王雄,田佳樂

（榆林學院，陜西榆林 719000）

1 引言

輪式機器人運動速度快，但在坑洼等難以行駛的環(huán)境中受到很大的限制。多旋翼無人機可垂直起降，適應空域環(huán)境，但其載重下的續(xù)航時間成為發(fā)展瓶頸。國內(nèi)外研究者將輪式機器人與多旋翼無人機結(jié)合，研制兼具輪式運動和飛行行駛功能的輪翼復合機器人。

2009 年美國Terrafugia 公司研制了陸空兩用變形車Terrafugia Transition[1]，可在高速公路上行駛，又能在天空中飛行，但其缺點是飛行時需要足夠的展開空間和起降距離。2017 年2 月俄羅斯Hoversurf 公司設計制造了Scorpion-3，Scorpion-3是一款消費級四旋翼飛行摩托，它的承載重量300kg，最高速度70km/h，缺點就是槳葉直接暴露在空氣中，安全問題有待提升。2017年3月Airbus公司發(fā)布了智能概念車Pop．Up[2]，由膠囊狀座艙、帶輪底盤、無人機三部分組成。地面行駛轉(zhuǎn)為飛行時，四螺旋槳無人機飛來與客艙接合，帶著客艙脫離底座起飛，因此其只是輪式結(jié)構(gòu)和飛行結(jié)構(gòu)的簡單機械組合，整體重量較大且運動模式轉(zhuǎn)換復雜。

針對上述問題，本文將車輪和旋翼結(jié)合，設計輪翼復合輪。以旋翼復合輪為基礎設計可垂直升降，地面輪式運動和空域飛行行駛轉(zhuǎn)換方便的輪翼復合機器人。該機器人能夠適應更為復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，解決了目前存在的升降方式、復合方式和安全性等方面存在的問題。

2 機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 輪翼復合輪設計

如圖1所示，將旋翼安裝于車輪內(nèi)，形成輪翼復合輪。直流減速電機通過MXL同步帶傳輸動力，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，完成輪式運動。車輪中部安裝有軸，通過61800ZZ/P5軸承連接，減小車輪與軸之間的摩擦。軸上安裝有旋翼，無刷直流電機通過軸帶動旋翼轉(zhuǎn)動，完成飛行行駛。車輪周邊留有麥卡納姆輪小麥輪接口，增強了機器人地面運動的靈活性。

圖1 輪翼復合輪

2.2 模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)設計

模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)由舵機驅(qū)動，通過改變機器人姿態(tài)完成模式轉(zhuǎn)換。其主要部件包括舵機固定件、舵盤、U 形件、連接臂、電機固定件、軸連接件和軸等。模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)整體裝配圖如圖2所示。

圖2 模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)

舵機固定件如圖3(a)所示，用于連接舵機。舵盤如圖3(b)所示，使舵機和U形件配合更加緊密。U形件如圖3(c)所示，用于舵機和連接臂的連接。連接臂如圖3(d)所示，用于固定減速電機和軸。減速電機固定件如圖3(e)所示，把減速電機固定在連接臂上。軸連接件如圖3(f)所示，把軸固定在連接臂上。軸如圖3(g)所示，一端與軸連接件相連，使之固定在連接臂上，另一端作為無刷電機底座，固定無刷電機。

圖3 模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)部件圖

2.3 整體設計

底板如圖4所示，既用于固定模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)，又用于放置控制系統(tǒng)其它部件。如圖5所示，將輪翼復合輪與模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)通過底板進行組合設計，形成輪翼復合機器人機械主體。模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)由2 個大扭矩舵機驅(qū)動，2 個模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)上分別安裝有2個用于輪式運動驅(qū)動的直流減速電機和2個用于飛行行駛驅(qū)動的無刷直流電機。

圖4 底板

圖5 機械主體

3 控制系統(tǒng)設計

如圖6所示，控制系統(tǒng)以控制器為核心，分為輪式運動模塊、飛行行駛模塊、模式轉(zhuǎn)換模塊和傳感器模塊。控制器由Arduino Mega 2560和APM飛行控制器組成，輪式運動模塊和模式轉(zhuǎn)換模塊由主控制器直接進行控制。主控制器對飛行控制器發(fā)送指令，飛行控制器采集傳感器模塊數(shù)據(jù)信息，并對飛行行駛模塊進行控制。傳感器模塊中的陀螺儀、氣壓計、超聲波模塊檢測的數(shù)據(jù)用于調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)，霍爾傳感器用來檢測輪式運動時復合輪的轉(zhuǎn)速。

