基于四軸飛行器管道機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

濱州學(xué)院 王衛(wèi)東 丁 雷 牛崧任 耿 榮

基于四軸飛行器管道機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

濱州學(xué)院 王衛(wèi)東 丁 雷 牛崧任 耿 榮

在我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度愈來愈快之下，機(jī)器人技術(shù)得到了高速發(fā)展。而為了能夠有效應(yīng)對復(fù)雜特殊的管道作業(yè)環(huán)境，同時(shí)有效提升管道作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量，目前已經(jīng)專門為此研發(fā)出了管道機(jī)器人，隨著時(shí)間的推移，人們?yōu)榱藢艿罊C(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化完善，開始嘗試將航模飛行器技術(shù)應(yīng)用其中，并配合使用超聲波技術(shù)完成障礙躲避，從而使得管道機(jī)器人可以更好地完成相關(guān)管道作業(yè)任務(wù)。因此，本文將重點(diǎn)分析研究基于四軸飛行器的管道機(jī)器人。

四軸飛行器；管道機(jī)器人；超聲波避障；設(shè)計(jì)

引言

在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的過程當(dāng)中通過積極運(yùn)用四軸飛行器及其工作原理，能夠使得機(jī)器人飛行器利用超聲波進(jìn)行障礙躲避，同時(shí)其運(yùn)動(dòng)方向、角度、高度等也更加靈活，方便操作人員使用姿態(tài)控制的方式對其飛行控制，不僅如此，管道機(jī)器人飛行器的穩(wěn)定性同樣可以得到有效提升。因此本文將通過從簡單論述四軸飛行器的基本內(nèi)容入手，嘗試從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)方面研究基于四軸飛行器管道機(jī)器人的研究，希望為相關(guān)研究人員提供必要參考和幫助。

一、四軸飛行器的簡要概述

（一）基本結(jié)構(gòu)

通常情況下，在四軸飛行器當(dāng)中主要包括三大部分，分別為軸翼和飛行器控制部分以及機(jī)身部分。在軸翼部分當(dāng)中主要由正反螺旋槳、電機(jī)和其他固定的組件共同組合而成，負(fù)責(zé)為飛行器提供動(dòng)力，一般會(huì)被安裝于飛行器四軸的尾端部分。而飛行器控制部分則主要包括遙控接收、主控制器以及姿態(tài)采集、超聲波避障等，一般位于飛行器四軸的中心點(diǎn)位置處用于對飛行器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行有效控制。而機(jī)身部分則通常規(guī)定在旋翼和飛行器控制模塊當(dāng)中，一般多由各種電機(jī)構(gòu)成[1]。

（二）工作原理

作為旋翼飛行器當(dāng)中的一種，自軸飛行器的運(yùn)動(dòng)原理基本等同于直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理，但相比之下，其只需要承受飛行器本身以及螺旋槳產(chǎn)生的力和力矩。另外，四軸飛行器主要是通過利用其四個(gè)螺旋槳對各電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以完成對槳翼產(chǎn)生扭矩以及升力的變化，從而控制四軸飛行器能夠始終具有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。在四軸飛行器當(dāng)中，其主要可以進(jìn)行上下、前后、側(cè)向以及水平轉(zhuǎn)動(dòng)這四種飛行運(yùn)動(dòng)，均由四個(gè)螺旋槳控制轉(zhuǎn)速的方式完成飛行器的姿態(tài)控制。

二、基于四軸飛行器管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

（一）硬件系統(tǒng)

1.控制器

四軸飛行器管道機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備體積小、功耗低同時(shí)具有較高可靠性和良好功能等眾多優(yōu)勢特點(diǎn)，因此在選擇控制器芯片當(dāng)中，需要保障控制器的處理速度比較快，A/D轉(zhuǎn)換器不僅精度較高且能夠完全集成在飛行器內(nèi)部，同時(shí)控制器還需要有充足的ROM、RAM以及多個(gè)PWM口和定時(shí)/計(jì)數(shù)器模塊。在對經(jīng)濟(jì)成本以及性能、功耗等因素進(jìn)行多方考慮之后，本文選擇使用ST公司最新推出的一款微處理控制器，其通過使用最新ARM構(gòu)架，最高時(shí)主頻可以達(dá)到72MHz，同時(shí)其較低的成本與能耗，以及高處理性能使其能夠有效滿足四軸飛行器管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。

