王嘉駿

（北京市中關(guān)村中學(xué)，北京，100086）

0 緒論

隨著機(jī)器人在人類生產(chǎn)生活中參與度的加深，人們對(duì)于機(jī)器人的性能和便捷性有了更大的需求，以前，不同種類的機(jī)器人之間幾乎是毫無關(guān)聯(lián)的，甚至可能連零件都無法共用，這大大降低了機(jī)器人的便捷性。在不斷研發(fā)中人們發(fā)現(xiàn)，各種各樣的機(jī)器人拆分后基本都是由控制器、執(zhí)行器和傳感器構(gòu)成，將各種不同的機(jī)構(gòu)重新整理并以統(tǒng)一規(guī)格的模塊出現(xiàn)在機(jī)器人身上的想法，也隨之而出。

模塊化的機(jī)器人更加便捷，但隨之而來的問題就是如何將不同的機(jī)構(gòu)整理成為擁有統(tǒng)一規(guī)格的模組，而這個(gè)問題所帶來的就是針對(duì)不同機(jī)構(gòu)中的新技術(shù)的突破。作為一塊多功能模塊化機(jī)器人平臺(tái)，需要解決多種模組之間的兼容性問題，這就需要對(duì)規(guī)格嚴(yán)格控制。

陸空兩棲需要兼顧陸地上的越障問題和空中的操控定位問題，并且作為一個(gè)平臺(tái)，需要有額外的空間來搭載不同的任務(wù)模組，平臺(tái)和模塊的重量問題便是亟待解決的。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，此設(shè)計(jì)在地面移動(dòng)時(shí)通過四旋翼的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力的方式存在很大缺陷，由于輪子均作為從動(dòng)輪通過機(jī)體的傾角產(chǎn)生移動(dòng)，因此在控制機(jī)器人在前進(jìn)、后退、左右移動(dòng)時(shí)極為不方便且速度不能控制，其次由于機(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。

因此，一款多功能、多用途、體積小和載重量大的新型兩棲旋翼機(jī)器人也相應(yīng)的成為國內(nèi)外軍方、科研以及其他團(tuán)隊(duì)研究的熱點(diǎn)，所以市場(chǎng)前景非常樂觀。

1 國外類似項(xiàng)目發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 大型載人或運(yùn)輸兩棲無人系統(tǒng)

美國“高級(jí)戰(zhàn)術(shù)”公司研制的無人飛行卡車“黑騎士變形金剛”,如圖1 所示，采用八旋翼布局，體型龐大，旋翼在地面行駛時(shí)收攏在車兩側(cè)，起飛時(shí)展開，旋翼收起時(shí)汽車全長約7.6m，寬約2.5m。展開時(shí)總長約9.5m，寬約5.8m。黑騎士變形金剛是一款無人駕駛設(shè)備，其類似于谷歌公司目前研發(fā)的無人車，功能極其強(qiáng)大，并且智能化程度很高，可自主執(zhí)行任務(wù)或遠(yuǎn)程遙控操作，未來可能用于戰(zhàn)地救護(hù)、物資運(yùn)輸?shù)扔猛尽５秉c(diǎn)就是體型龐大，工作領(lǐng)域有限。

圖1 美國“高級(jí)戰(zhàn)術(shù)”公司研制的無人飛行卡車“黑騎士變形金剛”

1.2 微小型無人兩棲機(jī)器人

南安普敦大學(xué)Super B 機(jī)器人比較著名，可以在普通路面上運(yùn)動(dòng)自如，又能隨時(shí)起飛以越過大型障礙物。機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較緊湊，由于車身使用了聚碳酸酯材料，使機(jī)器人在保持機(jī)體高強(qiáng)度、高韌性的條件下重量大大降低，而車輪使用了柔性塑料，使車輪在墜落受到?jīng)_擊時(shí)不致?lián)p壞。但缺點(diǎn)就是由于輪子均作為從動(dòng)輪通過機(jī)體的傾角產(chǎn)生移動(dòng)，因此在控制機(jī)器人在前進(jìn)、后退、左右移動(dòng)時(shí)極為不方便且速度不能控制；并且由于機(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)。續(xù)航能力較差，由于靠旋翼的動(dòng)力來克服地面滾動(dòng)的阻力，因此浪費(fèi)了大量的能量，在地面模式下可運(yùn)行27 分鐘，移動(dòng)2400 米的距離，而在飛行模式下則分別僅為5 分鐘和600 米，混合工作的話續(xù)航能力可能更低，對(duì)于一些較長時(shí)間的任務(wù)可能不能勝任，并且價(jià)格昂貴，不能大規(guī)模應(yīng)用于中小企業(yè)的生產(chǎn)生活中。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 概述

