王 荷

（沈陽市第二十中學(xué)，沈陽 110002）

1 輪式移動(dòng)機(jī)器人

1.1 輪式移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)述

輪式移動(dòng)機(jī)器人是出現(xiàn)較早的一種機(jī)器人，主要通過傳感器感知外界環(huán)境，控制系統(tǒng)作為控制中心對(duì)機(jī)器人的行為進(jìn)行自動(dòng)控制，并通過遙控操作器遙控，它融合了微電子技術(shù)、信息與通信技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等，能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，既可以聽從人類的指示而進(jìn)行操作，也可以根據(jù)提前在其系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的程序進(jìn)行運(yùn)行，是一種自行執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它在某些特定的工作場(chǎng)合能幫助或代替人類的工作，例如在工業(yè)生產(chǎn)線上、醫(yī)療領(lǐng)域或者危險(xiǎn)的環(huán)境。

1.2 輪式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展

移動(dòng)機(jī)器人是在上世紀(jì)中期第一次出現(xiàn)在人類視野，起初是為了完成在月球表面的探測(cè)，美國的“探測(cè)者”3號(hào)通過地面的遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)了在月球上挖溝及其他任務(wù)。后蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)了在無人駕駛的情況下，將“登月者”20號(hào)安全著陸，而且順利的帶回了月球表面的土壤、巖石樣品。而為了適應(yīng)各種人類難以完成的工作，移動(dòng)機(jī)器人的使用越來越廣泛，例如適合海洋開發(fā)及探測(cè)的水下機(jī)器人、適應(yīng)原子能利用的極限機(jī)器人、工廠自動(dòng)化機(jī)器人等等。不同的輪式機(jī)器人具有不同的特點(diǎn)，適合不同的工作環(huán)境，輪式移動(dòng)機(jī)器人有兩輪式、四輪式、履帶式、全方向式等。基于履帶式移動(dòng)坦克機(jī)器人牽引力良好，地面承載壓力低，可以在崎嶇的地面拿起被操作對(duì)象；三獨(dú)立馬達(dá)100mm全向輪機(jī)器人，通過安裝的全方位編碼器及微控制器，能實(shí)現(xiàn)在不改變方向的情況下，只改變每個(gè)車輪的方向和速度就可以向各個(gè)方向移動(dòng)，且這種機(jī)器人上配備傳感器使其適用于監(jiān)視和運(yùn)輸?？梢哉f不同的輪式移動(dòng)機(jī)器人由于其應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用方向的不同使其移動(dòng)方式、研究方向差別很大。

1.3 輪式移動(dòng)機(jī)器人的工作原理

輪式移動(dòng)機(jī)器人按車輪的數(shù)量可分為二輪、三輪、四輪、六輪及多輪機(jī)構(gòu)，不同的機(jī)構(gòu)具有不同的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原理。例如二輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其在靜止或速率較低時(shí)很不穩(wěn)定，而三輪機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)零回轉(zhuǎn)半徑，四輪機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)使其運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定。

對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)器人來說，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵包括如何設(shè)計(jì)合適的機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)，機(jī)器人感知并接受外界信息的方式，通過何種方式控制移動(dòng)機(jī)器人使其移動(dòng)及機(jī)器人的路徑規(guī)劃。對(duì)于機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)機(jī)器人的感知外界環(huán)境、分析決策等不同的功能將其分為分層遞階結(jié)構(gòu)、行為系統(tǒng)、黑板系統(tǒng)三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。信息感知是指機(jī)器人通過各種傳感器感知外界并接受信息，包括激光掃描、攝像機(jī)、壓敏傳感器、聲音傳感器、紅外傳感器等，主要在機(jī)器人行進(jìn)過程中對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制則是根據(jù)機(jī)器人幾何中心或輪軸線中心的時(shí)間微分方程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行建模，然后結(jié)合傳感器接收到的信息進(jìn)行定位，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和容錯(cuò)能力對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是其執(zhí)行結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人能否準(zhǔn)確的完成任務(wù)起著關(guān)鍵性的作用，而機(jī)器人的控制系統(tǒng)是由輪式移動(dòng)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、控制方式及所要達(dá)到的功能決定。路徑規(guī)劃則是使輪式機(jī)器人能夠自主運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。