2.姿態(tài)檢測模塊

在姿態(tài)檢測模塊當(dāng)中，為了確保飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)飛行，通常需要磁力計(jì)、超聲波傳感器、氣壓傳感器等眾多姿態(tài)檢測器件，由其分別負(fù)責(zé)檢測各數(shù)據(jù)并及時(shí)將其傳遞至主控芯片當(dāng)中，在經(jīng)由主控芯片的分析之后對飛行器各旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而保障飛行器具有正確的飛行發(fā)現(xiàn)和平穩(wěn)的飛行姿態(tài)。但從經(jīng)濟(jì)成本以及其他影響因素的角度出發(fā)，本文將在姿態(tài)測量器件當(dāng)中只保留角速度傳感器、加速度傳感器以及超聲波傳感器。由這三種傳感器實(shí)時(shí)測量模擬量，并及時(shí)將轉(zhuǎn)化成數(shù)字量之后進(jìn)行輸出使得用戶能夠更加精確地對控制器測量范圍和飛行器運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制。

3.超聲波測距模塊

在超聲波傳感器當(dāng)中主要有兩個(gè)超聲探頭，分別負(fù)責(zé)進(jìn)行接收和發(fā)射，其在進(jìn)行測距時(shí)主要是利用聲音的傳播和反射原理。超聲波傳感器通過對發(fā)出的超聲波在遇到障礙物后反射回來的具體時(shí)長進(jìn)行準(zhǔn)確測量，從而利用已知在空氣中超聲波的傳播速度，利用公式：

即可準(zhǔn)確求出發(fā)射超聲波的點(diǎn)矩障礙物的距離。和其他的傳感器相比，超聲波測距傳感器具有較為精確的方向性，在進(jìn)行定向超聲波發(fā)射時(shí)操作比較簡便，適用于遠(yuǎn)距離測量。因此本文在四軸飛行器管道機(jī)器人的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中選擇使用超聲波傳感器完成障礙躲避的任務(wù)。

4.無線網(wǎng)傳輸模塊

在當(dāng)前我國通信傳輸技術(shù)不斷發(fā)展的背景之下，以WiFi為代表的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的普及使用，鑒于飛行器本身小體積和低功耗的特性，在傳輸模塊當(dāng)中本文將設(shè)計(jì)使用WiFi傳輸模塊，在模塊當(dāng)中具有TCP/IP協(xié)議棧，使得包括以太網(wǎng)、無線網(wǎng)等在內(nèi)的各個(gè)接口能夠?qū)崿F(xiàn)任意轉(zhuǎn)換，在連接因特網(wǎng)的情況下可以高效完成信息數(shù)據(jù)的傳輸。通常在無障礙物情況下，無線網(wǎng)傳輸模塊能夠輕松完成距離大約在300米的數(shù)據(jù)傳輸，但如果有障礙物則傳輸距離大約在100米左右但是可以穿透三層墻左右的厚度，基本能夠滿足飛行器的信號和數(shù)據(jù)傳輸要求[2]。

5.設(shè)計(jì)電路板

在四軸飛行器管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)當(dāng)中，控制電路同樣需要得到相應(yīng)的重視，在本文設(shè)計(jì)的飛行器控制系統(tǒng)當(dāng)中，出于保障電路和電源穩(wěn)定的原則，需要使用電源直接為槳翼電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定供電，另外考慮到控制器和各傳感器并不需要較高功率，因此本次設(shè)計(jì)的電壓選擇為3.3V，在穩(wěn)壓芯片方面本文選擇的是某公司生產(chǎn)的電源芯片，該芯片輸出的電流最高可以達(dá)到1A，輸出電壓的最高也可達(dá)到2%的高精度，加之其具備過熱切斷和限流等功能，因此能夠較好地為飛行器控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。

（二）軟件系統(tǒng)

1.總體設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的飛行器控制系統(tǒng)當(dāng)中同一使用C語言進(jìn)行軟件程序編寫，在系統(tǒng)運(yùn)行之后由MPU-6050負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)對飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行檢測，并將檢測得到的信息數(shù)據(jù)直接通過無線傳輸模塊反饋至主控芯片當(dāng)中，而在完成飛行指令接受之后將由主控芯片負(fù)責(zé)融合姿態(tài)和超聲波傳感器等采集得到的檢測數(shù)據(jù)，并經(jīng)由控制器完成相應(yīng)的反饋調(diào)節(jié)，使得飛行器能夠始終保持平穩(wěn)的飛行姿態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過對飛行器中各電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行解算，而在電機(jī)控制當(dāng)中則主要利用PWM波。總體來說，系統(tǒng)在進(jìn)行初始化之后，需要由傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和基準(zhǔn)校驗(yàn)，如果此時(shí)存在啟動(dòng)信號則需要加載調(diào)節(jié)參數(shù)并利用超聲波測距模塊對障礙物進(jìn)行判斷，如果存在障礙物則需要在對其方位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷的同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的屏蔽控制信號；如果沒有障礙物則可以讀取控制信號和傳感器信號即可，之后需要對飛行姿態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，最后關(guān)閉電源完成此次飛行控制。

