基于apm.飛控的自主行進(jìn)式救援履帶機(jī)器人設(shè)計(jì)

馬?？　⊙P峰

【摘 要】針對傳統(tǒng)救援機(jī)器人在救援過程中無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、操縱復(fù)雜等缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)基于APM2.8飛控系統(tǒng)智能救援履帶機(jī)器人主要是采用移植飛控的自動(dòng)駕駛、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳輸功能到地面車輛平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了地面車輛在廣闊區(qū)依賴GPS的自動(dòng)路線巡航，操作簡單，解決了在自然災(zāi)害發(fā)生后大范圍的巡查效率低、傳統(tǒng)救援機(jī)器人操縱復(fù)雜等問題。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)駕駛；救援機(jī)器人；APM2.8飛控；遙控機(jī)械手

0 前言

近些年，戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等突發(fā)事件，地震、海嘯等自然災(zāi)害及潛在的核、化、生和爆炸物等嚴(yán)重威脅著人類的生命與財(cái)產(chǎn)安全。災(zāi)難發(fā)生后的72小時(shí)為黃金搶救時(shí)間，但受災(zāi)難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的影響，救援人員難以快速、高效、安全地進(jìn)行工作，且救援任務(wù)逐漸超出了救援人員的能力范圍。因此，救援機(jī)器人已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。但是傳統(tǒng)救援機(jī)器人搜救中，救援機(jī)器人的搜索半徑往往較小，而且搜救環(huán)境往往復(fù)雜多變，在有些大范圍搜查救援中往往采取人力搜查。傳統(tǒng)救援機(jī)器人進(jìn)行搜救工作需要人工操作，既要進(jìn)行駕駛又要進(jìn)行信息采集，效率很低。這些原因致使地面救援機(jī)器人無法在大范圍的救援巡查中的發(fā)展與應(yīng)用。在國內(nèi)，救災(zāi)機(jī)器人的研究起步較晚，但受到的重視程度很高。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要采用手持遙控器和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，其中遙控器控制機(jī)械手模塊和高壓水泵，還可切換APM 2.8飛控的控制模式，計(jì)算機(jī)控制通過433MHz的數(shù)據(jù)傳輸模塊導(dǎo)入機(jī)器人的預(yù)訂行進(jìn)路線，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人各種數(shù)據(jù)，如機(jī)器人所搭載的攝像頭將現(xiàn)場視頻信號傳入飛控的osd視頻疊加模塊，該模塊將機(jī)器人的電池電壓、位置、信號強(qiáng)度等信息疊加在視頻信號中，然后通過圖像傳輸模塊將視頻信息回傳至監(jiān)控屏幕。機(jī)器人各功能模塊及實(shí)物分別如圖1，2所示。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)組成

機(jī)械人系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種操控模式可及時(shí)切換。在手動(dòng)模式中，操縱者觀察利屏幕圖像（圖3），通過wfly9型調(diào)頻遙控器選擇手動(dòng)模式，APM2.8飛控系統(tǒng)不介入機(jī)器人行進(jìn)的控制，遙控器直接通過pwm信號通過電子調(diào)速器操控驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來操縱機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎。整套系統(tǒng)中機(jī)器手、消防水泵、相機(jī)云臺(tái)始終處于手動(dòng)控制狀。手動(dòng)模式適用于無GPS信號，地形復(fù)雜，任務(wù)復(fù)雜的情況。當(dāng)GPS信號良好且需要進(jìn)行大規(guī)模巡查時(shí)即可通過wfly9 遙控器切換至自動(dòng)模式。自動(dòng)控制模式需要地面站軟件對機(jī)器人巡查的路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊寫入apm2.8飛控系統(tǒng)。機(jī)器人將按照設(shè)計(jì)路徑自動(dòng)駕駛，如果遙控器信號丟失，機(jī)器人將進(jìn)入失控返航模式，利用GPS信號回到機(jī)器人開機(jī)地點(diǎn)。在巡航過程中操縱者可以利用機(jī)器人頭部搭載三軸陀螺儀感知頭部運(yùn)動(dòng)，利用遙控器直接操控?cái)z像頭云臺(tái)的兩個(gè)舵機(jī)，從而更靈活調(diào)整攝像頭朝向，對周邊環(huán)境靈活觀察，如果發(fā)現(xiàn)緊急情況可以立即切換到手動(dòng)模式進(jìn)行處置。該機(jī)器人配置了水泵和水箱具有一定的消防能力。此外，機(jī)械手采用六個(gè)mg996r舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過遙控控制機(jī)械手前端可進(jìn)行高扭矩機(jī)械抓取動(dòng)作。

1.數(shù)據(jù)傳輸模塊；2.APM2.8飛控；3.GPS模塊；4.圖像傳輸模塊；5.天地飛九接收機(jī)；6.高壓水泵；7.機(jī)械手模塊；8.攝像頭

2 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體部分----硬件核心為APM2.8飛控核心MCU，并整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件MPU6000。高度測量功能采用高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS-5611，GPS定位模塊選用MTK 3329，存儲(chǔ)部分采用板載16MB的AT45DB161D存儲(chǔ)器。信息采集功能選用OSD模塊將機(jī)器人姿態(tài)、模式、速度、位置等重要數(shù)據(jù)疊加到圖像上實(shí)時(shí)回傳，機(jī)械手采用大扭力舵機(jī)jx6221。

遙控部分----Wfly9是一款2.4GHz跳頻9通道遙控器（如圖4所示），采用了高速度，高分辨率，優(yōu)化的2.4GHz PCMS 4096制式，具有很高的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件

控制計(jì)算機(jī)使用開源的地面站軟件Mission planner（圖5）。該軟件可以完成飛控的初始設(shè)置完成對電機(jī)調(diào)速器、舵機(jī)的方向、行程的設(shè)置。該軟件可以對飛控進(jìn)行航點(diǎn)編輯導(dǎo)入：執(zhí)行任務(wù)前，軟件通過外網(wǎng)加載的離線衛(wèi)星地圖，也可以加載災(zāi)害發(fā)生后的航測圖，通過點(diǎn)擊地圖圖像獲得經(jīng)緯度參考點(diǎn)，逐一設(shè)置航點(diǎn)后可以設(shè)置機(jī)器人圍繞航點(diǎn)的自動(dòng)環(huán)繞偵查，之后完成對初始航點(diǎn)和結(jié)束航點(diǎn)的設(shè)置，設(shè)置完成后直接通過算法生成二進(jìn)制文件通過串口燒寫入飛控。

4 結(jié)論

該機(jī)器人采用的APM 2.8飛控系統(tǒng)可以完成127個(gè)航點(diǎn)路徑的自動(dòng)巡查，適用于3km范圍內(nèi)的自動(dòng)續(xù)航、探查填補(bǔ)了以往此類救援機(jī)器人的功能空白，由頭部動(dòng)作直接控制的相機(jī)云臺(tái)可以更加靈巧的控制CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)最大范圍的探查。這一救援機(jī)器人配備的消防系統(tǒng)可以執(zhí)行一些消防任務(wù)，也可以搭載其他模塊利用其自動(dòng)續(xù)航的功能實(shí)現(xiàn)其他功能大大提高巡查效率，減少搜救人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]