摘" 要：針對地形崎嶇復(fù)雜，無人飛機(jī)無法展開偵測的現(xiàn)狀，設(shè)計了一款應(yīng)對復(fù)雜地勢環(huán)境的偵測機(jī)器人。全地形陸端無人機(jī)融合履帶結(jié)構(gòu)與仿生學(xué)機(jī)械臂，配設(shè)光學(xué)、超聲波、六軸加速度感應(yīng)儀等多種傳感器，以ESP32微處理器為控制核心，能根據(jù)實時環(huán)境修正行進(jìn)姿態(tài)。該系統(tǒng)對傳統(tǒng)的偵測無人機(jī)主要有以下改進(jìn)：裝配了4條雙自由度的機(jī)械腿，四足狀態(tài)下整體共擁有8個自由度，面對復(fù)雜地形能夠靈活調(diào)整行進(jìn)姿態(tài)；四足均裝配豹式履帶，在相對平緩處，在兼顧穩(wěn)定性的同時具備較高的行進(jìn)速度；為提高系統(tǒng)的可視化水平與可操作性，搭載了FHD實時圖傳模塊，便于用戶操作。該機(jī)器人性能穩(wěn)定，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：AI+；路況識別；全地形避震；自主決策；仿生步態(tài)

1 作品背景與研究意義

1.1 作品背景

受益于機(jī)器人行業(yè)發(fā)展與國家政策的支持，全球無人機(jī)市場持續(xù)高速增長，移動機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療服務(wù)等方面，尤其在反恐排爆、軍事戰(zhàn)場、地震救援、煤礦救災(zāi)、消防、核電泄漏等人類不易涉足的危險環(huán)境中，對移動機(jī)器人的需求十分迫切。例如在戰(zhàn)場環(huán)境下，戰(zhàn)場救援是軍隊生存及戰(zhàn)斗力重建的重要保障，然而復(fù)雜的地形與危險多變的環(huán)境大大增加了救援的難度；搶險救災(zāi)過程中惡劣環(huán)境下的搜救難度大，危險程度高，易對被困者造成二次傷害，且對搜救人員的人身安全存在威脅。因此，開發(fā)一種能夠適應(yīng)多種不同地形條件的非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動機(jī)器人，協(xié)助或代替人類執(zhí)行救援、完成高危作業(yè)是十分迫切的需求。

根據(jù)目前已有機(jī)器人驅(qū)動原理，機(jī)器人移動平臺一般可分為輪式、履帶式、多足類等。輪式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、運動靈活、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但其避障越野能力相對較弱，無法完全適應(yīng)上述環(huán)境。多足類機(jī)器人通過機(jī)械臂組成多足系統(tǒng)，腿式機(jī)構(gòu)具有較好的關(guān)節(jié)靈活性，適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng)，因此該機(jī)器人實現(xiàn)的動作較多、姿態(tài)靈活，但是存在結(jié)構(gòu)繁冗、控制復(fù)雜、運動緩慢、維護(hù)不便等缺點。履帶式機(jī)器人相對輪式機(jī)器人有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和越障能力，相對腿式機(jī)器人有更簡單的機(jī)構(gòu)和更好的穩(wěn)定性，但是履帶式機(jī)器人重量大、能耗高、運行效率低、裝配維護(hù)困難。復(fù)合式機(jī)器人則是將上述3種

基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，形成輪-腿式、輪-履式、履-腿式、輪-履-腿等形式的復(fù)合型機(jī)器人，這類復(fù)合式機(jī)器人兼具上述3種

基本形式的結(jié)構(gòu)特征，在運動過程中可以充分利用各自的優(yōu)點，是未來移動機(jī)器人的發(fā)展方向。

惡劣的環(huán)境一般都存在斷崖、溝壑等多變地形，對于搜索救援機(jī)器人來說易發(fā)生側(cè)滑或者卡死等狀況，導(dǎo)致預(yù)設(shè)的搜索救援任務(wù)無法繼續(xù)執(zhí)行，所以對機(jī)器人越障能力和運動能力要求極為嚴(yán)苛。

