STM32控制的地面行走多功能無人機(jī)

樊振性 錢思寧 李宣廷 李恩輝 郝娟芳 張潤懷

摘? 要：由于技術(shù)的發(fā)展降低了無人機(jī)的制造成本，提升了其使用便捷性，無人機(jī)進(jìn)入了人們的日常生活逐漸成為主流。在積極的產(chǎn)業(yè)形勢下，世界各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭也加入到無人機(jī)市場的競爭行列，無人機(jī)的應(yīng)用逐步從軍用領(lǐng)域擴(kuò)展到了民用領(lǐng)域。如今，民用無人機(jī)已在航拍、農(nóng)業(yè)植保、物流配送、救援、測繪、巡檢、影視拍攝等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。多功能無人機(jī)無疑有著巨大的開發(fā)空間，以及廣闊的商業(yè)價(jià)值，陸空兩用無人機(jī)在立體成像、搭載工作平臺、適應(yīng)復(fù)雜地形等方面有很大的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 單片機(jī)? 機(jī)器人? 多功能

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）08（b）-0001-03

Abstract： As the development of technology reduces the manufacturing cost of UAV and improves its convenience， UAV enters into People's daily life and gradually becomes the mainstream.Under the positive industrial situation， the world's major Internet giants have also joined the competition in the UAV market， and the application of UAV has gradually expanded from military field to civilian field.Nowadays， civil UAV has been widely used in aerial photography， agricultural plant protection， logistics distribution， rescue， surveying and mapping， patrol inspection， film and television shooting and other fields.There is no doubt that multi-functional UAV has huge development space and broad commercial value， and dual-use UAV has great advantages in three-dimensional imaging， carrying working platform and adapting to complex terrain.

Key Words： UAV; SCM; Robot; Multi-functional

提起無人機(jī)，大多數(shù)人對裝有攝像機(jī)、可拍攝視頻和照片的航拍無人機(jī)都不陌生。而現(xiàn)代無人機(jī)的原型可追根溯源到塞爾維亞移民、富有遠(yuǎn)見的發(fā)明家尼古拉·特斯拉。在經(jīng)歷了20世紀(jì)漫長的萌芽期和醞釀期之后，隨著電子產(chǎn)業(yè)、材料科學(xué)、自動控制、通信技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)在21世紀(jì)初迎來了快速增長。本次項(xiàng)目最大的創(chuàng)新無人機(jī)下四足機(jī)器人和多功能平臺的添加。四足機(jī)器人的添加使得無人機(jī)的靈活性和穩(wěn)定性大大提高，四足機(jī)器人的行走足也可以作為夾帶物品的夾子起到一定作用。多功能平臺則更好地滿足人們的需要。

1? 陸空兩用無人機(jī)基本原理

陸空兩用技術(shù)讓機(jī)械人能在復(fù)雜環(huán)境和條件下，根據(jù)反饋情況，做出飛行模式或者行走模式，使其對空中陸地都具有可使用性，可以滿足我們對機(jī)器人和無人機(jī)的共同要求。其技術(shù)主要包括地面四足機(jī)器人技術(shù)，無人機(jī)技術(shù)以及新興的圖像回傳建模技術(shù)。

2? 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的陸空兩用機(jī)器人，包括無人機(jī)、控制器、四足機(jī)器人、攝像頭、傳感器、電源，共六大部分組成（見圖1）。無人機(jī)方面包括，四對電機(jī)和電調(diào)。機(jī)器人部分包括每條腿四個(gè)自由度，總共24個(gè)舵機(jī)，以及每條腿上的減震。電源部分采用航模電池為各部件供電，提供足夠的續(xù)航能力，同時(shí)保持機(jī)器人的自重，與重心位置設(shè)計(jì)要求。傳感器部分主要由MPU6050六軸陀螺儀、紅外傳感器、觸碰感器組成，控制器部分由STM32單片機(jī)組成，[4]利用IIC協(xié)議（見圖2）和MPU6050陀螺儀通信，維持機(jī)器人部分和無人機(jī)部分平衡。同時(shí)通過攝像頭和圖傳模塊，使得無人機(jī)附近地形反饋到工作站，加以處理形成三維模型。通過遙控器來控制機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，以及飛行、行走、取物、視頻回傳等功能之間切換。

2.1? MPU6050陀螺儀模塊

MPU-60X0是全球首例9軸運(yùn)動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀， 3軸MEMS 加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器 DMP（DigitalMotion Processor），可用 I2C 接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。擴(kuò)展之后就可以通過其 I2C 接口輸出一個(gè) 9 軸的信號。MPU-60X0 也可以通過其 I2C 接口 連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。 MPU6050傳感器通過使用IIC通信節(jié)省了STM32的IO口，使得單片機(jī)在有限的IO口情況下，搭載更多傳感器，使得單片機(jī)使用效率大大提高。

2.2? OV7670帶FIFO模塊

本模塊是一款具有緩沖存儲空間的模塊，可以應(yīng)對慢速的MCU，實(shí)現(xiàn)圖像的采集控制功能，該模塊特別反應(yīng)靈敏，功能齊全，同樣包括30W像素的CMOS圖像感光芯片。并且包含3.8mm焦距的鏡頭和鏡頭底座，板子同時(shí)可以引出數(shù)據(jù)管腳和控制管腳，便于用戶的操作和使用。

