空中排爆機(jī)器人

李燕煒，趙愚，梁景明，張建輝，王震

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300000）

隨著科技的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)進(jìn)入了我們的生活，20世紀(jì)初，無(wú)人機(jī)在英國(guó)問(wèn)世，過(guò)了一段時(shí)間之后才有所發(fā)展，到現(xiàn)在，在軍用和民用上都有很好的前景，無(wú)人機(jī)已經(jīng)相對(duì)的比較常見(jiàn)，按照用途來(lái)說(shuō)，大致分為軍用及民用，無(wú)人機(jī)相對(duì)于有人機(jī)來(lái)說(shuō)，價(jià)格、成本低，體積小，基本不會(huì)出現(xiàn)人員的傷亡。

排爆機(jī)器人它的最主要的功能就是找到可疑的危險(xiǎn)品，容易爆炸的物品，之后進(jìn)行銷(xiāo)毀，或者把易爆物品帶出來(lái)交由專業(yè)人員處理，機(jī)器人代替有關(guān)人員來(lái)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的話，人的人身安全得到保障，人員傷亡就很大程度上避免了，這樣的機(jī)器人，可以把危險(xiǎn)物品運(yùn)到對(duì)周?chē)娜?、物沒(méi)有破壞的地方，還有可以定位，以便人快速動(dòng)作，找到安全隱患。人雖然比較靈活，比機(jī)器人多了思考能力，拿當(dāng)?shù)貑T工來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T對(duì)地形能做到熟悉，但這種熟悉僅僅是對(duì)這個(gè)人而言，對(duì)其他人不作數(shù)，不能把信息準(zhǔn)確的進(jìn)行共享，說(shuō)出來(lái)的不能精確到具體的位置，而機(jī)器人就不一樣，它提供的數(shù)據(jù)是唯一的，不是模糊不清的，很直觀，通過(guò)數(shù)據(jù)靠著設(shè)備任何人都能找到那個(gè)點(diǎn)，這種反饋是緊急情況中最需要的，具體地點(diǎn)，及其周?chē)那闆r都準(zhǔn)確真實(shí)的呈現(xiàn)出來(lái)，以便人制定接下來(lái)的措施，節(jié)省出大量的時(shí)間，后續(xù)的工作可以穩(wěn)定進(jìn)行，工作的效率大大提升，成功率也隨之高了。

我們身邊或多或少都會(huì)存在一些危險(xiǎn)的事物，就會(huì)需要一些在高危的崗位上工作，比如說(shuō)銷(xiāo)毀和檢測(cè)易爆炸的可疑物，這時(shí)排爆機(jī)器人就會(huì)派上用場(chǎng)，大大減小不必要的人員傷亡，工作人員自身安全系數(shù)提高，排爆機(jī)器人可以在很多范圍內(nèi)使用，不受地形的限制，可用在地形較為復(fù)雜的地區(qū)，代替需要在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的人員進(jìn)行實(shí)地檢測(cè)，把工作效率有效的提高，在無(wú)人機(jī)上安裝多個(gè)攝像頭，充當(dāng)它的眼睛，無(wú)人機(jī)把它看到的東西反饋到接收屏幕上，及時(shí)、快速的把現(xiàn)場(chǎng)狀況、地形的圖片反饋回來(lái)，信息更加準(zhǔn)確，節(jié)省不必要浪費(fèi)的時(shí)間，方便接下來(lái)制定合理的應(yīng)對(duì)方案和一定的措施進(jìn)行行動(dòng)。必要時(shí)可以代替工作人員對(duì)易爆物品進(jìn)行銷(xiāo)毀，可在無(wú)人機(jī)上配備相應(yīng)的檢測(cè)儀器。這個(gè)由我們?nèi)藶榈夭倏貦C(jī)器，遠(yuǎn)程操控，機(jī)器執(zhí)行我們發(fā)出的命令。