根據(jù)上述背景可知，研究一種全地形的機(jī)器人移動平臺迫在眉睫。該機(jī)器人應(yīng)盡可能集成多種機(jī)器人的移動方式，具有高機(jī)動性和越障能力強(qiáng)等優(yōu)點。

1.2 作品研究意義

全地形陸地?zé)o人機(jī)兼?zhèn)涠喙δ苈倪M(jìn)方式，能夠在復(fù)雜危險的環(huán)境下工作，且操作簡便，模式多樣，可以替代人們完成一些在復(fù)雜地區(qū)的探測工作等，在保障人們生命和財產(chǎn)安全方面具有非常重要的意義。

功能1：滿足復(fù)雜多變的高強(qiáng)度越野需求；

功能2：替代人類搜索崎嶇地形；

功能3：擁有穩(wěn)定流暢的遠(yuǎn)程實時圖傳功能。

2 設(shè)計研究思路

2.1 系統(tǒng)方案框架設(shè)計

基于作品背景與意義，全地形四足履帶機(jī)器人主要由ESP32微處理器、8自由度機(jī)械臂+四驅(qū)履帶動力系統(tǒng)、四足仿生系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、鴻蒙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、6軸平衡系統(tǒng)、上機(jī)位機(jī)控制小程序構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計簡圖如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示。

本項目針對復(fù)雜地形的仿生步態(tài)前進(jìn)、平緩地形的履行前進(jìn)、自主減震穩(wěn)定、物聯(lián)網(wǎng)實時圖傳、系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了研究與設(shè)計。系統(tǒng)通過傳感器回傳參數(shù)進(jìn)行加權(quán)判斷，以靈活切換履行模式和四足模式，有效應(yīng)對復(fù)雜路況，實現(xiàn)遠(yuǎn)程巡航偵察。

主控部分采用ESP32作為主控核心，搭載電機(jī)控制系統(tǒng)、加速度感應(yīng)系統(tǒng)、AP通信系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)器人自主平衡和巡航功能的同時回傳各項傳感器數(shù)據(jù)；此外，搭載樹莓派4B接收傳感器數(shù)據(jù)，并接入鴻蒙物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及圖傳、圖像識別等。

2.2 研究方法

整體系統(tǒng)可分為3部分：第一部分由樹莓派通過4G模塊使用TCP協(xié)議將視頻流和指令集上傳至服務(wù)器，在服務(wù)器進(jìn)行分流；第二部分由ESP32接收樹莓派傳輸?shù)牟僮髦噶?，并下達(dá)相應(yīng)命令給舵機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，同時發(fā)送各項傳感器數(shù)據(jù)給樹莓派；第三部分，舵機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)接收到對應(yīng)的指令后完成相應(yīng)操作，同時回傳電機(jī)、舵機(jī)實時狀態(tài)至ESP32。

2.2.1 一種非常規(guī)四足機(jī)器人的仿生步態(tài)研究與改進(jìn)

四足機(jī)器人可以利用特定的步態(tài)在地面上運動，其優(yōu)點是穩(wěn)定性高、越障能力強(qiáng)。意大利理工學(xué)院的Semini等人設(shè)計了一種HyQ四足機(jī)器人，并采用虛擬模型控制提高了該機(jī)器人的動態(tài)運動性能，使其具備了在崎嶇路面上行走的能力。Zhang等人基于零力矩點（Zero Moment Point， ZMP）穩(wěn)定裕度的方法設(shè)計了四足機(jī)器人的行走步態(tài)，提高了該機(jī)器人在復(fù)雜路面上的行走能力。

