基于無人機的雪山垃圾回收系統的設計與驗證＊

范東漢，史昕怡，毛元賡，陳逸飛，高 堅

（中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310002）

本項目的核心任務在于實現對該自動拾取投放裝置的設計、測試與驗證。實現了對目標物的自動識別抓取，通過無人機飛躍障礙物抵達投放區域，機械臂接收投放指令，將所攜帶的目標物放置到投放區域[1]。

1 模型直升機的選擇

機型為ALⅠGN-700-X電動模型直升機。動力搭配的具體情況如下：電池為格氏12S 50.4 V 5 500 mAh，馬達為850MX電機、490KV值，電調為好盈鉑金200 A電調。

升力配比的具體情況如表1所示。

表1 升力配比

模型直升機的動力計算公式：主旋翼轉速=電壓×KV值÷齒數比×損耗×油門量。

所選用模型直升機的基本參數具體情況如表2所示。

表2 所選用模型直升機的基本參數

根據大槳轉速以及直升機搭配機械臂時因系統質量上升的扭矩，最終選用4.43齒數比。

2 機載平臺機械結構設計

2.1 類直升機式腳架結構設計

機械臂腳架參考直升機以及常用科研多旋翼的設計，選用矩形框架式地面接觸結構，矩形易變形特性的接觸折點用碳纖維板加固。機載平臺三維設計圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

圖1 機載平臺三維設計圖

圖2 實物圖

2.2 抓取投放裝置設計

機械臂運行方式的設計采用角度-距離極坐標運行方式，機械臂的伸縮利用氣動單行程伸縮裝置，機械爪的張合控制通過利用舵機與球頭連桿結合實現，抓取則通過回退型氣動伸縮機械爪來實現。

根據正六面體和球體來模仿垃圾進行爪條抓取弧形以及點位的設計與改進，并通過實物制作來測試所設計的爪條抓取效果。部分改進機械爪條的圖紙如圖3所示。

圖3 部分改進機械爪條的圖紙

2.3 直線運動模塊設計

直線運動模塊初步結構實物展示如圖4所示。

圖4 直線運動模塊的初步結構

2.4 氣動抓取裝置設計

搭配氣動的大推力伸縮機構，設計了相應的彈性回退型機械爪，該系統可在垃圾密集分布時無視周邊垃圾的卡位進行無障礙抓取。機械爪的三維設計圖如圖5所示，機械爪的實物圖如圖6所示。

圖5 機械爪的三維設計圖

圖6 機械爪的實物圖

3 圖像處理方案

采用單攝像頭方案，圖像去畸變處理結果如圖7所示。

圖7 畸變處理前后對比圖像

4 無線圖傳模塊

圖傳型號為PRO-SⅠGHT高清數字圖傳。選取該型號的具體原因：①數字圖傳采用加密傳輸方式，抗干擾能力較強；②圖像傳輸質量高，分辨率達到720P；③該型號圖傳傳輸穩定且圖像延遲低于0.02 s。

5 閉環式檢測反饋設計

閉環檢測反饋過程如圖8所示。直角坐標系-極坐標系的轉化程序處理如圖9所示。

圖8 閉環反饋檢測

圖9 程序處理

在顏色識別方面，將顏色分選表中的灰度值兩兩相減，取絕對值，選出最小值，將最小值除以2作為誤差標準。在圖像預處理結束后將閾值作為分辨物體和背景的標準。然后將絕對值與誤差標準相比較，如果滿足絕對值小于誤差標準，則這個物體的顏色就是該絕對值所對應的顏色[2]。標準灰度值如圖10所示。

圖10 標準灰度值

6 無人機驗證

設置障礙物以模擬雪山復雜地形，無人機飛行至目標所在區對目標物進行識別與抓取，待抓取成功后無人機跨越障礙物返回至目標回收區，即完成測試。整體結構展示與外場測試如圖11所示。

圖11 整體結構展示與外場測試

無人機攜帶機載平臺飛行約670架次，單次飛躍障礙物平均用時9 s，單次降落平均用時4 s，單次抓取/投放平均用時4 s，抓取投放成功率在90%以上，圖像識別失誤率為1.67%。

實驗結果表明，這種基于機器視覺的無人機雪山垃圾回收系統，降低了人工作業的強度和危險性，在保護環境的同時保障了清潔人員的人身安全。本項目既能帶來社會效益又能帶來經濟效益[3]，可應用于雪山垃圾回收的領域。