基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的垃圾搜索及拾取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于?？?于國(guó)龍+虎良仙+王大路

摘 要：文中提出基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的垃圾搜索及拾取設(shè)計(jì)方案，此方案采用遙控直升機(jī)作為載體，通過(guò)對(duì)遙控直升機(jī)的設(shè)計(jì)和改造，可平穩(wěn)的飛行并進(jìn)行垃圾搜索和拾取。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和安裝位置滿足輕松抓取、釋放要求且不影響機(jī)身重量。應(yīng)用NOR Flash、TMS320DM6443處理器等硬件作為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的一部分，有效解決了搜索視頻在傳輸中的低效率和數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。相比于其他搜索及拾取系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案更為靈活，實(shí)用價(jià)值更高。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；機(jī)械臂；垃圾搜索及拾?。灰曨l幀

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-00-02

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)人直升機(jī)在軍事、工業(yè)、電影拍攝、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，無(wú)人直升機(jī)技術(shù)受到廣大高校、研究所的廣泛關(guān)注。遙控直升機(jī)被當(dāng)作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用以研究無(wú)人機(jī)的追蹤、路徑規(guī)劃、目標(biāo)識(shí)別等一系列問(wèn)題[1]。由于各類(lèi)景區(qū)垃圾的大量存在，尤其是懸崖及湖面高危地帶的垃圾人工清潔難以完成，使得環(huán)境清潔問(wèn)題成為重大的社會(huì)問(wèn)題，為保證清潔工作業(yè)的安全性、可靠性，降低風(fēng)險(xiǎn)和避免生命財(cái)產(chǎn)的損失，并大大提高工作效率、降低成本，因此遙控直升機(jī)安裝垃圾搜索系統(tǒng)就顯得十分必要。本系統(tǒng)以遙控直升機(jī)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將機(jī)械臂與遙控飛機(jī)有機(jī)結(jié)合，用其來(lái)研究垃圾搜索及拾取技術(shù)，代替清潔工去做攀爬、下湖等繁瑣且危險(xiǎn)的工作，使得基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的垃圾搜索及拾取系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景和重大的社會(huì)意義。實(shí)驗(yàn)表明，要保證遙控直升機(jī)準(zhǔn)確的拾取垃圾，需要時(shí)刻探測(cè)目標(biāo)垃圾的位置和控制遙控直升機(jī)的速度，將信息發(fā)送到遙控直升機(jī)搜索系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)遙控直升機(jī)進(jìn)行姿態(tài)、速度的調(diào)整。

1 系統(tǒng)的主要功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本論文闡述以遙控直升機(jī)做載體，以手機(jī)或遙控器為控制終端[2]，控制智能機(jī)械臂抓取正常情況下人不便于直接拾取到的垃圾。搜索模塊遙控直升機(jī)垃圾搜索及拾取系統(tǒng)，主要適用于公園、景區(qū)等公共場(chǎng)所及抓取具有很強(qiáng)危險(xiǎn)性的懸崖上的垃圾與深水區(qū)水面上的垃圾，也可以用于短途傳送物品，例如將2千克以下的物品從一樓運(yùn)送至高層等。

1.1 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)垃圾搜索及拾取系統(tǒng)功能所需將該系統(tǒng)劃分為四個(gè)功能模塊[3]，分別為搜索模塊、拾取模塊、飛行控制模塊、機(jī)械裝置模塊。本文主要介紹機(jī)械裝置，因?yàn)闄C(jī)械裝置的設(shè)計(jì)方法對(duì)遙控直升機(jī)的抓取和釋放起著決定性作用。由于遙控直升機(jī)的機(jī)底與機(jī)械臂相連，因此遙控直升機(jī)的協(xié)調(diào)性和重量成為最主要的控制對(duì)象。其中，重量控制是提升經(jīng)濟(jì)性能最有效的辦法，機(jī)械臂的重量過(guò)大必定導(dǎo)致遙控直升機(jī)的重量過(guò)大，從而增加了耗電量甚至影響了飛行高度而導(dǎo)致機(jī)身?yè)p壞。因此抓臂的材料應(yīng)選擇質(zhì)地較輕的塑料棒或是空心管，使遙控直升機(jī)所承受的重量盡可能小，將經(jīng)濟(jì)性能調(diào)制到最佳。其次考慮協(xié)調(diào)性，抓臂的安裝位置也很重要，安裝上機(jī)械臂后要保證直升機(jī)飛行平穩(wěn)、協(xié)調(diào)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和重心分析，機(jī)械臂應(yīng)處于直升機(jī)底部的重心部位且垂直于機(jī)身。為保證直升機(jī)安全飛行，機(jī)械臂應(yīng)該為收縮結(jié)構(gòu)或是折疊結(jié)構(gòu)。程序流程圖如圖1所示。

