劉志春

摘要：在研究和分析了國內(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，分別為無人機(jī)系統(tǒng)、探測車系統(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)過程中采用過的設(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)?；谘兄频淖髌?，完成了未知環(huán)境探測、室外偵察、氣體檢測、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能力等功能。

關(guān)鍵詞：可分離；陸空兩棲；無線視頻傳輸

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。

國內(nèi)研究兩棲無人偵察系統(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，分別無人機(jī)系統(tǒng)、探測車系統(tǒng)、車位系統(tǒng)（用來存放車體）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，通過控制機(jī)車的結(jié)合和分離，完成對不同目標(biāo)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)樣本信息采集和實(shí)時(shí)無線畫面?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好樂盈電調(diào)、恒拓920KV值的無刷電機(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)，通過簡單的串口通信解析$GPGGA語句指令來實(shí)現(xiàn)GPS位置的獲取和后續(xù)的路徑規(guī)劃功能。選用樂迪AT9遙控器，通過MCU采集接收機(jī)的遙控信號來實(shí)現(xiàn)對飛行器的遠(yuǎn)距離遙控。對于航拍設(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)前畫面并且具備錄像功能。探測車搭載氣體傳感器MQ-2，MQ-9對多種可燃性氣體的濃度檢測報(bào)警。通過紅外及超聲波進(jìn)行簡單的自主避障，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)

在無人機(jī)頂部搭建了一個(gè)半封閉的空間作為探測車的運(yùn)輸平臺，該平臺選用輕質(zhì)鋁合金材料搭建，前端安裝兩條斜坡作為探測車的上下路徑。選用STM32F103作為控制核心，通過串口實(shí)現(xiàn)與飛控之間的雙向通信，通過接收指令，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)程的探測現(xiàn)場并操作機(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、無線數(shù)傳等主要模塊組成。通過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，以第一人稱視角來查看作業(yè)環(huán)境的現(xiàn)場圖像信息，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)平臺分為無人機(jī)系統(tǒng)、車位停放系統(tǒng)和探測車系統(tǒng)，其中，無人機(jī)系統(tǒng)包括供電電源、飛控單元、無刷電機(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)，并且可以通過視頻采集卡經(jīng)USB在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前畫面信息。

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)間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。角速度全格感測范圍為±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范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至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)用于無人機(jī)的姿態(tài)檢測和探測車的路徑記憶功能。

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，又能夠分開各自執(zhí)行任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了更大的靈活性。

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

（3）通過姿態(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。

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