可用于大型室內(nèi)消殺任務(wù)的空地異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)研究

余秋月，羅佳維，鄧長(zhǎng)鑫，鄧豪東，項(xiàng)燊鵬，葉方達(dá)，陳媛

（武漢城市學(xué)院，湖北武漢， 430083）

目前，消殺工作主要分為人工噴灑消殺、自動(dòng)移動(dòng)小車消殺，以及室外的無人機(jī)消殺。人工消殺工作效率低，且對(duì)消殺人員的身體有一定的損傷。而自動(dòng)移動(dòng)小車的消殺在室內(nèi)行走受限，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋消殺。無人機(jī)的消殺工作主要用于室外，采用的是大型無人機(jī)，不適合室內(nèi)，若采用微型無人機(jī)則存在載荷問題，不能承載過多消殺液。針對(duì)以上問題，文章將微型無人機(jī)與地面移動(dòng)小車結(jié)合構(gòu)成空地異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)，用于對(duì)大型室內(nèi)空間的消殺工作，該消殺機(jī)器人系統(tǒng)可大大提高消殺效率和覆蓋率，對(duì)公共衛(wèi)生服務(wù)業(yè)、醫(yī)療業(yè)的未來發(fā)展有著重要的意義。

1 消殺機(jī)器人系統(tǒng)介紹

消殺機(jī)器人系統(tǒng)主要是用于大型室內(nèi)空間（特指環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的圖書館、實(shí)驗(yàn)室、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)等）的消殺工作的機(jī)械。該系統(tǒng)是由空中微型消殺無人機(jī)平臺(tái)，地面移動(dòng)熏蒸及補(bǔ)液平臺(tái)以及消殺監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 空地異構(gòu)消殺機(jī)器人

2 消殺機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■2.1 空中微型消殺無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空中消殺無人機(jī)是基于四旋翼涵道無人機(jī)，采用超聲波消毒振蕩?kù)F化的方法進(jìn)行室內(nèi)蒼術(shù)消毒液熏蒸消毒。相較于傳統(tǒng)四旋翼無人機(jī)而言，四旋翼涵道無人機(jī)在室內(nèi)空間飛行具有更加的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的四旋翼涵道無人機(jī)的旋翼容易損壞并且容易傷害到人，而四旋翼涵道無人機(jī)則有涵道，可以對(duì)旋翼起一定的保護(hù)作用，并防止高速的旋翼傷害到人，為室內(nèi)消殺工作的安全性提供了充分的保障。

在常見的四旋翼涵道機(jī)器人的基礎(chǔ)上，將四旋翼涵道進(jìn)行改造為藥箱，能夠儲(chǔ)存一定量的蒼術(shù)藥液，能夠在需要時(shí)進(jìn)行超聲波振蕩噴灑。并采用三葉漿與涵道配合的設(shè)計(jì)，使得裝置具有更小的噪音、更足的動(dòng)力、更大的升力。機(jī)身采用PP材料，PP材料具有密度低、強(qiáng)度大、力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。以上設(shè)計(jì)，能夠使消殺無人機(jī)平臺(tái)在進(jìn)行消殺工作時(shí)給人提供一個(gè)相對(duì)安靜、安全的環(huán)境。

■2.2 地面移動(dòng)熏蒸及補(bǔ)液小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面移動(dòng)熏蒸及補(bǔ)液小車的驅(qū)動(dòng)部分由四個(gè)定向輪構(gòu)成.輸入信號(hào)通過L298N調(diào)節(jié)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地面移動(dòng)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止運(yùn)動(dòng)。與足步式移動(dòng)結(jié)構(gòu)相比，輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且移動(dòng)速度較快。而在輪式結(jié)構(gòu)中，與兩輪、三輪結(jié)構(gòu)相比，四輪差速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

地面移動(dòng)熏蒸及補(bǔ)液小車的熏蒸消殺模塊內(nèi)有蓄電池、恒溫加熱器等器件，恒溫加熱器對(duì)裝置內(nèi)蒼術(shù)消毒液進(jìn)行加熱熏蒸，按照一定的路線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)地面的消殺工作。同時(shí)，配合消殺無人機(jī)空中超聲波霧化消殺，完成大型空間的雙重消殺工作。