1.2 垃圾搜索視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垃圾搜索視頻傳輸系統(tǒng)基于無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)[4]，利用地面控制系統(tǒng)和空中控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)拍攝及獲取影像。為保證遙控飛機(jī)的平衡和搜索結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)碼相機(jī)主要分布在機(jī)頭和機(jī)底尾部?jī)蓚€(gè)最佳觀測(cè)部位，遙控飛機(jī)在搜索過(guò)程中應(yīng)保持勻速飛行，為減少飛機(jī)在飛行過(guò)程中造成的鏡頭抖動(dòng)，運(yùn)用減振設(shè)備使得拍攝鏡頭穩(wěn)定、拍攝圖片清晰。垃圾搜索源選擇高分辨率的測(cè)距自動(dòng)定焦相機(jī)，在飛行階段相機(jī)與搜索目標(biāo)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)攝像頭觀測(cè)區(qū)域到達(dá)目標(biāo)所在區(qū)域時(shí)，每隔0.01 s攝像頭便自動(dòng)定焦于搜索目標(biāo)上，當(dāng)搜索目標(biāo)與攝像頭相對(duì)靜止時(shí)則做單次定焦，大大提高了視頻的清晰度。同時(shí)利用無(wú)線網(wǎng)傳輸技術(shù)將攝像頭所拍攝的視頻分解成圖片以數(shù)據(jù)報(bào)的形式傳回地面控制臺(tái)，達(dá)到實(shí)時(shí)視頻的作用[5]。

1.3 垃圾抓取機(jī)械臂設(shè)計(jì)

由于該遙控直升機(jī)體積小，荷載量低，選擇有利于垃圾抓取和釋放的結(jié)構(gòu)組成是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)[6]。旋轉(zhuǎn)軸可各方位360°旋轉(zhuǎn)，是抓取垃圾的重要組成部分，其半徑為4 cm，主要由機(jī)械手、收縮桿與固定板組成。

（1）機(jī)械手：可拆卸，針對(duì)不同類(lèi)型的垃圾可實(shí)現(xiàn)靈活抓取，提高系統(tǒng)的普適性。

（2）固定板：與遙控飛機(jī)底部相連且能夠保證飛機(jī)飛行平衡，共有三個(gè)連接點(diǎn)，根據(jù)三角形具有穩(wěn)定性的原理，三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)等邊三角形。

（3）收縮桿：為保證方便靈活的在狹小、復(fù)雜的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)抓取功能并減輕機(jī)身重量，將為收縮桿添加2～3節(jié)空心桿。

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.4 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)[7]來(lái)設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理選用高效可靠的DSP芯片，可大大提高圖像處理、通信技術(shù)等領(lǐng)域的性能。從性能上看，系統(tǒng)由視頻獲取模塊、視頻數(shù)據(jù)編碼模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、外部設(shè)備及電源模塊組成，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。儲(chǔ)存模塊采用傳輸效率較高的NOR Flash、USB接口移動(dòng)硬盤(pán)。在效率方面，NOR Flash不需要外部接口，在沒(méi)有軟件支持的情況下可直接運(yùn)行代碼，快速存儲(chǔ)每個(gè)字節(jié)。為方便存儲(chǔ)，可用USB3.0接口的大容量移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。為提高視頻的傳輸速度和準(zhǔn)確性，可以在視頻獲取模塊建立緩沖區(qū)，將分割成圖像的視頻幀按時(shí)間存入緩沖區(qū)，采用多路同步傳輸?shù)姆绞娇焖賯鞯揭曨l解碼模塊[8]。解碼模塊由TMS320DM6443處理器和相應(yīng)的外部設(shè)備構(gòu)成，同時(shí)還帶有VICP協(xié)處理器。該模塊完成了將視頻幀解碼為原始圖像并通過(guò)地址將圖像還原為拍攝視頻[9]，有效避免了數(shù)據(jù)丟失。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)垃圾搜索及拾取系統(tǒng)的前景和意義做了簡(jiǎn)要分析，其次詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)功能模塊及各模塊的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)機(jī)械臂的合理設(shè)計(jì)及對(duì)攝像裝置的整體布局使得遙控直升機(jī)在飛行上得到了極好的控制，使拾取功能得以實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上選用TMS320DM6443視頻處理器解決了解碼效率低的問(wèn)題，應(yīng)用NOR Flash可快速寫(xiě)入和擦除，對(duì)視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]馬建倉(cāng)，羅亞軍，趙玉亭.藍(lán)牙核心技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003：2-176.

[2]陳在平，孫遜，賈超.POWERLINK物理層通信的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015（6）：1420-1424.

[3]鐘玉琢，王琪，賀玉文.基于對(duì)象的多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)—MPEG-4 及其校驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚M]. 北京：科學(xué)出版社，2000：2-53.

[4]楊新鋒，田廣強(qiáng)，路新華.基于智能視覺(jué)分析無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（9）：72-74.

[5]晏磊，呂書(shū)強(qiáng)，趙紅穎，等.無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004，37（6）：67-70.

[6]黎啟柏，肖長(zhǎng)周.水面垃圾打撈機(jī)械手及其液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1996，24（2）.

[7]賈秀杰.多功能全自動(dòng)抓取器的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，1999 （4）：18.

[8]邸興，張杰.高速攝像機(jī)遠(yuǎn)程同步觸發(fā)系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（4）：176-178.

[9]王華，柴喬林，趙晉.基于IPv6的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（1）：130-131.