可飛行機(jī)器人電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳子騰 張浩 劉偉權(quán) 黃梓昊

六足飛行機(jī)器人的電氣系統(tǒng)是為滿足行走和飛行的需要而設(shè)計(jì)。包括信號(hào)及通信協(xié)議、處理單元、執(zhí)行器、傳感器和其他外圍設(shè)備，按功能把將這些硬件集成為3個(gè)PCB。其它配電設(shè)備包括電池和調(diào)壓器。_book-mark52電子產(chǎn)品在開發(fā)過程中均進(jìn)行模塊化，盡可能的對(duì)分線板、螺紋端子及電線連接進(jìn)行組合，這可以很容易在不影響其他組件的情況下進(jìn)行升級(jí)、更換及擴(kuò)展單個(gè)硬件。

盡管對(duì)于無人機(jī)及多足機(jī)器人的研究很多，但是在一個(gè)機(jī)器人身上結(jié)合步行及飛行功能的研究較少。本論文的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)并建立一個(gè)具有多軸飛行能力的六足飛行機(jī)器人。通過將飛行硬件直接嵌入具有三個(gè)關(guān)節(jié)（三個(gè)自由度）的腿部，以最小的復(fù)雜性提供全方位的行走能力。

通過結(jié)合單獨(dú)的多足或多翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)思路，采用自上而下的方法，設(shè)計(jì)了兩種運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人的結(jié)合體。針對(duì)最小的尺寸和重量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將飛行硬件直接嵌入到擺動(dòng)腿當(dāng)中，這種結(jié)構(gòu)將擺動(dòng)腿同時(shí)作為螺旋槳，支撐腿作為飛行時(shí)的起落架，有效地減小機(jī)器人尺寸，使外形結(jié)構(gòu)最小最優(yōu)化。

1???? 主控系統(tǒng)

選擇ODROID-C1+作為單板機(jī)運(yùn)行ROS和更高級(jí)別的處理單元。該模塊采用1.5GHz四核ARM Cortex-A5處理器，并安裝Ubuntu14.04操作系統(tǒng)以支持ROS。連接Wi-Fi適配器和Xbox無線接收器的O-DROID-C1+，_bookmark41為機(jī)器人提供近距離無線測(cè)試功能，如果需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行測(cè)試，則可以增加一個(gè)射頻接收器。外部設(shè)備連接設(shè)計(jì)為USB接口，方便后期連接其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2???? 硬件接口系統(tǒng)

將所有的傳感器和執(zhí)行器與Teensy3.2單片機(jī)連接，集成一個(gè)PCB。隔離板用于連接電線和分線板，可以_bookmark42通過一定數(shù)量的電路來管理所有信號(hào)，其中包括一個(gè)NXP PCA9547八通道I2C多路復(fù)用器，用于在四個(gè)紅外感器板和裝有慣性處理單元和高度計(jì)的Adafruit10-DOF分線板之間進(jìn)行選擇處理。

由于四個(gè)紅外傳感器板相同，且與10-DOF板上的集成電路共享地址，采用多路技術(shù)可以避免I2C地址沖突。其他電路包括用于將單片機(jī)的全雙工串行硬件線路轉(zhuǎn)換為AX-12A伺服系統(tǒng)的半雙工串行線路，這是通過Philips74LVC2G125雙總線驅(qū)動(dòng)器將單片機(jī)發(fā)送和接收引腳傳輸?shù)剿欧?shù)據(jù)線來實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)包含74LVC1G14單觸發(fā)逆變器的二極管用于確保單個(gè)單片機(jī)輸出引腳能夠接收及發(fā)送信號(hào)，使用逆變器確保兩條線路不能同時(shí)連通。伺服線與PCB上的Molex22-03-5035SPOX接頭連接。

插入了Teensy3.2單片機(jī)、Adafruit10-DOF分線板和Adafruit GPS分線板的硬件接口電路板，這里采用直接插拔的形式_bookmark43方便去除和更換。左邊的接頭接收來自I2C外圍設(shè)備的輸入信號(hào)，并向推力電機(jī)的ESC提供脈寬調(diào)節(jié)（PWM）信號(hào)。

使用Pololu VL53L0X紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)機(jī)器人距離起飛時(shí)相對(duì)地面的距離，距離信息可以用于執(zhí)行自主起飛和降落程序。該傳感器通過紅外激光進(jìn)行測(cè)量，可以在1毫米分辨率下測(cè)量2米的距離。_bookmark48

3???? 紅外傳感系統(tǒng)