2 四翼無人飛行器

2.1 簡(jiǎn)述四翼無人飛行器

無人機(jī)是指可以自備程序自主飛行或通過遙控飛行的不載人飛行器，它利用空氣動(dòng)力來克服自身重量，且本身具有動(dòng)力裝置，可一次性或多次回收利用。無人機(jī)機(jī)動(dòng)性高，隱蔽性好，可以執(zhí)行多種任務(wù)并且生存能力強(qiáng)，因此受到各國廣泛的關(guān)注及重視。四翼無人飛行器是無人機(jī)中的一種，它以四個(gè)旋翼作為動(dòng)力裝置，能進(jìn)行垂直起降，它的四只旋翼分別對(duì)稱安裝在飛行器的前、后、左、右四個(gè)方位作為飛行的直接動(dòng)力源，這四個(gè)結(jié)構(gòu)和半徑都相同的螺旋槳位于同一平面高度且呈螺旋交叉，其中位于不同直線的兩對(duì)旋翼分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。四翼無人飛行器從剛誕生至現(xiàn)在，因其在民用領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、航空領(lǐng)域等都有廣泛的應(yīng)用前景，因此一直是各國研究的熱點(diǎn)。

2.2 四翼無人飛行器的發(fā)展

20世紀(jì)初，法國科學(xué)家制造了一架旋翼式直升機(jī)，這架直升機(jī)體積小，而且沒有駕駛員，但通過多次嘗試，最終并沒成功，但為后面飛機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在接著的很長(zhǎng)的一段時(shí)間里有很多科學(xué)家都嘗試改進(jìn)四旋翼飛行器，但并沒有成功。而二十一世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大的發(fā)展，同時(shí)各種傳感器相繼出現(xiàn)使得四翼飛行器再次進(jìn)入人們的視野。而現(xiàn)在四翼無人飛行器由于其體積小，成本低，且在對(duì)如室內(nèi)、叢林等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此其在無論是軍事方面、娛樂領(lǐng)域，還是民用方面的應(yīng)用前景都很廣闊。目前四翼無人飛行器可以在具有簡(jiǎn)單約束的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主飛行，但如何在復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主飛行仍是各國研究的重點(diǎn)。在2007年麻省理工研制的四翼飛行器可以通過激光掃描對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行感知，然后接受信息后重建并自主規(guī)劃路線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛進(jìn)行檢測(cè)與追蹤。

2.3 四翼無人飛行器的工作原理

傳統(tǒng)的飛機(jī)是通過舵機(jī)使螺旋槳的槳距角改變而改變飛機(jī)的姿態(tài)和位置，而四翼無人飛行器則是通過改變四只旋翼的轉(zhuǎn)速，使升力發(fā)生變化從而控制飛行器的起降。但以這種方式使升力發(fā)生變化而產(chǎn)生的動(dòng)力并不能支持飛行器長(zhǎng)期飛行，所以為了使飛行器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離飛行，就必須存在一種控制方法可以長(zhǎng)期形成動(dòng)力。當(dāng)四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相同時(shí)，通過各個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)方向或速率的不同，可以相互間平衡了反扭力矩，以使飛行器實(shí)現(xiàn)靜止、側(cè)翻、前后、偏航等各種飛行動(dòng)作。如圖1為四翼無人飛行器的基本結(jié)構(gòu)圖：