無(wú)人機(jī)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，飛機(jī)起飛或者降落都在飛機(jī)場(chǎng)，或者周?chē)芸諘绲牡胤?，安全性才更高，但無(wú)人機(jī)不會(huì)，對(duì)于起飛的場(chǎng)所，沒(méi)有特殊的規(guī)定，環(huán)境沒(méi)有特定的限制。無(wú)人機(jī)在未知且較復(fù)雜的環(huán)境里工作，那么就要提高無(wú)人機(jī)的可靠性和安全性，能夠確保無(wú)人機(jī)可以安全的回到指定的地點(diǎn)在工作的時(shí)間如果突然出現(xiàn)問(wèn)題，或者在出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能夠及時(shí)的自己診斷問(wèn)題及時(shí)反饋回來(lái)，并且盡可能快的離開(kāi)危險(xiǎn)的環(huán)境，減少無(wú)人機(jī)的傷亡，這樣無(wú)人機(jī)才能繼續(xù)未完成的工作，最終安全的返回。

最開(kāi)始的戰(zhàn)爭(zhēng)基本都是陸地上戰(zhàn)斗，慢慢的發(fā)展到空中作戰(zhàn)，誰(shuí)掌握了空中的主動(dòng)權(quán)，誰(shuí)就掌握優(yōu)先權(quán)，但是戰(zhàn)爭(zhēng)最后的損失是不可估量的，前期要投入大量的人力、物力、財(cái)力，來(lái)為戰(zhàn)爭(zhēng)做鋪墊，飛機(jī)前期的研發(fā)需要投入許多，比如技術(shù)、科研人員、財(cái)力的支持，戰(zhàn)斗時(shí)殺傷力很大，很占優(yōu)勢(shì)，但是每當(dāng)戰(zhàn)機(jī)在空中被擊中，就是一筆不小的損失，且損失無(wú)法彌補(bǔ)，加上空中作戰(zhàn)不可能只有飛機(jī)，還有飛行員，飛行員的培養(yǎng)也很不容易，一旦犧牲，損失也是相當(dāng)大。正是有了這樣的認(rèn)知，人們開(kāi)始把把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)上，讓無(wú)人機(jī)代替人做危險(xiǎn)的事，減少人員的傷亡，把無(wú)人機(jī)投入使用，比起之前來(lái)說(shuō)，人員傷亡率降低，同樣的成功率也大大提升。無(wú)人機(jī)正不斷的興起，慢慢無(wú)人機(jī)所涉及的領(lǐng)域越來(lái)越多。

1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展

在一些西方的國(guó)家，社會(huì)治安不是很好，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)恐怖襲擊的情況，那么他們的政府就比較重視這方面的問(wèn)題，在排爆的方面就會(huì)投入較多的人力物力財(cái)力，對(duì)這方面有較多的技術(shù)研究，排爆機(jī)器人這方面發(fā)展的就比較快，技術(shù)領(lǐng)先的的國(guó)家有日本、法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等等，用在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中的大概有輪式、履帶式的這兩種，或者再把這兩者再進(jìn)行結(jié)合。這樣的機(jī)器人小巧，較為靈活，體積較小，能在許多環(huán)境中進(jìn)行工作，從而進(jìn)行危險(xiǎn)品、易燃易爆品的搜尋。排爆機(jī)器人的作用不僅只有排爆，還可以對(duì)可疑的人物進(jìn)行監(jiān)控，在不暴露自己的情況下，對(duì)他們進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，跟蹤，監(jiān)聽(tīng)談話內(nèi)容，大大降低了人員的傷亡損失。

我國(guó)也在軍事上投入了許多，自主的研發(fā)出屬于自己排爆機(jī)器人，如“靈蜥”，在我們自己的國(guó)家這個(gè)技術(shù)已經(jīng)很好了，并且在世界上也比較領(lǐng)先。這個(gè)技術(shù)的研發(fā)比較超前，多用于反恐中，可以銷(xiāo)毀、抓取易爆品。比起一般的機(jī)器人能夠更加快速、平穩(wěn)的進(jìn)行工作，還能越過(guò)一定的阻攔物，對(duì)于環(huán)境沒(méi)有特定的要求，可以在比較困難的工作環(huán)境里正常的進(jìn)行工作，提供緊急準(zhǔn)確的情報(bào)，按照指示迅速進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，在面對(duì)一些突發(fā)的事件，那么無(wú)人機(jī)器人就可以迅速的投入到工作中去。在戰(zhàn)爭(zhēng)中多用體型較為小巧的機(jī)器人進(jìn)行工作，對(duì)于比較大的一些排爆機(jī)器人的話，武警部隊(duì)等也投入了使用。