2.避障程序

通過利用超聲波傳感器對飛行器四周是否有障礙物進(jìn)行判斷，如果發(fā)現(xiàn)存在障礙物則需要將相關(guān)信號發(fā)送至出主芯片當(dāng)中，尤其判斷出障礙物的具體方位并發(fā)送相應(yīng)的避障指令，此時(shí)飛行器將按照相應(yīng)的避障指令進(jìn)行飛行從而完成超聲波避障。超聲波測距傳感器中的發(fā)射探頭將通過發(fā)射超聲波的方式判斷是否存在障礙物，而利用傳感器計(jì)算超聲波在遇到障礙物反射回來的時(shí)間，以及空氣中超聲波的傳播速度等對障礙物的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測算，并由此判斷出障礙物的具體方位，在將避障信號發(fā)送到主芯片處之后，飛行器將自動(dòng)進(jìn)行避障飛行。但在這一過程當(dāng)中，飛行器將持續(xù)進(jìn)行障礙物檢測，并一直保持避障飛行姿態(tài)直至完全無法檢測出障礙物[3]。另外，如果飛行器的四周均存在障礙物，則此時(shí)飛行器將保持懸停狀態(tài)，如果檢測后發(fā)現(xiàn)相反方向沒有障礙物，則直接向無障礙物方向飛行，但如果檢測前后或是左右存在障礙物，則需要對另外兩個(gè)方向是否存在障礙物進(jìn)行測算，如果沒有障礙物則飛行器將隨機(jī)從中選擇一個(gè)方向進(jìn)行避障飛行，但如果在另外兩個(gè)方向中，仍然有一個(gè)方向存在障礙物則飛行器將直接選擇無障礙物的方向進(jìn)行避障飛行。

3.調(diào)試實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器管道機(jī)器人的各項(xiàng)性能，將對其進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)。首先實(shí)驗(yàn)環(huán)境為光照合適的密閉室內(nèi)，測試管道為紙質(zhì)的30cm×30cm方形管道，在對機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)試之后，選擇使用3.7V的鋰電池為機(jī)器人供電，并將測試距離設(shè)定為十米。經(jīng)過調(diào)試實(shí)驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)四軸飛行器機(jī)器人基本能夠保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，但飛行器在下降至距離地面兩米之后在此上升回距離地面十米的高度需要花費(fèi)較長的時(shí)間，并且在上升過程中飛行器會(huì)出現(xiàn)輕微的抖動(dòng)情況，為此在后期我們通過對PID參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整測試，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在下降至距地面五米后再次上升回距地面十米的高度，并保持懸停的飛行狀態(tài)時(shí)不僅用時(shí)可以得到有效控制，同時(shí)其原本的抖動(dòng)情況也大有改善。另外，在對超聲波避障功能進(jìn)行測試的過程當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的四軸飛行器管道機(jī)器人基本上能夠較好地完成靜態(tài)的自動(dòng)避障，但障礙物不僅保持靜止?fàn)顟B(tài)，而且避障飛行動(dòng)作也相對比較簡單，后期在進(jìn)行動(dòng)態(tài)障礙物設(shè)置和避障飛行的測試當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量迅速增加，而超聲波傳感器在進(jìn)行處理的過程中速度明顯減慢，雖然最后基本能夠完成避障飛行，但需要花費(fèi)較長的時(shí)間，這也意味著還需要在此對平衡算法下的PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

三、結(jié)束語

總而言之，本文從簡要分析四軸飛行器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理入手，在此基礎(chǔ)之上，從硬件系統(tǒng)包括控制器、姿態(tài)檢測、超聲波測距、無線網(wǎng)傳輸?shù)纫约鞍ū苷铣绦蛟趦?nèi)的軟件系統(tǒng)的角度，對設(shè)計(jì)基于四軸飛行器的管道機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)研究。而后經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人具有較好的實(shí)用性和可行性，對日后的管道作業(yè)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]張少華．基于四軸飛行器的管道機(jī)器人研究[D]．蘇州大學(xué),2014．[2]付瑩．基于四軸飛行器的管道機(jī)器人研究[D]．哈爾濱理工大學(xué),2015．[3]李浩蜜,任思宇,宮毅非,徐超健．基于四軸飛行器的運(yùn)載機(jī)器人設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2015,10:123-125．