本平臺(tái)設(shè)計(jì)最初目的是提供一款擁有較大承載空間可裝載不同任務(wù)模塊的側(cè)重于空中飛行并以地面行動(dòng)為輔助的多功能平臺(tái)，其大致外觀如圖2 所示。其意義在于補(bǔ)充目前國際上和國內(nèi)只可完成單一任務(wù)模式的產(chǎn)品。而本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目的就是將不同的任務(wù)所需的功能進(jìn)行分解，交由若干個(gè)模塊完成，再將不同任務(wù)所需的若干模塊整合分類，達(dá)到在工作時(shí)根據(jù)任務(wù)功能需求挑選所需的模塊快速安裝在本平臺(tái)上，以達(dá)到節(jié)約任務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間、節(jié)省人力物力的效果。

圖2 陸空一體化多功能機(jī)器人平臺(tái)示意圖

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

本平臺(tái)是一款基于多功能模塊化的陸空兩棲平臺(tái)，可滿足市面上大多數(shù)對(duì)于此類平臺(tái)有需求的民用作業(yè)如：地形勘探、環(huán)境取樣、搶險(xiǎn)救災(zāi)等，而本平臺(tái)大小適中，在經(jīng)過簡單的降噪、物理涂裝隱形、控制加密等改裝處理后，可滿足大部分中低強(qiáng)度的軍用任務(wù)如：隱藏偵察、監(jiān)控目標(biāo)，在加裝特殊裝備模塊后還可進(jìn)行信息攔截等高價(jià)值任務(wù)。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1 概述

本平臺(tái)主體采用較輕的尼龍材料框架結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減輕重量的目的。整體外形為類長方體，帶有流線型的設(shè)計(jì)以減小飛行時(shí)的風(fēng)阻，達(dá)到節(jié)能并增加續(xù)航時(shí)間的目的，外殼中放置一塊用于地面掃描和任務(wù)路徑檢測(cè)的地面運(yùn)動(dòng)主板，使平臺(tái)具有在地面運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行簡單的自主避障功能，若在平臺(tái)上加裝的模塊化的道路紅外掃描器以及攝像頭，則可將實(shí)時(shí)的道路畫面?zhèn)骰乜刂破脚_(tái)，以更加精確地控制平臺(tái)的移動(dòng)。同時(shí)平臺(tái)還將內(nèi)置一塊簡單的飛行控制主板，使平臺(tái)可以進(jìn)行復(fù)雜地上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在面對(duì)通過地上運(yùn)動(dòng)無法到達(dá)的目的地時(shí)，可采取短距離、低高度的空中飛行，這種陸空結(jié)合的模式可滿足大部分任務(wù)情景的需求，可有效地提升平臺(tái)的應(yīng)用范圍[1][3]。

3.2 地面運(yùn)動(dòng)部分

地面行動(dòng)的動(dòng)力是由一臺(tái)小型的電機(jī)提供，通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力輸送到四個(gè)弓形的輪子上，輪子之間可以聯(lián)動(dòng)也可作為個(gè)體單獨(dú)運(yùn)動(dòng)以應(yīng)付諸多復(fù)雜地形。每個(gè)輪子都可裝自主懸掛系統(tǒng)使平臺(tái)的穩(wěn)定性增加，同時(shí)可提高任務(wù)完成質(zhì)量。采用弓形輪是因?yàn)檫@種輪子可在盡可能少的削減可以運(yùn)行的地形種類的情況下達(dá)以到最大的減重，并且還可為平臺(tái)在地面運(yùn)動(dòng)是提供相當(dāng)?shù)臏p震效果，這種輪子配合上單獨(dú)的懸掛系統(tǒng)可是平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定性提升到一個(gè)更高的層面。

