(山东科技大学山东青岛266590)
摘要：本作品采用自主式车厢作为中间的过渡环节，将飞行器和履带车完美的结合起来，具有很高的实际市场应用价值。充分迎合当前先进的无人机技术，选用ARMCortex-M4内核的STM32F407作为主控芯片，将传感器数据采集后，经过简单的硬件滤波处理后，由加速度计、磁罗盘计算姿态角，通过卡尔曼滤波算法融合陀螺仪数据，得到较为精确的姿态角，通过PID算法保证飞行稳定，并且GPS导航定位精准，采用中等轴距的六轴飞行器模型，基本功能可以达到目前一些主流的成品机的水平，而且相对于四轴来说，空中飞行抗干扰性较好，载重能力强，为底部层次的设计留有了充足的余地。
关键词：飞行器特殊环境侦察作业机器人
一、背景
随着科学技术的不断发展，机器人技术越来越渗入到人们的生产生活中，并逐渐占据了一部分市场，但是，对于一些特殊性的场合，比如救灾现场、工厂勘测、辐射污染区域、危险作业环境等，往往会因机械的体积、地形的不适而不得不去动用人力来完成。为了提高工作效率，减少人力和提高安全性，设计了一种小型的陆空两用侦察作业机器人，并在性能上做了最大的优化处理，以便更好的适应更多的场合。
二、基本思路
本作品将飞行器、多功能扩展式车厢和履带式车结合，携带传感器设备来进行对目标现场的实时画面传输和数据样本采集，并通过终端设备实现远程人机交互功能。系统模型如下：
对于飞行器的控制核心，选用功能强大的STM32F407芯片并搭配磁力计、气压计和六轴姿态传感器作为飞控核心，并搭载GPS与航拍设备。选用六旋翼飞行器，确保在一般风力条件下可以更稳定的飞行，降低外外界干扰。对于车厢的打造，挑选重量超轻的飞机木来制作厢体，通过嵌入门控系统来实现车厢和飞行器的数据通信。对于履带式小车，保证小车具有适应多环境地面的的能力，车身设计选用重量较轻但牢固的铝合金材料固定车身，用STM32F103作为核心处理器搭载探照灯、无线数传、机械手、视频传输设备，最大化实现任务调度的灵活性。
三、作品设计
1.六轴飞行器
考虑到装机的方便和较强的载重能力，因此选用了F550机架配备20A好乐盈电调、恒拓920KV值的无刷电机和1047碳纤维正反浆，由于时间的原因，选用了一款具有自稳，定高功能的开源飞控作为主控核心。选用UBLOX-7GPS模块，内置增益放大，搜星能力强，通过简单的串口通信解析$GPGGA语句指令来实现GPS位置的获取和后续的路径规划功能。选用乐迪AT9遥控器，通过飞控MCU采集接收机的遥控器PWM信号来实现对飞行器的远距离遥控。考虑到续航能力和机身整体的重量，选用狮子牌5200毫安的航模电池来给飞行器供电，在后期调试过程中测试大概飞行时间为13分钟左右，对于一般短时间任务的执行来说，基本满足要求。针对无人机的续航能力，如果可以协调好载重能力和电池电量的关系，后续可进一步提高其工作时间。
2.轻质半自主减震式车厢
车厢首先要保证整体的耐冲击性且重量要轻。选用1mm厚的铝板作为支撑底部，对于四周的棱边，选用高强度超轻的碳纤维管来作为支撑，并用飞机木来作为四周的厢体，保护小车。为了进一步减弱在飞行时小车晃动对机体造成的扰动影响，在底层内部铺设了一定数量的倾角大概15°的圆弧型结构。车厢选用半自主式门控系统，人为操纵门的开关，避免因外界扰动的影响而使系统做出错误判断。对于门的开合方式，引用了拉杆原理，选用RDS3115模拟舵机，组合拉杆、细绳，通过舵机角度的变化来驱动拉杆实现门的开关。
3.轻质多功能履带车