圖6 控制系統(tǒng)

4 驅(qū)動系統(tǒng)設計

加工組裝后的機器人整體重量約為2kg，其中底板為1kg，每個復合輪及其模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)為0．25kg。輪式運動狀態(tài)和飛行形式狀態(tài)分別如圖7、8所示，其主視結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖9、10所示。

圖7 輪式運動模式

圖8 飛行形式模式

圖9 輪式運動主視結(jié)構(gòu)簡圖

圖10 飛行行駛主視結(jié)構(gòu)簡圖

4.1 輪式運動模式驅(qū)動電機

輪式運動時，采用靜摩擦力計算復合輪行駛所需要的轉(zhuǎn)矩M1，近似認為靜摩擦力約為滑動摩擦力，摩擦因數(shù)按照橡膠輪胎與瀝青路面(干燥)計算，滑動摩擦因數(shù)μ1約為0．9。共有4 個復合輪，則每個復合輪所需轉(zhuǎn)矩mg×r，其中f1指滑動摩擦力。r指車輪半徑，約為0．086m。代入數(shù)據(jù)得M1=0．38N m，故復合輪行駛的電機扭矩須大于0．38N m。選用時還要考慮電機體積盡量小，以便減輕機器人重量。經(jīng)過對比分析，選擇帶霍爾編碼器的GM12-N20 A06型直流減速電機。編碼器電壓為5V，霍爾響應頻率為100KHz，基礎脈沖數(shù)為7ppr。減速比選用1：110。由電機銘牌數(shù)據(jù)可知6V電壓時，電機轉(zhuǎn)矩為0．85kg cm，即0．85N m，滿足需求。

4.2 模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)驅(qū)動電機

圖11 為機器人飛行行駛模式轉(zhuǎn)換為輪式運動模式時，復合輪接觸地面瞬間的示意簡圖。圖中給出了機器人的實際尺寸和角度。

圖11 模式轉(zhuǎn)換

從復合輪接觸地面瞬間開始到模式轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，必然存在最大轉(zhuǎn)矩，由此可估算舵機所需的最小轉(zhuǎn)矩。

以右側(cè)復合輪為對象進行受力分析，如圖12 所示。選取模式轉(zhuǎn)換舵機為坐標原點建立坐標系，其中LOA=70mm，LAB=86mm，LOB=110mm，α為N 和地面的夾角，C 點為復合輪總體的質(zhì)心，lOC=50mm。

圖12 右輪受力圖

右側(cè)復合輪受到三個力，形成三個轉(zhuǎn)矩。其中支撐力N按照機器人總體重量的一半計算，即，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用MN表示MN=N×lOB×cos(50°-α)=1．08cos(50°-α)，模式切換過程中復合輪與地面橫向摩擦力為f2，摩擦系數(shù)選取μ1，則f2=N μ1=8．82N，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用Mf表示Mf=f2×lOB×sin(50°-α)=0．98sin(50°-α)，兩個復合輪及其附屬轉(zhuǎn)換機構(gòu)自身產(chǎn)生的重力以0．5kg計算，則重力G=0．5g=4．9N，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用MG表示MG=G×lOC×cos α=0．25cos α，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，則總力矩M2為M2=MN+Mf-MG，化簡可得M2=0．2sin α+1．19cos α=1．2sin(α+80)，可求得最大值M2max=1．2N m，因此需要選擇扭矩大于1．2N m 的舵機。但在實際應用中，因零件間存在摩擦，且地面凹凸不平時舵機受力不均，在選擇舵機時，扭矩的余量盡可能大一些。經(jīng)過對比分析，最終選用SPT5425LV 35kg舵機，該舵機在6V電壓時的轉(zhuǎn)矩為35kg cm，即3．43N m，滿足要求。

4.3 飛行行駛模式驅(qū)動電機

一般情況下，四旋翼的起飛升力不超過最大升力的40%，機器人重量為2kg，所以每個電機的升力F3為選擇致盈動力RCINPOWER GTS V2 2306 2750kV馬達，搭配GF5×4×3槳葉。由相關數(shù)據(jù)可知，GTS V2 23062750kV 馬達搭配GF5×4×3 槳葉在16V電壓100%油門下，電流為38．7A，升力為14．37N，滿足需求。