母對(duì)接模塊采用倒錐形凹槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它與消殺無人機(jī)上的子錐對(duì)接模塊構(gòu)成錐－錐對(duì)接機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可大大提高空地對(duì)接的容差率。當(dāng)消殺無人機(jī)藥箱內(nèi)藥液不足時(shí)，通過WiFi協(xié)同通信，無人機(jī)將通過該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩平臺(tái)的快速對(duì)接。

圖2 母子對(duì)接模塊

3 消殺機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消殺機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)分為兩大部分：空中微型消殺無人機(jī)部分和地面熏蒸及補(bǔ)液小車部分。

■3.1 空中微型消殺無人機(jī)部分

該部分主要分為6模塊：（1）主控器Atmega2560屬于8位AVR微控制器，其工作頻率為16MHz，存儲(chǔ)可達(dá)64K字節(jié)的SRAM；（2）航姿參考系統(tǒng)（ARHS）主要由MPU6050（內(nèi)部集成了一個(gè)三軸陀螺儀與一個(gè)三軸加速度計(jì)）、三軸磁強(qiáng)計(jì)HMC5883L、氣壓計(jì)MS5611組成，主要功能是為主控器提供機(jī)器人在空中飛行時(shí)的航姿參考信息；（3）運(yùn)動(dòng)執(zhí)行終端為旋翼無刷電機(jī)；（4）避障模塊為激光傳感器；（5）消殺補(bǔ)液模塊為攝像頭、液位檢測(cè)傳感器和超聲波振蕩器；（6）無線通訊模塊。如圖3無人機(jī)總體控制結(jié)構(gòu)圖所示。

圖3 無人機(jī)總體控制結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 無人機(jī)飛行控制

四旋翼涵道無人機(jī)的飛行控制與傳統(tǒng)的無人機(jī)飛行方法一致，也是通過姿態(tài)角計(jì)算，以及雙閉環(huán)PID控制，對(duì)無人機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使機(jī)槳產(chǎn)生不同升力，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行動(dòng)作。

式(1)為解算出的當(dāng)前姿態(tài)角，其中?為航向角(Yaw)，θ為俯仰角（Pitch），γ為橫滾角（Roll）。q˙=q0+q1i+q2j+q3k為四元素的一般表示法。如圖4為無人機(jī)的雙閉環(huán)PID姿態(tài)控制器原理圖，控制器輸入為期望姿態(tài)角（遙控器輸入或預(yù)期計(jì)算所得），輸出為四個(gè)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)前進(jìn)、后退、左移、右移、懸停、偏航動(dòng)作。圖5為無人機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖。

圖4 無人機(jī)的雙閉環(huán)PID姿態(tài)控制器原理圖

圖5 無人機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖

3.1.2 自動(dòng)避障系統(tǒng)

無人機(jī)配有自動(dòng)避障系統(tǒng)，自動(dòng)避障系統(tǒng)是由激光傳感器與飛行控制系統(tǒng)組成，激光傳感器可檢測(cè)到一定范圍內(nèi)的障礙物，當(dāng)避障系統(tǒng)檢測(cè)到無人機(jī)與障礙物的距離接近設(shè)定的閾值時(shí)，飛行控制器將通過循跡算法對(duì)旋翼電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)避障。自動(dòng)避障模塊控制原理圖如圖6所示。

圖6 自動(dòng)避障模塊控制原理圖

圖7 消殺補(bǔ)液模塊控制原理圖

3.1.3 消殺補(bǔ)液模塊

消殺補(bǔ)液模塊包括藥液低位監(jiān)控、藥液振蕩?kù)F化、無線通訊等。當(dāng)液位檢測(cè)傳感器檢測(cè)到液位到達(dá)所設(shè)定的液位閾值后，無線通信模塊將把這一信息發(fā)送給地面小車，并等待接收小車位置坐標(biāo)。與此同時(shí)，超聲波振蕩器將停止工作。當(dāng)無人機(jī)接收到小車位置信息后，無人機(jī)將在飛控控制下朝小車方向飛去，靠近小車后，無人機(jī)通過視覺輔助找到母對(duì)接盤，并降落至此，完成平穩(wěn)對(duì)接。