3.3 空中運(yùn)動(dòng)部分

空中飛行的動(dòng)力是由在主體的四個(gè)頂角支出的可伸收由尼龍材料制成的平面連桿機(jī)構(gòu)上帶著的四個(gè)可分開控制的旋翼提供，旋翼由高分子的輕質(zhì)材料制成，這樣可以在保證旋翼強(qiáng)度的同時(shí)盡可能的減小平臺(tái)基本質(zhì)量，增加荷載。每個(gè)旋翼都有一臺(tái)單獨(dú)的小型電機(jī)，這樣不但可以減小控制部分設(shè)計(jì)的難度，還可增大平臺(tái)整體的升力，從而可以增大整個(gè)平臺(tái)的荷載。平臺(tái)在空中進(jìn)行任務(wù)時(shí)，可通過調(diào)節(jié)四個(gè)旋翼的旋轉(zhuǎn)速度來改變飛行方向、飛行速度、飛行高度，不同轉(zhuǎn)速使旋翼產(chǎn)生不同的提升力，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在空中的懸停、前進(jìn)、后退、向左、向右及偏航動(dòng)作，使平臺(tái)可滿足簡單飛行任務(wù)的要求，最大發(fā)揮本平臺(tái)的實(shí)用性。在此說明當(dāng)平臺(tái)在地面運(yùn)動(dòng)時(shí)四個(gè)帶有旋翼的平面連桿機(jī)構(gòu)會(huì)通過舵機(jī)的控制收回到主體內(nèi)，以達(dá)到減小平臺(tái)大小、防止旋翼刮蹭到外物的情況發(fā)生，并且在執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)可有效增加平臺(tái)的隱蔽性，其具體結(jié)構(gòu)如飛機(jī)起落架，見圖3。

圖3 機(jī)翼回收四連桿裝置原理示意圖

4 控制設(shè)計(jì)

4.1 概述

本平臺(tái)采用飛行控制和地面運(yùn)動(dòng)控制分開調(diào)試的機(jī)構(gòu)，其意在于減小故障率，增強(qiáng)平臺(tái)穩(wěn)定性和對(duì)復(fù)雜任務(wù)情景的適應(yīng)性。兩棲機(jī)器人平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要包括飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電源及動(dòng)力系統(tǒng)、遙控及無線通信模塊及其他任務(wù)設(shè)備。其中的導(dǎo)航系統(tǒng)可作為地形和任務(wù)路線收集器，以完成附加任務(wù)，而無線電通信模塊和遙控模塊相結(jié)合，可配合攝像頭等信息采集模塊，將數(shù)據(jù)畫面實(shí)時(shí)傳輸或存儲(chǔ)在平臺(tái)自帶的存儲(chǔ)盤中，以便人物結(jié)束后供研究人員參考。其中飛行控制模塊和地面運(yùn)動(dòng)控制模塊共用一塊單片機(jī)，并且空中和地面模式的轉(zhuǎn)換是與支出四臺(tái)旋翼共用同一個(gè)指令，在平面連桿機(jī)構(gòu)工作的同時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)相應(yīng)的進(jìn)行轉(zhuǎn)換[2]。

4.2 飛行運(yùn)動(dòng)控制

飛行運(yùn)動(dòng)控制主要由分布在四角通過連桿機(jī)構(gòu)連接的電機(jī)、飛行控制模塊和飛行控制傳感器構(gòu)成。飛行控制傳感器將數(shù)據(jù)采集后匯總輸入飛行控制面板，通過面板自帶的程序算法解算飛行數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)簡單分析進(jìn)行基本的飛行姿態(tài)調(diào)整，從而進(jìn)行簡單的避障功能，同時(shí)將解算后的信息通過信號(hào)傳輸回控制器，以便操縱人員對(duì)平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，從而最大的保證平臺(tái)的安全性，從而提高任務(wù)完成的質(zhì)量以及效率[4]。