圖1

四個(gè)旋翼位于十字形機(jī)體的四個(gè)頂點(diǎn)位置，1、3旋翼為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2、4旋翼為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)2、4旋翼轉(zhuǎn)速不變，而1、3號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速增加或減小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的偏航；而當(dāng)1、3號(hào)旋翼速度不變，2號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速減小，4號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速增加，無人機(jī)將向右飛行，反之2號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速增加4號(hào)減小，則向左飛行；當(dāng)四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速相同并使產(chǎn)生的合推力與機(jī)體重力相同，則無人機(jī)將在空中的某一高度呈相對(duì)靜止的狀態(tài)。這是四翼無人飛行器實(shí)現(xiàn)飛行動(dòng)作的基本原理，在飛行過程中會(huì)通過傳感器實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境變化傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將接收到的信息進(jìn)行計(jì)算、分析，再將信息反饋，從而控制飛行器飛行、加速、避障。

3 輪式移動(dòng)機(jī)器人與四翼無人飛行器優(yōu)缺點(diǎn)分析

輪式移動(dòng)機(jī)器人與四翼無人飛行器都屬于智能化的機(jī)器人，它們是科學(xué)進(jìn)步的標(biāo)志，也使人類生活方式有了很大的改變。輪式移動(dòng)機(jī)器人主要用于地面，通過自主的地面運(yùn)動(dòng)去實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而四翼無人飛行器則主要在通過空中飛行去完成任務(wù)，它們所處空間的不同，任務(wù)目標(biāo)不同，導(dǎo)致它們自身結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，功能方向有很大的不同。它們同樣是計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械、電子、信息技術(shù)等的結(jié)合，通過傳感器感知外界，控制系統(tǒng)自主決策或人為控制，不同的應(yīng)用方向使得它們的優(yōu)缺點(diǎn)也不同。

輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是在救災(zāi)機(jī)器人中最為常見的一種，這種機(jī)器人一般機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)速度快而工作效率高，控制方面通過簡(jiǎn)單的編程就可以達(dá)到高的可靠性，因此控制較為方便，同時(shí)對(duì)能量的利用率高，機(jī)動(dòng)性能好，而且在很多方面可以借鑒較為成熟的汽車設(shè)計(jì)技術(shù)，但其適應(yīng)能力和越野性能較差。輪式移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)過程中，因其只可固定在同一平面上而難以上下調(diào)整，所以導(dǎo)致其適應(yīng)力較差，使其存在一定的局限性，在通過不光滑的地面時(shí)運(yùn)動(dòng)能力受到了限制，尤其是在如沼澤、沙地、雪地這種軟性地面時(shí)就容易打滑甚至沉陷。而四翼無人飛行器，重量輕，飛行速度可達(dá)每秒幾米到幾十米，因其體積小，可以鉆到建筑物或洞穴里，隱蔽性強(qiáng)，可以在多空間使用。四翼無人飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，即使在復(fù)雜的環(huán)境也可以對(duì)細(xì)小的環(huán)境進(jìn)行勘察并將目標(biāo)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信息反饋回來，因此在環(huán)境檢測(cè)、巡視、測(cè)繪、交通道路監(jiān)控、航空攝影、搜救等方面都有很大的應(yīng)用前景。

4 總結(jié)語

輪式移動(dòng)機(jī)器人與四翼無人飛行器都是高科技下的產(chǎn)物，也是人類科技不斷進(jìn)步的標(biāo)志，它們都為人類生活帶來了很大的便利和改變。美國國家科學(xué)委員會(huì)曾預(yù)言：“20世紀(jì)的核心武器是坦克，21世紀(jì)的核心是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)?！敝悄芑臋C(jī)器人為人類參與到人類生活的方方面面，但盡管已經(jīng)有了很大的發(fā)展與進(jìn)步，但還是存在一些沒有攻克的難題亟待解決，相信未來它們會(huì)為我們帶來更多的便利。

[1] 柳洪義，宋偉剛.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] 王樹剛.四旋翼控制問題研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[3] 祖莉，王華坤.智能移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及算法的設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.