小车保证轻质且适应性强，因此选用履带车并用飞机木来打造整个机体，选用两个电机成前后交叉式安置，从而保证了车体在动力充足的基础上重量比其他四电机式小车要轻。欲实现远程视野遥控作业，具备物体抓取和图像回传功能。在信号控制方面，选用了无线数传XL63-232AP2模块，具备收发一体，遥控距离约在1000米左右。在图像视频回传方面，同样选择5.8G图传收发模块TS832和RC832配备微型高清170°广角摄像头，接收端选用AV视频采集卡即可在电脑上位机上实时显示当前画面并且具备录像功能。在机械臂的设计上，选用STM32f103作为主控核心，通过串口和终端实现远程通信，完成目标任务和传感器数据信息的返回。
4.上位机人机交互
为了方便操作和增强控制的手感性，设计了实体地面站并配合计算机实现人机交互功能。由地面站由控制器、供电系统、显示设备、视频采集卡、摇杆、按键、无线数传等主要模块组成。通过显示菜单可以清楚地设置当前的工作模式，查看返回的目标地点的数据量，在显示屏前操纵摇杆以第一人称视角来对目标地点的进行细致地查看和数据样本的采集。
5.对目标物体进行定位
拟采用AK8975三轴电子罗盘和GPS模块，通过坐标点的叠加方式，共同来实现对所处场景特定目标比如辐射源、有害气体泄漏点等的精准定位，并在上位机上显示当前的运动轨迹和地理空间位置。
四、创新点
（1）无人机技术和地面小车的结合，解决了因地形路面的限制而无法展开作业的问题。通过多次实验设定的平滑油门曲线和PID参数的优化，保证了机器人平稳的起飞与降落，方便了用户的操作。
（2）针对失控问题做了良好的处理。在执行任务期间，为了避免造成不必要的损失，加入失控保护，空中飞行时突然失去信号，会按预定的路线自行返航安全落地；地面行驶时丢失信号，会结合初始的模式设置，返航至信号可控制区域。
（3）减震式车厢的设计，使用最简单的拉杆方式和控制方式实现门的开合，并对车厢底部进行建模优化处理，使得其能够适应多数地面，保证机体降落平稳并且对内部小车不会受到影响。
（4）可拆卸式传感器，可适应更多的目标场景。根据任务的需要选择不同的传感器设备，地面站一键设置当前检测模式，使得操作变得简单。
（5）三轴电子罗盘和GPS模块通过坐标点的叠加方式，共同来实现对所处场景特定目标比如辐射源、有害气体泄漏点等的精准定位，并在上位机上显示当前的运动轨迹和地理空间位置。
五、技术关键和主要技术指标
针对飞行器传感器数据采集时易受到干扰的问题，将硬件和软件相结合，通过硬件滤除基本杂波，再通过强大的卡尔曼滤波融合陀螺仪数据，结合PID算法使得系统能够很快的相应并达到预期位置，使得飞行过程稳定。将GPS和三轴电子罗盘相结合应用到物体定位中，使机器人侦查可以将探测目标的位置发送给上位机，结合视频回传使操作人员更加清楚当前的工作信息。系统加入特定物体识别功能，将图像数字处理应用到小车的自主巡检中，类似于机器人视觉识别，谷歌无人车在这方面做的很出色，基于此，特定物体识别模式大大简化了用户的操作。
六、结论
结本作品迎合当今技术潮流，应用范围很广，可以应用于急救现场，救援现场、工厂设备勘测、辐射污染区域、危险野生动物视察等多种危险环境中，提高工作效率，减少人力和提高安全性，若可以和当前更先进的技术联系起来，可进一步提升至更好的性能，因此具有很好的实际应用价值和广阔的市场应用前景。
参考文献：
[1].杨璐鸿.纵列式六旋翼大载荷无人机气动特性数值模拟及优化研究[D].吉林大学,2015.
[2].张阳胜.一种新型六旋翼飞行器的设计[J].机械与电子,2010(5):64-66.
[3].陈香等.六旋翼无人机在天津应急测绘中的应用[J].测绘技术装备,2016(1):69-71.