以此為啟發(fā)，通過分析觀察四足哺乳動物的身體形態(tài)和運動形態(tài)，設(shè)計了一種非常規(guī)的四足動力模型，要求該模型可為機(jī)器人實現(xiàn)具有雙自由度的單腿，共計8個自由度，以此為理論基礎(chǔ)，并嘗試在該非常規(guī)動力模型基礎(chǔ)上實現(xiàn)Trot步態(tài)。

四足動物小跑過程中，會同時抬起、放下前左、后右腿（或前右、后左腿）。每條腿都會在支撐相和擺動相之前來回切換，以此形成對角Trot步態(tài)（圖3）。

為滿足實際需求，需減小四足機(jī)器人腿部在支撐相和擺動相之間切換時的足端慣性力以及與地面的沖擊力。因此遵循以足端沖擊力為0的原則，即將阻斷狀態(tài)定位理想狀態(tài)，與地面接觸時都應(yīng)滿足端速度與加速度均為0；以右前腿為例，建立坐標(biāo)系{D}描述足端位置參數(shù)，以某一關(guān)節(jié)為坐標(biāo)原點，機(jī)器人前進(jìn)方向為X軸，豎直向上方向為Z軸?；谡伎毡鹊膯沃芷赥rot步態(tài)如圖4所示。

2.2.2 基于卡爾曼濾波的加速度值降噪量的姿態(tài)解算

考量四足機(jī)器人性能指標(biāo)的另一項重要參數(shù)就是穩(wěn)定性。四足機(jī)器人通過對車體姿態(tài)的實時檢測，輸出控制量來驅(qū)動電機(jī)及舵機(jī)帶動車體前進(jìn)或后退，四足抬放保持平衡行駛。因此，一種可靠的車體姿態(tài)估計算法就顯得尤為重要，它直接影響著車體的自平衡性能。為此采用四元數(shù)法作為姿態(tài)估計算法。同時，提出了卡爾曼濾波的方法來融合陀螺儀和加速度計輸出的信號，修正了陀螺儀輸出量中的隨機(jī)漂移分量，實現(xiàn)了機(jī)體姿態(tài)的最優(yōu)估計。

卡爾曼濾波是一種最優(yōu)遞歸數(shù)據(jù)處理算法?？柭鼮V波可以根據(jù)陀螺儀和加速度計不同的數(shù)學(xué)模型，通過建立方程關(guān)系來消除測量誤差。陀螺儀可用于預(yù)測角速度，動態(tài)跟蹤性能好。陀螺儀受溫度、不穩(wěn)定力矩等因素的影響，會產(chǎn)生隨機(jī)漂移誤差。加速度計用于測量加速度，通過測得的加速度值與重力加速度比得到傾角值。使用陀螺儀輸出的角速度預(yù)測云如圖5所示。使用卡爾曼濾波后的角速度預(yù)測云如圖6所示。

取得降噪后的角速度，將其通過機(jī)器人受力分析模型轉(zhuǎn)化為舵機(jī)和電機(jī)的參數(shù)。至此，完成平衡系統(tǒng)的整個流程。

前進(jìn)過程中，若機(jī)器人飛躍溝壑時部分腳騰空或空轉(zhuǎn)，可能會造成速度差，使得機(jī)器人偏離航線、失控。機(jī)器人搭載MPU6050角度傳感器、減速電機(jī)裝配編碼器等傳感器模塊，可實現(xiàn)姿態(tài)修正。通過上述因素分析，可實現(xiàn)機(jī)器人動力系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)配。

機(jī)器人修正方向流程：

（1）陀螺儀實時檢測加速度變化，使用卡爾曼濾波算法降噪，獲得實時加速度方向；

（2）若判斷出加速度偏移、加速度方向與機(jī)器人預(yù)定行進(jìn)方向不在同一水平線，則說明機(jī)器人偏離航線；

（3）記錄當(dāng)前加速度值并回傳，判斷機(jī)體應(yīng)修正的方向。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 硬件框圖設(shè)計