■3.2 地面熏蒸及補(bǔ)液小車部分

地面熏蒸及補(bǔ)液小車包含：（1）主控器STM32F103，它屬于32位ARM微控制器，是由意法半導(dǎo)體公司（ST）出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，最高工作頻率為72MHz，最大存儲(chǔ)可達(dá)64K字節(jié)的SRAM；（2）位姿參考模塊，該部分主要由MPU6050（內(nèi)部集成了一個(gè)三軸陀螺儀與一個(gè)三軸加速度計(jì)）、三軸磁強(qiáng)計(jì)HMC5883L組成，主要功能是為主控器提供小車移動(dòng)時(shí)的位姿參考信息；（3）運(yùn)動(dòng)執(zhí)行終端為小車輪子電機(jī)；（4）熏蒸補(bǔ)液模塊，該部分由液位檢測(cè)模塊（對(duì)藥液地位進(jìn)行檢測(cè)，不足發(fā)出警報(bào)）、恒溫加熱器（對(duì)藥液加熱熏蒸）、末端執(zhí)行器（與無人機(jī)藥箱緊密對(duì)接）以及液壓泵（補(bǔ)液）。

3.2.1 地面驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是四個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)定向輪驅(qū)動(dòng)，控制板上的輸入信號(hào)通過L298n來調(diào)節(jié)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及變速，以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地面移動(dòng)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止動(dòng)作.當(dāng)無線通信模塊接收到無人機(jī)上藥液液位到達(dá)設(shè)定閾值后，主控板將控制小車停止移動(dòng)，原地待命，直到無人機(jī)補(bǔ)液完成，小車將恢復(fù)正常軌跡運(yùn)行。

3.2.2 熏蒸及補(bǔ)液控制設(shè)計(jì)

熏蒸及補(bǔ)液模塊包含熏蒸和補(bǔ)液兩個(gè)方面，熏蒸是在系統(tǒng)開始工作以后就一直通過恒溫加熱器進(jìn)行。而補(bǔ)液是當(dāng)無人機(jī)上的子對(duì)接盤與小車上的母對(duì)接盤對(duì)接成功以后，控制器控制末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)，使無人機(jī)對(duì)接口與小車補(bǔ)液接口緊密對(duì)接，然后液壓泵工作，完成對(duì)無人機(jī)藥箱的補(bǔ)給。最后末端執(zhí)行器松開無人機(jī)，無人機(jī)回到補(bǔ)液前路徑繼續(xù)執(zhí)行消殺任務(wù)。

圖8 地面熏蒸及補(bǔ)液小車總控制原理圖

圖9 地面驅(qū)動(dòng)控制原理圖

4 消殺試驗(yàn)

消殺無人機(jī)根據(jù)大型室內(nèi)空間設(shè)定的已有路徑進(jìn)行循環(huán)消殺；與此同時(shí)，地面移動(dòng)熏蒸及補(bǔ)給平臺(tái)按照給定點(diǎn)及給定時(shí)間進(jìn)行定點(diǎn)移動(dòng)，并在給定地點(diǎn)處熏蒸消殺。當(dāng)消殺無人機(jī)內(nèi)蒼術(shù)消毒液低于液位線時(shí)，地面移動(dòng)熏蒸及補(bǔ)給平臺(tái)將通過通信模塊獲取該信息，消殺無人機(jī)與地面移動(dòng)平臺(tái)將同時(shí)運(yùn)動(dòng)到指定位置進(jìn)行對(duì)接并完成自動(dòng)補(bǔ)給。補(bǔ)給結(jié)束后，消殺無人機(jī)與地面移動(dòng)平臺(tái)將回到消毒液補(bǔ)給信息獲取前的位置，并繼續(xù)完成消殺工作。在無人機(jī)與地面熏蒸補(bǔ)給平臺(tái)工作過程中，可實(shí)時(shí)利用消殺監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行消殺工作的監(jiān)測(cè)。

無人機(jī)與移動(dòng)小車的對(duì)接過程如圖11所示。無人機(jī)捕捉到移動(dòng)小車上的母對(duì)接盤上的標(biāo)志后，在慣性導(dǎo)航與視覺的融合作用下，慢慢靠近母對(duì)接盤。

圖10 熏蒸及補(bǔ)液控制原理圖

圖11 無人機(jī)與地面小車的對(duì)接過程

5 總結(jié)

文章詳細(xì)介紹了空地異構(gòu)消殺機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并著重對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的對(duì)接結(jié)構(gòu)和對(duì)接控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過無人機(jī)與地面小車的對(duì)接實(shí)驗(yàn)來說明該設(shè)計(jì)是具有一定的可行性。該系統(tǒng)結(jié)合微型無人機(jī)與移動(dòng)小車消殺的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)大型室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行消殺作業(yè)，大大提高了室內(nèi)消殺的安全性和工作效率。