基于陸空兩棲的分離式偵察機器人的設計與研究

劉志春

摘要：在研究和分析了國內(nèi)外陸空兩棲機器人的基礎上，提出了可分離式陸空兩棲特殊環(huán)境偵察機器人的總體方案，整個系統(tǒng)設計主要包括四個關(guān)鍵部分，分別為無人機系統(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)是整個設備的控制核心，實現(xiàn)遠程人機交互功能。詳細介紹了設計過程中采用過的設計方案，采用模塊化設計理念，詳細介紹各個模塊單元的設計?；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驗。實驗結(jié)果表明，本作品行動更加靈活，可同時完成陸空兩用的任務，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

目前的陸空兩棲機器人趨于一體化設計，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，由于機器人具有慣性，因此基本無法實現(xiàn)從運動狀態(tài)馬上切換為停止狀態(tài)。第二種就是目前常見的仿生型設計，在旋翼的底部加入多足驅(qū)動，使之完成地面移動，但是行動速度極為緩慢，基本上無法在規(guī)定的時間內(nèi)完成特定的任務，從而降低了效率。

國內(nèi)研究兩棲無人偵察系統(tǒng)的有南京理工大學的飛行吸附兩棲機器人，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行長時間棲息潛伏。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，最大負載 1000 克，可吸附 200 分鐘。但缺點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，使得其應用的工作空間大大受到了限制。

1機器人總體方案

整個系統(tǒng)設計主要包括四個關(guān)鍵部分，分別無人機系統(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計理念，地面站工作臺是整個設備的控制核心，實現(xiàn)遠程人機交互功能，通過控制機車的結(jié)合和分離，完成對不同目標現(xiàn)場的數(shù)據(jù)樣本信息采集和實時無線畫面?zhèn)鬏敗?/p>

1.1六軸飛行器

考慮到裝機的方便和較強的載重能力，因此選用了F550機架配備20A好樂盈電調(diào)、恒拓920KV值的無刷電機和1047碳纖維正反漿，考慮到整個系統(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，通過簡單的串口通信解析$GPGGA語句指令來實現(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采集接收機的遙控信號來實現(xiàn)對飛行器的遠距離遙控。對于航拍設備，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時顯示圖像。

1.2 輕質(zhì)多功能探測車

為了使小車輕質(zhì)且適應性強，選用履帶車輪并用鋁片來打造整個車體，選用兩個電機前后交叉式安置，從而保證了車體在動力充足的前提下減輕了車身重量。選用STM32f103作為主控核心，豐富的增強型外設和IO端口，方便功能擴展。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上實時顯示當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警。通過紅外及超聲波進行簡單的自主避障，使用角度傳感器，得到小車在構(gòu)建的坐標系下的偏航角，在此基礎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)

在無人機頂部搭建了一個半封閉的空間作為探測車的運輸平臺，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轉(zhuǎn)角實現(xiàn)小車與機體的結(jié)合分離。

1.4 地面站人機交互

為了監(jiān)視遠程的探測現(xiàn)場并操作機器人完成復雜任務，設計了實體地面站并配合計算機實現(xiàn)人機交互功能。地面站由控制器、供電系統(tǒng)、顯示屏、視頻采集設備、外部輸入設備、無線數(shù)傳等主要模塊組成。通過顯示菜單可以清楚地設置當前的工作模式，查看返回的目標地點數(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，完成任務分配。

2 功能概述與技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)包括包括機車結(jié)合移動平臺和地面站控制系統(tǒng)兩大主體部分。機車結(jié)合移動平臺分為無人機系統(tǒng)、車位停放系統(tǒng)和探測車系統(tǒng)，其中，無人機系統(tǒng)包括供電電源、飛控單元、無刷電機驅(qū)動調(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、舵機驅(qū)動和通信模塊，探測車系統(tǒng)包括供電電源、主控單元、通信模塊、電機驅(qū)動、舵機驅(qū)動、傳感器采集與處理電路、照明燈模塊和報警裝置。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、報警處理電路、通信模塊、AD采集模塊以及顯示屏驅(qū)動，并且可以通過視頻采集卡經(jīng)USB在上位機上實時顯示當前畫面信息。

2.1電源供電設計（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）和基準穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。為了增強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致模塊供電異常，建議根據(jù)實際應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 ，可準確追蹤快速與慢速動作，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。在本設計中搭配磁力計用于無人機的姿態(tài)檢測和探測車的路徑記憶功能。

3 主要創(chuàng)新點

（1）采用可分離式設計，使得其既能夠整體飛行，又能夠分開各自執(zhí)行任務，實現(xiàn)了更大的靈活性。

（2）通過高清攝像頭配備圖傳設備，將目標場景信息實時傳輸給地面站工作臺，同時，工作人員也能夠通過顯示設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，從而擴大了產(chǎn)品的應用領(lǐng)域。

參考文獻

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