下位機(jī)以ESP32微處理器為控制核心。機(jī)器人硬件包含主控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、舵機(jī)系統(tǒng)、云臺、攝像系統(tǒng)、電池及電源管理模塊等。

3.2 機(jī)器人主要硬件模塊設(shè)計

3.2.1 主控系統(tǒng)

機(jī)器人以ESP32微處理器為主控芯片，主控系統(tǒng)主要作用于動力系統(tǒng)。當(dāng)主控系統(tǒng)收到信息后會對其進(jìn)行分析和判斷，然后由動力系統(tǒng)控制機(jī)器人動作。

3.2.2 動力系統(tǒng)

機(jī)器人的動力系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動電路、編碼器的減速直流電機(jī)和豹式履帶。電機(jī)驅(qū)動電路采用TB6612FNG芯片進(jìn)行設(shè)計。TB6612FNG芯片是專為直流電機(jī)脈寬調(diào)制（PWM）控制而設(shè)計的電機(jī)驅(qū)動芯片，該芯片的最大工作電壓為15 V，最大輸出電流可達(dá)3.2 A，PWM支持頻率高達(dá)100 kHz。輸入端輸入PWM控制信號可直接控制直流電機(jī)的速度和方向。驅(qū)動豹式履帶的電機(jī)所采用的型號為JGA25-370-1260，該電機(jī)扭矩大，能夠滿足在復(fù)雜地形下機(jī)器人的平穩(wěn)運行。通過主控系統(tǒng)指令可實現(xiàn)機(jī)器人的啟停、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動作。

3.2.3 舵機(jī)系統(tǒng)

機(jī)器人的舵機(jī)系統(tǒng)由輸出邏輯芯片SN74HC125N和8個總線舵機(jī)構(gòu)成。其中，SN74HC125N芯片是集成4個三態(tài)非反向緩沖器的邏輯器件，用于驅(qū)動總線舵機(jī)。所采用的總線舵機(jī)型號為FASHIONSTAR RA8-U25。每個舵機(jī)能以總線方式連接，可以減少所占空間，通過半雙工異步串行通信協(xié)議進(jìn)行通信；再通過舵機(jī)控制板，以全雙工通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。8個總線舵機(jī)具有8個自由度，可根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的信息實現(xiàn)機(jī)器人形態(tài)的切換。

3.2.4 運動傳感器模塊

運動傳感器使用的是MPU6050。MPU6050是InvenSence公司推出的整合性6軸運動處理組件，其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并含有一個I2C接口。MPU內(nèi)部還自帶有7路16 bit的ADC轉(zhuǎn)換電路，其中3路為陀螺儀、3路為加速度計、1路為內(nèi)部溫度傳感器。ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMP處理后存儲在FIFO中。單片機(jī)通過對芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作完成對MPU的控制。

3.3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

履帶機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)由4條機(jī)械腿和機(jī)身部分構(gòu)成。單條腿由2個總線舵機(jī)、1個直流電機(jī)以及豹式履帶構(gòu)成，具有2個自由度。機(jī)身呈直角梯形，內(nèi)部為空，以減少整體重量。機(jī)身內(nèi)部放置舵機(jī)控制板和航模電池，上方放置ESP32主控板，搭載樹莓派的高清攝像頭和天線。

2個舵機(jī)通過U形連接器連接，其中，U形連接器為金屬件，通過舵盤與舵機(jī)連接并固定，保證了舵機(jī)在活動時的穩(wěn)定性；舵機(jī)連接件通過3D打印技術(shù)制作，經(jīng)多顆螺絲與機(jī)身連接，多次測試后，采取穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，以支持機(jī)器人的運動。

由3D打印技術(shù)制作的連接外殼通過履帶固定件與履帶連接，形成機(jī)器人的腳部。連接外殼內(nèi)，左、右兩邊各有1個履帶固定件，通過多顆螺絲與履帶連接并固定。

舵機(jī)與機(jī)器人的腳部通過舵盤連接，形成完整的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)。