4.3 地面運(yùn)動(dòng)控制

路上控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)四個(gè)弓形輪的電機(jī)、地面運(yùn)動(dòng)控制模塊和地面運(yùn)動(dòng)傳感器構(gòu)成，因?yàn)榈孛孢\(yùn)動(dòng)和空中運(yùn)動(dòng)有重疊的掃描部分，所以平臺(tái)搭載的用于自主活動(dòng)的傳感器可空地公用。平臺(tái)搭載的傳感器會(huì)在任務(wù)時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)掃描，并將數(shù)據(jù)輸入控制模塊中，由控制模塊進(jìn)行自主參數(shù)分析解算，并將分析所得結(jié)果分別傳回控制臺(tái)和平臺(tái)上的執(zhí)行器中，使得平臺(tái)可自主執(zhí)行一些簡單的地面避障運(yùn)動(dòng)，傳回控制臺(tái)的參數(shù)可實(shí)施反饋到外設(shè)計(jì)算機(jī)中，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)致地分析，從而獲得更多的信息。傳感器也可配合攝像頭模塊將實(shí)時(shí)拍攝畫面?zhèn)骰乜刂婆_(tái)，使得操縱者可以在第一時(shí)間了解任務(wù)進(jìn)行情況，并對(duì)其做出相應(yīng)的調(diào)整。由于考慮到面對(duì)不同的任務(wù)地形，可能會(huì)遇到因地面崎嶇不平而導(dǎo)致的輪子懸空或卡入異物導(dǎo)致短時(shí)間失去部分動(dòng)力的情況發(fā)生，平臺(tái)可根據(jù)安裝在四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的重力傳感器傳回的參數(shù)進(jìn)行分析，并解算出每個(gè)輪子所承受的平臺(tái)重量，并根據(jù)解算的數(shù)據(jù)調(diào)整每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，從而可以解決因地形原因所耽誤時(shí)間的問題還可以避免因輪子空轉(zhuǎn)所帶來的能源損耗。

5 設(shè)計(jì)總結(jié)

針對(duì)于目前國際上和國內(nèi)的傳統(tǒng)產(chǎn)品大多數(shù)都為單一任務(wù)模式，如：偵察、預(yù)警等，不可根據(jù)不同的任務(wù)情景做出相應(yīng)的調(diào)整，造成了一定程度上的資源浪費(fèi)。本平臺(tái)通過搭載任務(wù)模塊以及具備短距離空中飛行等功能，極大地豐富了可完成任務(wù)的范圍，同時(shí)也相對(duì)經(jīng)濟(jì)。飛行部分采用的可收回的平面連桿機(jī)構(gòu)作為旋翼的支架可有效降低平臺(tái)對(duì)任務(wù)空間的要求。采用尼龍材料作為平臺(tái)的主要用料既保證了平臺(tái)的堅(jiān)固性，又有效的降低了平臺(tái)自重，使得平臺(tái)在有限的動(dòng)力下提高了機(jī)動(dòng)性和有效最大載荷。地面運(yùn)動(dòng)采用的弓形輪子也在盡量滿足任務(wù)地形的情況下起到了減輕重量的效果，令平臺(tái)的功能增強(qiáng)。

6 回顧與展望

本平臺(tái)自開始設(shè)計(jì)歷經(jīng)四個(gè)月，期間經(jīng)過多次設(shè)計(jì)重點(diǎn)方向調(diào)整、改進(jìn)，使得這份設(shè)計(jì)得以完成。目前，本平臺(tái)還存在如何將任務(wù)模組整合安裝到平臺(tái)上、如何使安裝的任務(wù)模組與本平臺(tái)自身搭載的飛行動(dòng)力部分和地面動(dòng)力部分不產(chǎn)生沖突以及電等能源供應(yīng)等問題。并且平臺(tái)還未形成一套完整的模塊化體系，所以很多任務(wù)模組需要經(jīng)過相應(yīng)的改裝才能裝機(jī)，這就導(dǎo)致了因改裝而造成改裝前各部件功率的縮水，并且可能會(huì)帶來不兼容等問題，造成任務(wù)完成率下降。并且由于本設(shè)計(jì)為多功能平臺(tái)，所以需要考慮平臺(tái)容量的問題，避免因尺寸太小而導(dǎo)致部分模組裝不下，或者是空余面積太多而造成的效率降低。

最后，特別感謝導(dǎo)師趙國棟對(duì)本設(shè)計(jì)的悉心指導(dǎo)，以及設(shè)計(jì)說明編寫的改進(jìn)，令本設(shè)計(jì)能以成果的方式呈現(xiàn)。接下來作者會(huì)對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行樣機(jī)化，進(jìn)一步改進(jìn)完善設(shè)計(jì)內(nèi)容。