基于陆空两栖的分离式侦察机器人的设计与研究

刘志春

摘要：在研究和分析了国内外陆空两栖机器人的基础上，提出了可分离式陆空两栖特殊环境侦察机器人的总体方案，整个系统设计主要包括四个关键部分，分别为无人机系统、探测车系统、车位系统和地面站操控系统。地面站操控系统是整个设备的控制核心，实现远程人机交互功能。详细介绍了设计过程中采用过的设计方案，采用模块化设计理念，详细介绍各个模块单元的设计。基于研制的作品，完成了未知环境探测、室外侦察、气体检测、自主巡检等一系列功能实验。实验结果表明，本作品行动更加灵活，可同时完成陆空两用的任务，具备了良好的侦察探测能力等功能。

关键词：可分离；陆空两栖；无线视频传输

0 研究的背景及意义

目前的陆空两栖机器人趋于一体化设计，可具体分为两种：第一种是最初的四旋翼和自由轮结合的方式，由于机器人具有惯性，因此基本无法实现从运动状态马上切换为停止状态。第二种就是目前常见的仿生型设计，在旋翼的底部加入多足驱动，使之完成地面移动，但是行动速度极为缓慢，基本上无法在规定的时间内完成特定的任务，从而降低了效率。

国内研究两栖无人侦察系统的有南京理工大学的飞行吸附两栖机器人，其吸附装置可以吸附在墙壁、天花板、广告牌等光滑平面上进行长时间栖息潜伏。而飞行系统可使其在空中自由飞行改变吸附位置。体积小、功耗小、飞行稳定、操作灵活。能够在飞行、吸附间自主切换。自重 1.5公斤左右，最大负载 1000 克，可吸附 200 分钟。但缺点是吸附需要比较光滑平面，且吸附装置载荷有限，吸附状态下无法改变位置，使得其应用的工作空间大大受到了限制。

1机器人总体方案

整个系统设计主要包括四个关键部分，分别无人机系统、探测车系统、车位系统（用来存放车体）和地面站操控系统。本作品采用模块化设计理念，地面站工作台是整个设备的控制核心，实现远程人机交互功能，通过控制机车的结合和分离，完成对不同目标现场的数据样本信息采集和实时无线画面传输。

1.1六轴飞行器

考虑到装机的方便和较强的载重能力，因此选用了F550机架配备20A好乐盈电调、恒拓920KV值的无刷电机和1047碳纤维正反浆，考虑到整个系统的稳定性，选用了一款具有自稳功能的开源飞控作为主控板。选用UBLOX-6 GPS模块，内置增益放大，搜星能力强，通过简单的串口通信解析$GPGGA语句指令来实现GPS位置的获取和后续的路径规划功能。选用乐迪AT9遥控器，通过MCU采集接收机的遥控信号来实现对飞行器的远距离遥控。对于航拍设备，选用5.8G图传收发模块TS832和RC832搭配高清微型摄像头经视频采集卡采集即可在显示屏上实时显示图像。

1.2 轻质多功能探测车

为了使小车轻质且适应性强，选用履带车轮并用铝片来打造整个车体，选用两个电机前后交叉式安置，从而保证了车体在动力充足的前提下减轻了车身重量。选用STM32f103作为主控核心，丰富的增强型外设和IO端口，方便功能扩展。在无线通信方面，选用了带有功放元件的NRF24L01通信模块。在图像视频回传方面，选择5.8G图传收发模块TS832和RC832配备微型高清摄像头，接收端选用AV视频采集卡即可在电脑上位机上实时显示当前画面并且具备录像功能。探测车搭载气体传感器MQ-2，MQ-9对多种可燃性气体的浓度检测报警。通过红外及超声波进行简单的自主避障，使用角度传感器，得到小车在构建的坐标系下的偏航角，在此基础通过路径记忆算法使得小车具有自主巡检的功能。

1.3 智能门控制系统

在无人机顶部搭建了一个半封闭的空间作为探测车的运输平台，该平台选用轻质铝合金材料搭建，前端安装两条斜坡作为探测车的上下路径。选用STM32F103作为控制核心，通过串口实现与飞控之间的双向通信，通过接收指令，控制安装在前端的舵机转角实现小车与机体的结合分离。

1.4 地面站人机交互

为了监视远程的探测现场并操作机器人完成复杂任务，设计了实体地面站并配合计算机实现人机交互功能。地面站由控制器、供电系统、显示屏、视频采集设备、外部输入设备、无线数传等主要模块组成。通过显示菜单可以清楚地设置当前的工作模式，查看返回的目标地点数据量，以第一人称视角来查看作业环境的现场图像信息，分析采集回传的数据样本，完成任务分配。

2 功能概述与技术实现

系统包括包括机车结合移动平台和地面站控制系统两大主体部分。机车结合移动平台分为无人机系统、车位停放系统和探测车系统，其中，无人机系统包括供电电源、飞控单元、无刷电机驱动调速单元、GPS、摄像头以及通信模块，车位停放系统包括供电电源、主控单元、舵机驱动和通信模块，探测车系统包括供电电源、主控单元、通信模块、电机驱动、舵机驱动、传感器采集与处理电路、照明灯模块和报警装置。地面站控制系统包括主控单元、供电电路、按键输入检测单元、报警处理电路、通信模块、AD采集模块以及显示屏驱动，并且可以通过视频采集卡经USB在上位机上实时显示当前画面信息。

2.1电源供电设计（LM2596）

LM2596系列是德州儀器（TI）生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。为了增强模块电源抗干扰能力（主要抗浪涌，脉冲群，静电等），不至于在外界环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常，建议根据实际应用在外部电源输入端加一些共模电感、TVS？管等器件。PCB布局时候，走线尽量宽、走线尽量短，最好大面积铺地。

2.2传感六轴角度传感器（MPU6050）

MPU6050模块是InvenSense公司推出的一款低成本的6轴传感器模块，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec ，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的IIC与控制器单元通信，并且功耗极低，3.3V下电流仅10mA。在本设计中搭配磁力计用于无人机的姿态检测和探测车的路径记忆功能。

3 主要创新点

（1）采用可分离式设计，使得其既能够整体飞行，又能够分开各自执行任务，实现了更大的灵活性。

（2）通过高清摄像头配备图传设备，将目标场景信息实时传输给地面站工作台，同时，工作人员也能够通过显示设备以第一人称视角来操作和监视。

（3）通过姿态传感器的融合和电机速度的采集，构建了路径记忆算法，使得小车具备自主巡检的功能，从而扩大了产品的应用领域。

参考文献

[1] Darma S.，Buessler J.L.，Hermann G.et al，Visual servoing quadrotor control in autonomous target search[M]：IEEE，2013：319-324.

[2] 冯准.嵌入式视觉导航智能小车系统[D]南京：东南大学，2008：15-45.

[3] 于海生.微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，2003：1-50