傳感器MQ-2，MQ-9對(duì)多種可燃性氣體的濃度檢測(cè)報(bào)警。通過(guò)紅外及超聲波進(jìn)行簡(jiǎn)單的自主避障，使用角度傳感器，得到小車在構(gòu)建的坐標(biāo)系下的偏航角，在此基礎(chǔ)通過(guò)路徑記憶算法使得小車具有自主巡檢的功能。

1.3 智能門控制系統(tǒng)

在無(wú)人機(jī)頂部搭建了一個(gè)半封閉的空間作為探測(cè)車的運(yùn)輸平臺(tái)，該平臺(tái)選用輕質(zhì)鋁合金材料搭建，前端安裝兩條斜坡作為探測(cè)車的上下路徑。選用STM32F103作為控制核心，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與飛控之間的雙向通信，通過(guò)接收指令，控制安裝在前端的舵機(jī)轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)小車與機(jī)體的結(jié)合分離。

1.4 地面站人機(jī)交互

為了監(jiān)視遠(yuǎn)程的探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)并操作機(jī)器人完成復(fù)雜任務(wù)，設(shè)計(jì)了實(shí)體地面站并配合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。地面站由控制器、供電系統(tǒng)、顯示屏、視頻采集設(shè)備、外部輸入設(shè)備、無(wú)線數(shù)傳等主要模塊組成。通過(guò)顯示菜單可以清楚地設(shè)置當(dāng)前的工作模式，查看返回的目標(biāo)地點(diǎn)數(shù)據(jù)量，以第一人稱視角來(lái)查看作業(yè)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)圖像信息，分析采集回傳的數(shù)據(jù)樣本，完成任務(wù)分配。

2 功能概述與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)包括包括機(jī)車結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)和地面站控制系統(tǒng)兩大主體部分。機(jī)車結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)分為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、車位停放系統(tǒng)和探測(cè)車系統(tǒng)，其中，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括供電電源、飛控單元、無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速單元、GPS、攝像頭以及通信模塊，車位停放系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和通信模塊，探測(cè)車系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器采集與處理電路、照明燈模塊和報(bào)警裝置。地面站控制系統(tǒng)包括主控單元、供電電路、按鍵輸入檢測(cè)單元、報(bào)警處理電路、通信模塊、AD采集模塊以及顯示屏驅(qū)動(dòng)，并且可以通過(guò)視頻采集卡經(jīng)USB在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前畫(huà)面信息。

2.1電源供電設(shè)計(jì)（LM2596）

LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。為了增強(qiáng)模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌，脈沖群，靜電等），不至于在外界環(huán)境比較惡劣的情況下導(dǎo)致模塊供電異常，建議根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在外部電源輸入端加一些共模電感、TVS？管等器件。PCB布局時(shí)候，走線盡量寬、走線盡量短，最好大面積鋪地。

2.2傳感六軸角度傳感器（MPU6050）

MPU6050模塊是InvenSense公司推出的一款低成本的6軸傳感器模塊，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問(wèn)題，減少了大量的封裝空間。角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec ，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過(guò)最高至400kHz的IIC與控制器單元通信，并且功耗極低，3.3V下電流僅10mA。在本設(shè)計(jì)中搭配磁力計(jì)用于無(wú)人機(jī)的姿態(tài)檢測(cè)和探測(cè)車的路徑記憶功能。

3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）采用可分離式設(shè)計(jì)，使得其既能夠整體飛行，又能夠分開(kāi)各自執(zhí)行任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。

（2）通過(guò)高清攝像頭配備圖傳設(shè)備，將目標(biāo)場(chǎng)景信息實(shí)時(shí)傳輸給地面站工作臺(tái)，同時(shí)，工作人員也能夠通過(guò)顯示設(shè)備以第一人稱視角來(lái)操作和監(jiān)視。

（3）通過(guò)姿態(tài)傳感器的融合和電機(jī)速度的采集，構(gòu)建了路徑記憶算法，使得小車具備自主巡檢的功能，從而擴(kuò)大了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] Darma S.，Buessler J.L.，Hermann G.et al，Visual servoing quadrotor control in autonomous target search[M]：IEEE，2013：319-324.

[2] 馮準(zhǔn).嵌入式視覺(jué)導(dǎo)航智能小車系統(tǒng)[D]南京：東南大學(xué)，2008：15-45.

[3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：1-50