楊 川，牟琪琦，陳柯蓉，余樹林，鄭皓文

(重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)，重慶 402760)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)航天、航空事業(yè)迎來(lái)了迅猛發(fā)展的新時(shí)期。為培養(yǎng)航天和計(jì)算機(jī)智能控制領(lǐng)域的高端人才，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，多旋翼多功能飛行機(jī)器人的研發(fā)成為研究熱點(diǎn)。同時(shí)，飛行機(jī)器人的工作環(huán)境已經(jīng)從固定的工作環(huán)境發(fā)展為自主和非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境，但目前涉及航空航天領(lǐng)域的多功能飛行器僅有飛行、定位、拍攝等功能。此外，多數(shù)以單槳和四旋翼飛行器為主，此類飛行器往往無(wú)法勝任復(fù)雜嚴(yán)峻的環(huán)境要求。本文設(shè)計(jì)的六旋翼飛行機(jī)器人可以克服此類困難，并應(yīng)用到各類復(fù)雜多變的環(huán)境中。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用HT32F52352單片機(jī)作為主控制器，能實(shí)現(xiàn)飛行、翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)避障前行、三維抓取、勘測(cè)等運(yùn)動(dòng)。工作流程是六旋翼機(jī)器人接通電源后，程序自動(dòng)初始化進(jìn)入自動(dòng)模式，不需要做任何操作，處于自動(dòng)飛行和避障模式，當(dāng)操作人員用上位機(jī)軟件或無(wú)線遙控器控制時(shí)，切換到受控模式。普通環(huán)境和簡(jiǎn)單動(dòng)作依靠自動(dòng)模式即可完成，但各種復(fù)雜環(huán)境、動(dòng)作組的實(shí)現(xiàn)需要在受控模式下進(jìn)行。六旋翼機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括小型涵道推進(jìn)器、傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分和電源模塊等部分(見圖1)。

圖1 六旋翼機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1)小型涵道推進(jìn)器：通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)機(jī)身上下方氣流產(chǎn)生壓強(qiáng)差，使六旋翼機(jī)器人的身體在壓強(qiáng)差的推動(dòng)下緩緩升起，從而實(shí)現(xiàn)飛行的功能。

2)傳感器部分：負(fù)責(zé)感知外部的環(huán)境信息和實(shí)現(xiàn)勘測(cè)功能，為六旋翼飛行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)及相關(guān)任務(wù)實(shí)施提供所需要的信息。包括陀螺儀、壓力傳感器、超聲波傳感器、攝像頭等子模塊。

3)控制器部分：包含上位機(jī)控制和機(jī)器人機(jī)身的主控制器，主控制器選擇HT32F52352單片機(jī)作為控制核心，接收到命令和傳感器采集數(shù)據(jù)后，在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，提取有關(guān)信息，通過(guò)軌跡的規(guī)劃算法得到執(zhí)行動(dòng)作組信息，再傳遞給相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，控制六旋翼機(jī)器人完成各種指定任務(wù)。

4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：負(fù)責(zé)執(zhí)行動(dòng)作組的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)六旋翼機(jī)器人各種形態(tài)的運(yùn)動(dòng)變化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是機(jī)身的3個(gè)關(guān)節(jié)處的8個(gè)舵機(jī)。

5)電源部分：包括電池和穩(wěn)壓模塊，向各個(gè)模塊提供電源。由于6個(gè)小型涵道推進(jìn)器是整個(gè)飛行器飛行的動(dòng)力來(lái)源，功率較大，每個(gè)小型涵道推進(jìn)器各使用1個(gè)電源穩(wěn)壓模塊；機(jī)身3個(gè)關(guān)節(jié)處的8個(gè)舵機(jī)共用1個(gè)電源穩(wěn)壓模塊；為了減少干擾，傳感器部分和控制部分單獨(dú)用1個(gè)電源穩(wěn)壓模塊。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)可分為二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)。本文采用的是三維結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，雖然會(huì)導(dǎo)致六旋翼機(jī)器人的靈活性大大降低，但卻可以適應(yīng)不斷變化的風(fēng)速，同時(shí)保證增加飛行高度后能夠保持更強(qiáng)的穩(wěn)定性，使六旋翼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)得到充分體現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)，每一節(jié)關(guān)節(jié)處安裝2個(gè)涵道和2個(gè)舵機(jī)，相鄰的關(guān)節(jié)結(jié)點(diǎn)再用1個(gè)舵機(jī)連接，3個(gè)關(guān)節(jié)總共需要6個(gè)小型涵道推進(jìn)器(含各自的電調(diào)模塊)、8個(gè)舵機(jī)。

六旋翼機(jī)器人的頭部安裝一個(gè)可360°旋轉(zhuǎn)的小功率舵機(jī)，以增加頭部的自由度，頭部在勘探過(guò)程可實(shí)現(xiàn)多角度的數(shù)據(jù)采集。

