可飛行機器人電氣系統設計

吳子騰 張浩 劉偉權 黃梓昊

六足飛行機器人的電氣系統是為滿足行走和飛行的需要而設計。包括信號及通信協議、處理單元、執行器、傳感器和其他外圍設備，按功能把將這些硬件集成為3個PCB。其它配電設備包括電池和調壓器。_book-mark52電子產品在開發過程中均進行模塊化，盡可能的對分線板、螺紋端子及電線連接進行組合，這可以很容易在不影響其他組件的情況下進行升級、更換及擴展單個硬件。

盡管對于無人機及多足機器人的研究很多，但是在一個機器人身上結合步行及飛行功能的研究較少。本論文的總體目標是設計并建立一個具有多軸飛行能力的六足飛行機器人。通過將飛行硬件直接嵌入具有三個關節（三個自由度）的腿部，以最小的復雜性提供全方位的行走能力。

通過結合單獨的多足或多翼無人機的設計思路，采用自上而下的方法，設計了兩種運動方式機器人的結合體。針對最小的尺寸和重量進行優化設計，將飛行硬件直接嵌入到擺動腿當中，這種結構將擺動腿同時作為螺旋槳，支撐腿作為飛行時的起落架，有效地減小機器人尺寸，使外形結構最小最優化。

1???? 主控系統

選擇ODROID-C1+作為單板機運行ROS和更高級別的處理單元。該模塊采用1.5GHz四核ARM Cortex-A5處理器，并安裝Ubuntu14.04操作系統以支持ROS。連接Wi-Fi適配器和Xbox無線接收器的O-DROID-C1+，_bookmark41為機器人提供近距離無線測試功能，如果需要進行遠距離飛行測試，則可以增加一個射頻接收器。外部設備連接設計為USB接口，方便后期連接其他計算機進行數據處理。

2???? 硬件接口系統

將所有的傳感器和執行器與Teensy3.2單片機連接，集成一個PCB。隔離板用于連接電線和分線板，可以_bookmark42通過一定數量的電路來管理所有信號，其中包括一個NXP PCA9547八通道I2C多路復用器，用于在四個紅外感器板和裝有慣性處理單元和高度計的Adafruit10-DOF分線板之間進行選擇處理。

由于四個紅外傳感器板相同，且與10-DOF板上的集成電路共享地址，采用多路技術可以避免I2C地址沖突。其他電路包括用于將單片機的全雙工串行硬件線路轉換為AX-12A伺服系統的半雙工串行線路，這是通過Philips74LVC2G125雙總線驅動器將單片機發送和接收引腳傳輸到伺服數據線來實現的。一個包含74LVC1G14單觸發逆變器的二極管用于確保單個單片機輸出引腳能夠接收及發送信號，使用逆變器確保兩條線路不能同時連通。伺服線與PCB上的Molex22-03-5035SPOX接頭連接。

插入了Teensy3.2單片機、Adafruit10-DOF分線板和Adafruit GPS分線板的硬件接口電路板，這里采用直接插拔的形式_bookmark43方便去除和更換。左邊的接頭接收來自I2C外圍設備的輸入信號，并向推力電機的ESC提供脈寬調節（PWM）信號。

使用Pololu VL53L0X紅外測距傳感器檢測機器人距離起飛時相對地面的距離，距離信息可以用于執行自主起飛和降落程序。該傳感器通過紅外激光進行測量，可以在1毫米分辨率下測量2米的距離。_bookmark48

3???? 紅外傳感系統

紅外傳感裝置_bookmark40PCB安裝在飛行推升電機下方，并由交流紅外探測器和發射器組成一個圓形陣列，通過檢測電機周圍反射回來的紅外光強度確定螺旋槳的方向，驗證螺旋槳是否折疊，從而判斷是否從飛行模式切換為步行模式。12對發射—探測器確保螺旋槳角度的精確性，如圖3.8所示，其中紅外組件半透明材料制成的零件支撐，_bookmark49紅外元件間隔安裝在靠近螺旋槳的一側，同時半透明材料允許下方電路板上八個RGB-LED的光透射進來。RGB-LED通過改變光線強度和顏色，傳達機器人的狀態。

三個集成電路其中兩個為TLC59116恒流LED驅動器，直接為紅外和RGB-LED供電。另一個為MAX11611模數轉換器（ADC），用于測量紅外反射光的強度。紅外探測器采用分壓器網絡布線，當檢測的紅外光增加時，則電壓增加。集成電路使用數字I2C協議進行通信，僅用四條線路控制整個PCB的電源、地面、時鐘和數據。由于四個紅外傳感器PCB都共享相同的I2C地址，所以使用一個I2C多路復用器來確保一次只連接一個PCB。

4???? 配電系統

電源分配PCB_bookmark52連接線上數值表示相關路徑上電壓的大小。機器人的電源由兩顆3S鋰電池提供，其容量和放電能力分別為6200mAh和40C，將兩顆電池串聯在一起，在6S的等效配置下能夠產生22.2V電壓。_bookmark53電池電壓正常時為22.2V（每顆3.7V），充滿電后為25.2V（每顆4.2V）。最大放電量為40C（248A），足夠提供40A的最大ESCs飛行。

_bookmark40引線接入額定50A的Molex38969接線盒。電壓通過PCB側邊的15A端子傳導至螺旋槳推升電機ESC。電池分別為3.3V/5V/12V的調節器提供輸入電壓，向其他電子設備產生的電壓軌。_bookmark54

3.3V和5V邏輯電平調節器直接焊接在PCB板的底部。不采用插拔式的設計主要是由于調節器在通電時插進去，會導致邏輯電平輸出的輸入電壓出現峰值，調節器的輸出電壓在維持3.3V之前躍升至22.2V，這個階躍電壓足以燒壞與其連接的電路，所以調節器采用焊接形式，通過瞬態電壓抑制二極管防止燒壞電路。

DROK電壓調節器為伺服電機提供12V的電壓。_bookmark58電壓是通過兩個Trossen Robotics6端口AX/MX電源樞紐傳輸到伺服系統，分別為_bookmark593.3V、5V和12V的調節器選擇2.6A、2.5A和8A的連續電流，使其能夠滿足每個與其連接的電路。每個調節器的輸入電源均來自電池，以防止層級斷電的情況。

為了實現以監控四條電壓軌的功耗，將四個TI INA219B功率監控器集成電路與并聯電阻相連接。該芯片包含一個測量分流電阻電壓的ADC，可以提供總線電壓、電流流量和功耗值。_bookmark55INA219B芯片包含一個內部可編程的增益放大器，最低單位為±40mV的增益電壓用于最低的分流電阻功耗。

將PCB、12V調節器和伺服樞紐固定在框架上，這樣可以將高壓組件與邏輯級處理器隔離。_bookmark61_bookmark62

5???? 結論

機器人電氣系統的設計方案及實現，考慮了機器人的工作特性，對機器人主控系統、硬件接口系統、傳感系統及配電系統進行詳細分析。考慮了機器人可折疊的特性，設置紅外傳感器以實現機器人的折疊識別。同時考慮到不同邏輯級工作所需電壓的不同，為機器人設計了配電系統。

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項目來源：2020年江蘇省大學生創新創業訓練計劃