空中排爆機(jī)器人基于無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)加裝排爆機(jī)械手，實(shí)時(shí)圖像采集傳輸系統(tǒng)，將傳統(tǒng)排爆機(jī)器人和無(wú)人機(jī)結(jié)合起來(lái)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，克服陸地機(jī)器人行動(dòng)速度慢，視野局限，環(huán)境適應(yīng)性差等缺陷。陸地排爆機(jī)器人和空中排爆機(jī)器人都各有優(yōu)勢(shì)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，以便更好地完成任務(wù)。

圖1 外觀設(shè)計(jì)圖

圖2 實(shí)物圖

2 GPS-RTK 模塊

RTK（Real - time kinematic，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法，將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。這是一種新的常用的衛(wèi)星定位測(cè)量方法，以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了作業(yè)效率。

空中排爆機(jī)器人搭載GPS-RTK，使其定位精度達(dá)到厘米級(jí)，并且實(shí)時(shí)反應(yīng)無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)坐標(biāo)，海拔高度等重要戰(zhàn)略信息，為任務(wù)的完成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，很多無(wú)人機(jī)應(yīng)用需要高于傳統(tǒng)GNSS提供的精度，例如，無(wú)人機(jī)繪圖、農(nóng)業(yè)測(cè)量、高精度起降等場(chǎng)景，GPS-RTK 差分模塊可以很快速的切入絕大部分需要精準(zhǔn)定位的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3 GPS—RTK 模塊

3 RPi Zero FPV模塊

Zero體積小巧 (可以當(dāng)鑰匙扣)，性能足夠，兼容樹(shù)莓派軟硬件資源，這幾點(diǎn)讓它非常適合做一些硬件相關(guān)的創(chuàng)意項(xiàng)目。通過(guò)GPIO接口供電，OTG接口連接USB無(wú)線網(wǎng)卡與胖噠通訊，搭建Web服務(wù)器向LattePanda傳輸視頻流。

為空中排爆機(jī)器人搭載樹(shù)莓派高清圖傳模塊能夠在100ms左右的延遲下實(shí)時(shí)回傳機(jī)器人攝像頭檢測(cè)的高清畫(huà)面，清晰度高達(dá)1080p，在高清的圖像環(huán)境下地面指揮工作人員能對(duì)任務(wù)的各個(gè)可能發(fā)生事件進(jìn)行更精準(zhǔn)的判斷。并且該模塊能夠雙向傳輸數(shù)據(jù)，能夠在地面站檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)、溫度、偏航狀態(tài)、飛行高度速度等，然后即使對(duì)機(jī)器人發(fā)出控制指令。

圖4 RPi Zero FPV模塊

4 機(jī)械臂模塊

機(jī)械臂模塊為空中排爆機(jī)器人的最重要的一個(gè)模塊，它是和任務(wù)目標(biāo)直接接觸的模塊，具有靈活的替換性，根據(jù)任務(wù)的具體情況搭載不同性能的機(jī)械手模塊。如果是直接爆破任務(wù)，就可以搭載爆破鉗機(jī)械手抵達(dá)目標(biāo)出直接進(jìn)行爆破；如果需要夾取目標(biāo)物，就可以搭載能精準(zhǔn)控制的機(jī)械爪模塊。

圖5 機(jī)械臂模塊

目前的機(jī)械臂技術(shù)完全能夠達(dá)到精準(zhǔn)控制等要求，為空中排爆機(jī)器人設(shè)計(jì)的機(jī)械臂模塊不但有精準(zhǔn)控制等要求，還必須在保證性能要求的前提下盡可能減輕重量，機(jī)器人的重量直接影響到飛行器的續(xù)航和飛行性能。最好多運(yùn)用碳纖維材料，碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無(wú)蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過(guò)性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。

圖6 碳纖維板