2.3? STM32F103ZGT6

STM32F103ZGT6芯片I/O口資源豐富，可滿足此要求，串口資源豐富，滿足通信要求。[2]STM32的定時(shí)器除了TIM6和7，其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出。其中高級定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)7路的PWM輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM輸出，這樣，STM32可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出（見圖3）。充分滿足機(jī)器人24個(gè)舵機(jī)的需要。

2.4? MG995舵機(jī)

MG995舵機(jī)重量55g，工作扭矩13kg/cm，轉(zhuǎn)動角度 最大180度，模擬舵機(jī)工作電流100mA，使用電壓3～7.2V，結(jié)構(gòu)采用金屬銅齒、空心杯電機(jī)、雙滾珠軸承無負(fù)載。該舵機(jī)同等大小情況下，所提供的工作扭矩最大，為機(jī)器人以及無人機(jī)部分起到良好的支撐作用，便于機(jī)器人多種姿態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。

2.5? 陸空兩用無人機(jī)的程序設(shè)計(jì)

陀螺儀使用PID算法，來維持無人機(jī)平衡，并且使用IIC通信，使陀螺儀與單片機(jī)之間進(jìn)行通信，其余主要通過PWM控制舵機(jī)，24個(gè)舵機(jī)通過一定的運(yùn)動算法，相互配合，聯(lián)動，從而完成行走和其他運(yùn)動形式。

3? 創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品為一款可在地面行走的多功能無人機(jī)，它將傳統(tǒng)的無人機(jī)底部支架改為四足機(jī)器人和一個(gè)多功能平臺，這在保留原有功能的基礎(chǔ)上極大地?cái)U(kuò)大了它的適用范圍，極大的提高了它的靈活程度。

這款無人機(jī)最大的創(chuàng)新在于四足機(jī)器人的改進(jìn)和多功能平臺的應(yīng)用，四足機(jī)器人可折疊，也可變形為機(jī)械臂，多功能平臺則讓無人機(jī)有更大的改裝空間，讓它實(shí)現(xiàn)真正意義上的多功能。在進(jìn)行取樣等操作時(shí)，四足的底座將轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂，完成機(jī)械臂所具有的功能，在懸崖峭壁懸?；蛟诎驼拼笮〉牡胤綄⑺淖阕鳛闄C(jī)械臂來站穩(wěn)，從而在人力無法涉及的地方進(jìn)行各種工作。

由于行動不再受地形的限制，我相信，它在拍攝和測繪等方面都可以做得比普通無人機(jī)更好。此外，多功能平臺的存在又使它能輕松勝任運(yùn)輸、采摘、收集等工作，加裝經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的噴壺，它可以用于植保，換成掃描裝置，它可以巡檢，立體掃描成像，它作為一個(gè)多功能無人機(jī)名副其實(shí)。

4? 結(jié)語

調(diào)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的陸空兩用無人機(jī)，具備良好的地面行走以及飛行狀態(tài)。在地面行走時(shí)，各減震機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮功能，可以完成在坑洼、矮小臺階、斜坡等復(fù)雜地形下的平穩(wěn)行走。飛行過程中，機(jī)身平穩(wěn)，并且可以在飛行狀態(tài)下夾取空中或地面物體，自身平衡不受太大影響，飛行速度依舊可以保持?？刂品矫?.4G模塊控制性能良好，加上足夠多的控制開關(guān)，可以輕松改變陸空兩用無人機(jī)的模式和飛行、行走中的姿態(tài)，攝像頭通過云臺轉(zhuǎn)動，可以清晰的了解周圍情況，并且通過大量視頻圖片的回傳，在短時(shí)間內(nèi)就可以3D建模，構(gòu)建良好的三維模型。現(xiàn)階段也有一些不足需要改進(jìn)，IIC通信中，會因?yàn)殡姶旁驅(qū)е率ъ`，傳輸數(shù)據(jù)有誤，以及圖傳發(fā)熱耗電情況嚴(yán)重，降低了安全性和續(xù)航時(shí)間。三維建模的時(shí)候，會因?yàn)閳D像清晰度不高，或者卡頓等影響，導(dǎo)致建模不順利，我們準(zhǔn)備在這些方面做出改進(jìn)，使得該無人機(jī)真正成為實(shí)用耐用的一款好產(chǎn)品，有一天可以走向市場，成為一款銷售情況好的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇，等.原子教你玩STM32[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[2] 嚴(yán)月浩.無人機(jī)概論[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2018.

[3] 張治，熊天波，陳建僑，等.無人機(jī)三維空地信道模型的空間特性研究[J].通信學(xué)報(bào)，2020，41（2）：34-38.

[4] 謝輝.無人機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2018.

[5] 呂玉恒.基于STM32單片機(jī)的自主飛行的四旋翼系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2018.

[6] 符長青，符曉勒，曹兵.無人機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2019.