5 電路設計

電路用于控制器與各個模塊之間的線路連接。超聲波模塊、氣壓計、陀螺儀不是本文討論的重點，因此不進行電路設計。電子調(diào)速器采用成熟模塊，因此其電路連接也不進行闡述。

5.1 供電設計

為了減少電路能量的損耗和提高電池的效率，采用7．4V和14．8V雙電源供電。7．4V電源給控制器供電，同時通過穩(wěn)壓電路輸出6V電壓給輪式運動模塊和模式轉(zhuǎn)換模塊供電。14．8V電壓給飛行行駛模塊供電。如圖13所示，采用LM2596作為主芯片來搭建外部電路實現(xiàn)6V電壓輸出。

圖13 穩(wěn)壓電路

5.2 輪式運動控制電路

輪式運動行駛動力由減速電機提供，轉(zhuǎn)速由霍爾傳感器測得，因此輪式運動控制電路分為電機驅(qū)動電路和測速電路。

(1)電機驅(qū)動電路

本文采用LV8548MC芯片設計電機驅(qū)動電路。LV8548MC為小型化的驅(qū)動器，除了引腳封裝的旁路電容外，不需要其它外部組件。一個芯片驅(qū)動兩個電機，驅(qū)動電路如圖14所示。

圖14 電機驅(qū)動電路

(2)測速電路

本文采用的直流減速電機自帶霍爾傳感器，因減速電機已經(jīng)集成了霍爾傳感器且給出連接端口，所以只需考慮與控制器的接線即可，霍爾傳感器電路接線如圖15所示。

圖15 霍爾傳感器測速電路

5.3 模式轉(zhuǎn)換電路

機器人模式轉(zhuǎn)換依靠舵機角度變化實現(xiàn)。舵機控制電路圖如圖16所示。

圖16 舵機控制電路圖

5.4 飛行控制電路

接收機與主控制器，APM 飛行主控器與主控制器的接口如圖17和圖18所示。其中接收機用于接收操作手柄指令。

圖17 接收機與主控制器接口

圖18 APM飛行主控器與主控制器接口

6 實驗驗證

6.1 輪式運動

輪式運動時，霍爾元件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率后計算出電機轉(zhuǎn)速，進而通過減速比和復合輪半徑算出復合輪的轉(zhuǎn)速和線速度，再通過PWM 信號控制電機輸入而達到精確控制每個復合輪的轉(zhuǎn)速。實驗表明，機器人在輪式運動模式時，前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止均可順利完成[3-4]。

6.2 模式轉(zhuǎn)換

調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，通過控制兩個舵機的旋轉(zhuǎn)角度使機器人在兩種運動模式間轉(zhuǎn)換。

6.3 飛行行駛

主控制器通過接收機接收到控制信號，將指令發(fā)送給APM 飛行控制器。飛行控制器接收到指令后，讀取陀螺儀和加速度計的數(shù)值，得到飛行器初步姿態(tài)，即三個歐拉角。因相關數(shù)值包含了振動噪聲和累計誤差，用卡爾曼濾波器進行濾波融合，消除噪聲和誤差后將歐拉角轉(zhuǎn)換成偏移量，結(jié)合控制信號對飛行模式進行PID控制，將PWM信號輸出到各個電子調(diào)速器，控制電機轉(zhuǎn)速進而控制飛行狀態(tài)。實驗表明，機器人在飛行模式時可在空中完成懸停、前進、后退等動作[5]。

7 結(jié)束語

本文主要完成了以下工作?；谳喴韽秃陷喭瓿闪藱C器人機械結(jié)構(gòu)設計，通過電機選型和電路設計完成了機器人整體設計，該機器人具有輪式運動和飛行行駛兩種運動模式，并可通過模式轉(zhuǎn)換機構(gòu)在兩種運動模式間自由切換，因續(xù)航時間等原因，輪翼復合機器人在一般環(huán)境下采用輪式運動。在較為復雜或者較為擁堵的環(huán)境中由輪式運動模式轉(zhuǎn)換為飛行行駛模式，空域作業(yè)。本文還有許多不足之處，待后續(xù)工作再行改進。