2.2 舵機(jī)選取

六旋翼機(jī)身主體部分的動(dòng)作動(dòng)力源為舵機(jī)，由于整個(gè)機(jī)身較重，在飛行過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要的力矩較大，故舵機(jī)選取SH10-F型舵機(jī)。此舵機(jī)長(zhǎng)40.8 cm、寬38 cm、高19.8 cm；堵轉(zhuǎn)力矩為15.25 kg/cm，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為10.51 kg/cm，工作電壓DC 5～9 V。主要由金屬外殼、板、發(fā)動(dòng)機(jī)、錐齒輪、PSD(位置敏感器件)構(gòu)成。基本滿足本設(shè)計(jì)要求。

該舵機(jī)極限角度為15°～-215°，即為200°，能夠?qū)崿F(xiàn)六旋翼的整體翻轉(zhuǎn)功能。舵機(jī)的控制通過(guò)輸入特定PPM脈沖信號(hào)來(lái)控制所轉(zhuǎn)角度。

2.3 推進(jìn)器選取

為了使六旋翼機(jī)器人可以在空中飛行，采用小型涵道推進(jìn)器作為飛行動(dòng)力來(lái)源，小型涵道推進(jìn)器具有直接起降、可懸停、低噪音、升力大等特點(diǎn)。由于六旋翼整體重量不能過(guò)高，小型涵道推進(jìn)器只能按照1.5倍功率余量選擇，一旦出現(xiàn)飛行不穩(wěn)、不平衡現(xiàn)象，很容易出現(xiàn)小型涵道推進(jìn)器燒毀現(xiàn)象。為了方便維修，將小型涵道推進(jìn)器的連接裝置與六旋翼的軀體部分分開設(shè)計(jì)，即在軀體下加裝可拆卸的小直徑從動(dòng)輪與小型涵道推進(jìn)器。

2.4 運(yùn)動(dòng)自由度研究

通過(guò)研究，各個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)自由度對(duì)六旋翼機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行效果具有重要意義。故本項(xiàng)目最終采取的是模塊化設(shè)計(jì)方案。每個(gè)模塊的單獨(dú)組成可以大大降低維修難度，可隨時(shí)進(jìn)行模塊替換。若測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力不足可立即更換高功率涵道推進(jìn)器，發(fā)現(xiàn)飛行失衡可立即更換稍小功率涵道推進(jìn)器(選擇功率越大的涵道推進(jìn)器，重量也越大)。多個(gè)模塊具備拆裝靈活性，可以通過(guò)不斷更換參數(shù)和位置找尋最合適的啟動(dòng)力矩與質(zhì)量的比例，通過(guò)3個(gè)關(guān)節(jié)選擇不同的連接點(diǎn)和左右配重，可以克服運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

3 控制算法和核心程序設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制主要利用LabVIE實(shí)現(xiàn)，采用圖形化編程，此方案具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。①LabVIE可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，保證六旋翼機(jī)器人的飛行狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)在上位機(jī)上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，提高控制效率和安全性。②通過(guò)LabVIE軟件將上位機(jī)程序變成簡(jiǎn)單的圖形，使程序簡(jiǎn)單化、易上手、擴(kuò)展空間大。③利用LabVIE軟件中的函數(shù)庫(kù)，將六旋翼機(jī)器人各個(gè)小型涵道推進(jìn)器(含各自的電調(diào)模塊)和舵機(jī)的使能、啟動(dòng)、模式切換等復(fù)雜控制程序簡(jiǎn)化為調(diào)用函數(shù)庫(kù)的方法，從而降低程序指令在運(yùn)行過(guò)程中的跑偏與卡死，增加程序的流暢性、快速性。

3.2 主控制器程序設(shè)計(jì)

主控制器的程序主要對(duì)六旋翼機(jī)器人具體的運(yùn)動(dòng)方向、軌跡和執(zhí)行動(dòng)作等進(jìn)行控制。

3.2.1 六路PWM程序設(shè)計(jì)

6路PWM主要用于控制6個(gè)小型涵道推進(jìn)器的功率大小，從而保證六旋翼機(jī)器的起飛、降落、懸停，通過(guò)PID算法改變6路PWM的占空比可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的平衡。6路PWM的輸出使用軟件模擬法完成，可大大降低程序復(fù)雜程度，同時(shí)確保6路PWM頻率的一致性。選用單片機(jī)定時(shí)器模塊中定時(shí)器0作為時(shí)間產(chǎn)生模塊，通過(guò)中斷系統(tǒng)改變脈沖的周期與占空比，實(shí)現(xiàn)矩形波的占空比可調(diào)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，小型涵道推進(jìn)器的有效控制占空比為5.5%～17%，超過(guò)17%小型涵道推進(jìn)器將直接失控，低于5.5%小型涵道推進(jìn)器將無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.2.2 軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)