4 特色與創(chuàng)新

（1）足端融入履帶結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化越野能力，可實現(xiàn)仿生步態(tài)行進(jìn)模式，以及仿生四足與履帶式結(jié)構(gòu)協(xié)同工作模式，穩(wěn)定性強(qiáng)。

（2）集成卡爾曼濾波算法，預(yù)設(shè)環(huán)境處理算法，機(jī)器人具有一定的自主決策能力，面對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。

（3）機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)預(yù)留了多個功能槽位，模塊化程度高，可根據(jù)需求快速安裝所需模塊。

5 功能展示與產(chǎn)品測試

5.1 多種越野形態(tài)的測試

為了保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，測試了機(jī)器人的多種形態(tài)切換及行進(jìn)間的形態(tài)切換，均能快速高效切換。

5.2 仿生步態(tài)與機(jī)體姿態(tài)修正的測試

該機(jī)器人的仿生模型取自狗的Trot步態(tài)，步態(tài)周期簡單且穩(wěn)定。

（1）Trot前半周期：左前腿與右后腿作擺動相，右前腿與左后腿作支撐相，在擺動相中，左前腿朝前移動，右后退朝后移動；支撐相不變。至此完成Trot前半周期動作。

（2）Trot后半周期：左前腿與右后腿作支撐相，右前腿與左后腿作擺動相，在擺動過程中，左前腿與右后腿作支撐相，右前腿和左后腿作擺動相。在擺動相中，右前腿朝前移動，左后腿朝前移動。在支撐相中，左前腿使力，向后推動；右后腿使力，向后推動，帶動車身向前運動，持續(xù)半個周期；至此Trot后半周期完成。

一周期Trot步態(tài)完成后，機(jī)身歸為四足初始狀態(tài)，可繼續(xù)循環(huán)Trot步態(tài)，也可停止切換為四足初始狀態(tài)。

5.3 圖傳功能的測試

圖傳測試主要有2項重要指標(biāo)：延遲和流暢度。

使用樹莓派搭配TCP協(xié)議傳輸視頻流，直接推送視頻源碼，在上位機(jī)解碼，實現(xiàn)高速傳輸，延遲在25～35 ms范圍內(nèi)波動。

進(jìn)行實際延遲測試，通過秒表計時。測試中一組數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)實時讀秒為32.71 s，圖回傳時間為32.54 s，對比秒表可知，實際延遲大約為150 ms。經(jīng)過統(tǒng)計，該數(shù)據(jù)具有普遍性。

6 社會效益

陸端無人機(jī)主要應(yīng)用于反恐排爆、軍事戰(zhàn)場、地震救援、煤礦救災(zāi)、消防及核電泄漏等領(lǐng)域。面對復(fù)雜情況，在配置方面，整機(jī)裝配4條機(jī)械腿共計8自由度，面對各種復(fù)雜危險環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)不同姿態(tài)、形態(tài)的變換；足端裝載豹式履帶，越野能力強(qiáng)，面對復(fù)雜地形適應(yīng)性好。軟件層面搭載AI智能決策算法，能根據(jù)環(huán)境自主判斷、變換形態(tài)；在避障越野方面，得益于高自由度的動力系統(tǒng)，結(jié)合犬式Trot仿生步態(tài)算法，能夠在多種環(huán)境下實現(xiàn)越野能力極強(qiáng)的四足仿生步態(tài)；在環(huán)境偵測探索方面，以樹莓派+TCP網(wǎng)絡(luò)鏈接為基礎(chǔ)，實現(xiàn)高清穩(wěn)定實時圖傳，光學(xué)、溫濕度、聲音等各項環(huán)境參數(shù)回傳。

該無人機(jī)的研究不僅僅是技術(shù)上的一次進(jìn)步，更是保障人們生命與財產(chǎn)安全、與天災(zāi)人禍作斗爭的一次嘗試。