紅外傳感裝置_bookmark40PCB安裝在飛行推升電機(jī)下方，并由交流紅外探測(cè)器和發(fā)射器組成一個(gè)圓形陣列，通過檢測(cè)電機(jī)周圍反射回來的紅外光強(qiáng)度確定螺旋槳的方向，驗(yàn)證螺旋槳是否折疊，從而判斷是否從飛行模式切換為步行模式。12對(duì)發(fā)射—探測(cè)器確保螺旋槳角度的精確性，如圖3.8所示，其中紅外組件半透明材料制成的零件支撐，_bookmark49紅外元件間隔安裝在靠近螺旋槳的一側(cè)，同時(shí)半透明材料允許下方電路板上八個(gè)RGB-LED的光透射進(jìn)來。RGB-LED通過改變光線強(qiáng)度和顏色，傳達(dá)機(jī)器人的狀態(tài)。

三個(gè)集成電路其中兩個(gè)為TLC59116恒流LED驅(qū)動(dòng)器，直接為紅外和RGB-LED供電。另一個(gè)為MAX11611模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于測(cè)量紅外反射光的強(qiáng)度。紅外探測(cè)器采用分壓器網(wǎng)絡(luò)布線，當(dāng)檢測(cè)的紅外光增加時(shí)，則電壓增加。集成電路使用數(shù)字I2C協(xié)議進(jìn)行通信，僅用四條線路控制整個(gè)PCB的電源、地面、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。由于四個(gè)紅外傳感器PCB都共享相同的I2C地址，所以使用一個(gè)I2C多路復(fù)用器來確保一次只連接一個(gè)PCB。

4???? 配電系統(tǒng)

電源分配PCB_bookmark52連接線上數(shù)值表示相關(guān)路徑上電壓的大小。機(jī)器人的電源由兩顆3S鋰電池提供，其容量和放電能力分別為6200mAh和40C，將兩顆電池串聯(lián)在一起，在6S的等效配置下能夠產(chǎn)生22.2V電壓。_bookmark53電池電壓正常時(shí)為22.2V（每顆3.7V），充滿電后為25.2V（每顆4.2V）。最大放電量為40C（248A），足夠提供40A的最大ESCs飛行。

_bookmark40引線接入額定50A的Molex38969接線盒。電壓通過PCB側(cè)邊的15A端子傳導(dǎo)至螺旋槳推升電機(jī)ESC。電池分別為3.3V/5V/12V的調(diào)節(jié)器提供輸入電壓，向其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電壓軌。_bookmark54

3.3V和5V邏輯電平調(diào)節(jié)器直接焊接在PCB板的底部。不采用插拔式的設(shè)計(jì)主要是由于調(diào)節(jié)器在通電時(shí)插進(jìn)去，會(huì)導(dǎo)致邏輯電平輸出的輸入電壓出現(xiàn)峰值，調(diào)節(jié)器的輸出電壓在維持3.3V之前躍升至22.2V，這個(gè)階躍電壓足以燒壞與其連接的電路，所以調(diào)節(jié)器采用焊接形式，通過瞬態(tài)電壓抑制二極管防止燒壞電路。

DROK電壓調(diào)節(jié)器為伺服電機(jī)提供12V的電壓。_bookmark58電壓是通過兩個(gè)Trossen Robotics6端口AX/MX電源樞紐傳輸?shù)剿欧到y(tǒng)，分別為_bookmark593.3V、5V和12V的調(diào)節(jié)器選擇2.6A、2.5A和8A的連續(xù)電流，使其能夠滿足每個(gè)與其連接的電路。每個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入電源均來自電池，以防止層級(jí)斷電的情況。

為了實(shí)現(xiàn)以監(jiān)控四條電壓軌的功耗，將四個(gè)TI INA219B功率監(jiān)控器集成電路與并聯(lián)電阻相連接。該芯片包含一個(gè)測(cè)量分流電阻電壓的ADC，可以提供總線電壓、電流流量和功耗值。_bookmark55INA219B芯片包含一個(gè)內(nèi)部可編程的增益放大器，最低單位為±40mV的增益電壓用于最低的分流電阻功耗。

將PCB、12V調(diào)節(jié)器和伺服樞紐固定在框架上，這樣可以將高壓組件與邏輯級(jí)處理器隔離。_bookmark61_bookmark62

5???? 結(jié)論

機(jī)器人電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)，考慮了機(jī)器人的工作特性，對(duì)機(jī)器人主控系統(tǒng)、硬件接口系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)及配電系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。考慮了機(jī)器人可折疊的特性，設(shè)置紅外傳感器以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的折疊識(shí)別。同時(shí)考慮到不同邏輯級(jí)工作所需電壓的不同，為機(jī)器人設(shè)計(jì)了配電系統(tǒng)。

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項(xiàng)目來源：2020年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