軌跡的規(guī)劃是主控制系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)內(nèi)容之一。最佳的軌跡規(guī)劃可以提高六旋翼機(jī)器人的穩(wěn)定性和工作效率，降低六旋翼機(jī)器人的耗電。通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試得到的六旋翼機(jī)器人上升姿態(tài)與速度的分析，若將六旋翼機(jī)器人分為日常軌跡模式與復(fù)雜軌跡測(cè)算分析模式，難以區(qū)分特異性和異常位置。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，本文采用在時(shí)間上優(yōu)化作業(yè)的空間軌跡規(guī)劃方案(即DELTA軌跡方案)，并在實(shí)際測(cè)試中不斷改良，最大限度地加快作業(yè)時(shí)間。六旋翼機(jī)器人的空間軌跡規(guī)劃數(shù)學(xué)理論公式為：

根據(jù)以上公式，通過(guò)換算變成程序，實(shí)現(xiàn)軌跡的設(shè)計(jì)，并通過(guò)不斷實(shí)際測(cè)試優(yōu)化參數(shù)。主要方法是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中改變垂直區(qū)域和平面區(qū)域的最大的速度與質(zhì)量之比，將路線中的第一個(gè)點(diǎn)位置和端點(diǎn)的位置記錄下來(lái)，并將信息保存在單片機(jī)的ARM中，實(shí)現(xiàn)不斷的算法優(yōu)化。

根據(jù)六旋翼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令與上述軌跡規(guī)劃算法結(jié)合得到的數(shù)據(jù)，將它轉(zhuǎn)換成PWM控制信號(hào)，發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)六旋翼機(jī)器人的前進(jìn)、后退、避障等。即無(wú)論何種環(huán)境和條件下、無(wú)論受控或者自動(dòng)控制模式下，均可自動(dòng)規(guī)劃出最佳的飛行軌跡。

3.3 無(wú)線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)模式下僅需要通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令后，自主規(guī)劃路徑、自主運(yùn)行。無(wú)線遙控系統(tǒng)主要在受控模式下使用。

無(wú)線遙控系統(tǒng)的整個(gè)控制過(guò)程就是一個(gè)編碼和解碼的過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線控制的方案很多，若采用傳統(tǒng)控制方案(改變載波信號(hào)占空比大小，編碼后通過(guò)無(wú)線傳輸接收，再解碼)，傳輸有一定延遲，容易丟幀，且不適用于大量控制信號(hào)的高速傳輸。本文設(shè)計(jì)的六旋翼機(jī)器人使用的是日本生產(chǎn)的NP02LM無(wú)線遙控傳輸方案，此方案采用的是連續(xù)的32位代碼，最初的24位是地址代碼(相當(dāng)于各遠(yuǎn)程控制器的唯一ID)。保證遙控器的控制唯一性，防止被“串臺(tái)”或者被其他人解碼控制，最后的8位數(shù)字是數(shù)據(jù)代碼，最大可實(shí)現(xiàn)20個(gè)按鍵的獨(dú)立控制，20個(gè)按鍵的控制組合遠(yuǎn)遠(yuǎn)能夠保證本項(xiàng)目所需的所有操作需求。

4 測(cè)試方案及完善方法

六旋翼機(jī)器人的測(cè)試方法不僅僅局限于一種模式的測(cè)試，既要測(cè)試受控模式，也要測(cè)試自動(dòng)模式。在測(cè)試的具體參數(shù)中，主要測(cè)試不同模式的飛行高度、飛行偏置角度、抓取靈敏度、轉(zhuǎn)動(dòng)角度等。通過(guò)在不同環(huán)境、不同模式下飛行穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)記錄、檢測(cè)，將最終數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不足之處進(jìn)行修改、改進(jìn)，不斷優(yōu)化軌跡規(guī)劃算法和6路PWM輸出精度等。

5 實(shí)現(xiàn)功能與創(chuàng)新點(diǎn)

1)安全性好。由于六旋翼機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)任意翻轉(zhuǎn)、機(jī)身彎曲和折疊等動(dòng)作，所以比起其他飛行機(jī)器人優(yōu)秀，并且它可以飛進(jìn)陰暗狹窄的環(huán)境，在危險(xiǎn)環(huán)境中工作，完成指定的任務(wù)。在六旋翼機(jī)器人上安裝報(bào)警裝置后，可以讓六旋翼機(jī)器人完成高空檢測(cè)、報(bào)警任務(wù)。

2)可作為遠(yuǎn)程操作機(jī)械手臂。通過(guò)在六旋翼機(jī)器人的身上安裝所需裝備后，它將變成一個(gè)具有自由組裝彎曲的機(jī)械手臂，完成各種復(fù)雜的高空捕捉。例如在陰暗狹窄的空間里進(jìn)行捕捉，崎嶇蜿蜒的空間里檢測(cè)識(shí)別、抓取等。

3)具有監(jiān)控、跟蹤等功能。由于該六旋翼機(jī)器人設(shè)計(jì)之初便加裝各種傳感器(熱釋電紅外傳感器、超聲波傳感器、壓力傳感器、攝像頭等)和預(yù)留了許多傳感接口，通過(guò)現(xiàn)有功能和傳感器加裝即可實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境下的定位、人員檢測(cè)、拍攝、錄像、跟蹤等功能。