基于無人機(jī)的雪山垃圾回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證＊

范東漢，史昕怡，毛元賡，陳逸飛，高 堅(jiān)

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310002）

本項(xiàng)目的核心任務(wù)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)該自動(dòng)拾取投放裝置的設(shè)計(jì)、測(cè)試與驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物的自動(dòng)識(shí)別抓取，通過無人機(jī)飛躍障礙物抵達(dá)投放區(qū)域，機(jī)械臂接收投放指令，將所攜帶的目標(biāo)物放置到投放區(qū)域[1]。

1 模型直升機(jī)的選擇

機(jī)型為ALⅠGN-700-X電動(dòng)模型直升機(jī)。動(dòng)力搭配的具體情況如下：電池為格氏12S 50.4 V 5 500 mAh，馬達(dá)為850MX電機(jī)、490KV值，電調(diào)為好盈鉑金200 A電調(diào)。

升力配比的具體情況如表1所示。

表1 升力配比

模型直升機(jī)的動(dòng)力計(jì)算公式：主旋翼轉(zhuǎn)速=電壓×KV值÷齒數(shù)比×損耗×油門量。

所選用模型直升機(jī)的基本參數(shù)具體情況如表2所示。

表2 所選用模型直升機(jī)的基本參數(shù)

根據(jù)大槳轉(zhuǎn)速以及直升機(jī)搭配機(jī)械臂時(shí)因系統(tǒng)質(zhì)量上升的扭矩，最終選用4.43齒數(shù)比。

2 機(jī)載平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 類直升機(jī)式腳架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂腳架參考直升機(jī)以及常用科研多旋翼的設(shè)計(jì)，選用矩形框架式地面接觸結(jié)構(gòu)，矩形易變形特性的接觸折點(diǎn)用碳纖維板加固。機(jī)載平臺(tái)三維設(shè)計(jì)圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 機(jī)載平臺(tái)三維設(shè)計(jì)圖

圖2 實(shí)物圖

2.2 抓取投放裝置設(shè)計(jì)

機(jī)械臂運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)采用角度-距離極坐標(biāo)運(yùn)行方式，機(jī)械臂的伸縮利用氣動(dòng)單行程伸縮裝置，機(jī)械爪的張合控制通過利用舵機(jī)與球頭連桿結(jié)合實(shí)現(xiàn)，抓取則通過回退型氣動(dòng)伸縮機(jī)械爪來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)正六面體和球體來模仿垃圾進(jìn)行爪條抓取弧形以及點(diǎn)位的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，并通過實(shí)物制作來測(cè)試所設(shè)計(jì)的爪條抓取效果。部分改進(jìn)機(jī)械爪條的圖紙如圖3所示。

圖3 部分改進(jìn)機(jī)械爪條的圖紙

2.3 直線運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

直線運(yùn)動(dòng)模塊初步結(jié)構(gòu)實(shí)物展示如圖4所示。

圖4 直線運(yùn)動(dòng)模塊的初步結(jié)構(gòu)

2.4 氣動(dòng)抓取裝置設(shè)計(jì)

搭配氣動(dòng)的大推力伸縮機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的彈性回退型機(jī)械爪，該系統(tǒng)可在垃圾密集分布時(shí)無視周邊垃圾的卡位進(jìn)行無障礙抓取。機(jī)械爪的三維設(shè)計(jì)圖如圖5所示，機(jī)械爪的實(shí)物圖如圖6所示。

圖5 機(jī)械爪的三維設(shè)計(jì)圖

圖6 機(jī)械爪的實(shí)物圖

3 圖像處理方案

采用單攝像頭方案，圖像去畸變處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 畸變處理前后對(duì)比圖像

4 無線圖傳模塊

圖傳型號(hào)為PRO-SⅠGHT高清數(shù)字圖傳。選取該型號(hào)的具體原因：①數(shù)字圖傳采用加密傳輸方式，抗干擾能力較強(qiáng)；②圖像傳輸質(zhì)量高，分辨率達(dá)到720P；③該型號(hào)圖傳傳輸穩(wěn)定且圖像延遲低于0.02 s。

5 閉環(huán)式檢測(cè)反饋設(shè)計(jì)

閉環(huán)檢測(cè)反饋過程如圖8所示。直角坐標(biāo)系-極坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化程序處理如圖9所示。

圖8 閉環(huán)反饋檢測(cè)

圖9 程序處理

在顏色識(shí)別方面，將顏色分選表中的灰度值兩兩相減，取絕對(duì)值，選出最小值，將最小值除以2作為誤差標(biāo)準(zhǔn)。在圖像預(yù)處理結(jié)束后將閾值作為分辨物體和背景的標(biāo)準(zhǔn)。然后將絕對(duì)值與誤差標(biāo)準(zhǔn)相比較，如果滿足絕對(duì)值小于誤差標(biāo)準(zhǔn)，則這個(gè)物體的顏色就是該絕對(duì)值所對(duì)應(yīng)的顏色[2]。標(biāo)準(zhǔn)灰度值如圖10所示。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)灰度值

6 無人機(jī)驗(yàn)證

設(shè)置障礙物以模擬雪山復(fù)雜地形，無人機(jī)飛行至目標(biāo)所在區(qū)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別與抓取，待抓取成功后無人機(jī)跨越障礙物返回至目標(biāo)回收區(qū)，即完成測(cè)試。整體結(jié)構(gòu)展示與外場(chǎng)測(cè)試如圖11所示。

圖11 整體結(jié)構(gòu)展示與外場(chǎng)測(cè)試

無人機(jī)攜帶機(jī)載平臺(tái)飛行約670架次，單次飛躍障礙物平均用時(shí)9 s，單次降落平均用時(shí)4 s，單次抓取/投放平均用時(shí)4 s，抓取投放成功率在90%以上，圖像識(shí)別失誤率為1.67%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種基于機(jī)器視覺的無人機(jī)雪山垃圾回收系統(tǒng)，降低了人工作業(yè)的強(qiáng)度和危險(xiǎn)性，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)保障了清潔人員的人身安全。本項(xiàng)目既能帶來社會(huì)效益又能帶來經(jīng)濟(jì)效益[3]，可應(yīng)用于雪山垃圾回收的領(lǐng)域。