无人机排爆机械臂的设计与实现研究

王彬 辛树强

摘 要 本文主要对无人机排爆机械臂的设计问题进行研究，分析其硬件设计以及软件设计，意在提升无人机机械臂的智能水平，希望对相关的工作人员具有一定的借鉴意义。

关键词 无人机;排爆机械臂;系统设计

前言

无人机排爆机械臂通过利用先进的体感数据，实现对机械臂的精确控制，从而令动作更加准确清晰，帮助工作人员更好地控制机械臂，因此，应该加强系统的软件和硬件设计，提高机械臂工作的效率。

1无人机排爆机械臂的硬件设计

1.1 无人机排爆机械臂的臂端设计

机械臂由以下三部分构成，即无线视频传输系统、无人机机械臂以及机械臂的控制板，通常无人机机械臂使用的是开源型号的三舵机械臂，不仅能够完成上升、下降以及抓取等机械动作，并且视频传输系统还能够将机械臂的数据图像输送到操作端，令工作人员实时监测无人机排爆机械臂的工作状况。现阶段无线数据传输的模块主要利用5.8g的无线传输协议，由于无人机设备中对其的使用较少，因此，有助于防止其他无线电系统带来的干扰，更加高效地进行数据传输[1]。

另外，由于无线传输套件需要稳定的信号，即使远距离传播也需要保证信号的质量，才能令工作人员有效进行数据的传输，机械臂的控制板是为了接收控制信号，然后通过控制机械臂的臂舵令机械臂转动。通常机械臂是由3部机械舵机组成的，工作人员通过控制机械臂就能够完成抓取、释放、升降等动作。

除此之外，由于机械爪整体均采用了铝合金与铜柱制成的，不仅能够降低机械臂的重量，同时还能够确保其强度，为了保证无人机防爆机械臂的效率，避免在抓取可燃物时出现打滑的现象，在设计机械臂时，可以利用波浪形的设计方式，充分保证可疑爆炸物转移过程的安全性。

1.2 無人机机械臂操作端的设计

机械臂的操作端包含以下几部分，FPV显示器以及手感数据手套构成的，其中FPV显示器在设计时需要安装无线接收器，然后使用5.8g的无线信号进行视频信号的传输工作，通过此种设计方式，能够接收到数据信息，帮助工作人员观察和检测机械臂的工作状态，令机械臂能够更加准确地抓取物体。在设计显示器时，需要采用LED的高清屏幕，分辨率要在1080P，有助于工作人员从高清屏幕上准确观测出机械臂的信息，为可疑爆炸物的处理工作提供便利。

另外，由于体感数据的手套，可以准确感应出人手掌的姿势，同时还能提取到加速度、角速度以及角度等数据，因此，在对无人机排爆机械臂的体感手套展开设计的过程中，可以将手指弯曲程度的传感器通过阻值的方式体现出来。例如，非弯曲的状态下，将阻值设计为9000Ω，90度弯曲时电阻为14000Ω，180度弯曲时电阻设计为22000Ω，令机械臂内部的电路将阻值转变成电压值，最终以32位处理器将电压值打包后再输出。输出的数字信息能够为控制机械提供良好的信息。因此，无人机排爆机械臂在具体的工作过程中，将控制信息利用无线电的传播模块输送到机械臂端，然后实现对机械臂上、中、下等三部舵机的控制，令舵机转动，实现抓取、升降等动作[2]。

除此之外，在对无人机机械臂进行供电设计时，应该注重通用性和协调性，当前10400mA、5V/12V、双输出的UPS移动电源，在无人机排爆机械臂中被广泛应用，在对电源的内芯设计时，应使用18650-3.7v的锂电池，避免移动电源出现过充和过放问题，保障电源系统的安全。设计人员在设计电源系统时，还需要遵循集约化的原则，缩减其体积，减少重量，为无人机系统提供稳定的电力。

2无人机排爆机械臂的软件设计

2.1 无人机机械臂控制主板的设计

无人机机械臂的软件设计工作主要包括控制主板设计、排爆机械臂的上位机软件设计以及通讯设计，机械臂的控制主板不仅能够对各个主板之间的模板进行协调，同时还要确保系统能够实时通讯，更新相关的信息，并将其发送给上位机进行显示，令上位机也可以发送指令，更好地控制系统，因此，技术人员应该在初始化的程序中设置好不同模块的功能属性，如系统的时间以及串口功能等。通常无人机系统大部分的时间耗费在主函数的循环中，不仅要同时执行多个程度，如不同模型数据的更新、系统控制率的解算等，因此，为了保证间断性执行任务的效率，技术人员可以通过定时器的形式，先设定好触发周期参数，一旦定时器发生中断，就能够执行排爆任务。另外，为了保证电机编码器接收到的信息能够被传输给上位机，防止对数据资源的占用，可以利用串口DMA的方式，将数据直接发送给控制主板，一旦上位机打发的控制指令可以被传送到控制主板，如果系统进入串口就会发生中断，在串口中断处来分析控制指令，如果程序中的监测量能够达到设定好的阈值，则系统就能够自动执行应急措施中的中断函数。

2.2 无人机机械臂平台通讯的设计

无人机机械臂平台通讯的设计时，必须做好以下两方面内容的设计工作，第一点就是Modbus的主从通信协议，该协议是当前较为常用的一种通信协议，其主要的内容，就是要求主机以及从机之间根据公共格式展开通讯，即从机需要预先设计好ID账号，主机在进行数据读取的过程中，就能够将数据信息传送到总线上，其中不仅包括从机的ID信息，同时也包括全部从机接收到的信息，但是在具体的工作过程中，只有ID匹配的从机才会接收，并且将反馈的信息数据上传到总线上，实现对防爆机械臂的控制。除此之外，还应该考虑好串口数据的通信协议，由于无论是控制主板或者是上位机软件，在实际的通信过程中往往只负责将数据发送出去，不考虑数据的接收情况，因此，一旦串口的接收寄存器设置不合理，就会造成数据被覆盖，因此，技术人员在具体的设计过程中，必须将串口收到的数据信息缓存在可以备用的区域，确保数据信息被有效接收。

3结束语

总而言之，无人机排爆机械臂系统通过利用良好的体感数据手套，实现对机械臂的精确控制，不仅能够更加清晰直观的进行操作，同时由于安装了3舵机的机械臂，令无人机可以较为容易地完成抓取以及升降等动作，因此，需要加强对无人机硬件以及软件系统的设计工作，将其应用在可疑爆炸物的转移过程中，充分保障工作人员的生命安全。

参考文献

[1] 荆琦.旋翼飞行机械臂抓取控制研究[D].绵阳：西南科技大学，2020.

[2] 高军，邬江.无人机排爆机械臂的设计与实现[J].科技传播，2018（22）：164-165.