樊振性 錢思寧 李宣廷 李恩輝 郝娟芳 張潤懷

摘? 要：由于技術的發(fā)展降低了無人機的制造成本，提升了其使用便捷性，無人機進入了人們的日常生活逐漸成為主流。在積極的產業(yè)形勢下，世界各大互聯(lián)網巨頭也加入到無人機市場的競爭行列，無人機的應用逐步從軍用領域擴展到了民用領域。如今，民用無人機已在航拍、農業(yè)植保、物流配送、救援、測繪、巡檢、影視拍攝等多個領域得到廣泛應用。多功能無人機無疑有著巨大的開發(fā)空間，以及廣闊的商業(yè)價值，陸空兩用無人機在立體成像、搭載工作平臺、適應復雜地形等方面有很大的優(yōu)勢。

關鍵詞：無人機? 單片機? 機器人? 多功能

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，大多數人對裝有攝像機、可拍攝視頻和照片的航拍無人機都不陌生。而現代無人機的原型可追根溯源到塞爾維亞移民、富有遠見的發(fā)明家尼古拉·特斯拉。在經歷了20世紀漫長的萌芽期和醞釀期之后，隨著電子產業(yè)、材料科學、自動控制、通信技術的發(fā)展，無人機在21世紀初迎來了快速增長。本次項目最大的創(chuàng)新無人機下四足機器人和多功能平臺的添加。四足機器人的添加使得無人機的靈活性和穩(wěn)定性大大提高，四足機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? 陸空兩用無人機基本原理

陸空兩用技術讓機械人能在復雜環(huán)境和條件下，根據反饋情況，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，可以滿足我們對機器人和無人機的共同要求。其技術主要包括地面四足機器人技術，無人機技術以及新興的圖像回傳建模技術。

2? 系統(tǒng)的總體設計方案

所設計的陸空兩用機器人，包括無人機、控制器、四足機器人、攝像頭、傳感器、電源，共六大部分組成（見圖1）。無人機方面包括，四對電機和電調。機器人部分包括每條腿四個自由度，總共24個舵機，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，同時保持機器人的自重，與重心位置設計要求。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單片機組成，[4]利用IIC協(xié)議（見圖2）和MPU6050陀螺儀通信，維持機器人部分和無人機部分平衡。同時通過攝像頭和圖傳模塊，使得無人機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器人的運行狀態(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軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀， 3軸MEMS 加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器 DMP（DigitalMotion Processor），可用 I2C 接口連接一個第三方的數字傳感器。擴展之后就可以通過其 I2C 接口輸出一個 9 軸的信號。MPU-60X0 也可以通過其 I2C 接口 連接非慣性的數字傳感器，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，使得單片機在有限的IO口情況下，搭載更多傳感器，使得單片機使用效率大大提高。

2.2? OV7670帶FIFO模塊

本模塊是一款具有緩沖存儲空間的模塊，可以應對慢速的MCU，實現圖像的采集控制功能，該模塊特別反應靈敏，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，板子同時可以引出數據管腳和控制管腳，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的定時器除了TIM6和7，其他的定時器都可以用來產生PWM輸出。其中高級定時器TIM1和TIM8可以同時產生多達7路的PWM輸出。而通用定時器也能同時產生多達4路的PWM輸出，這樣，STM32可以同時產生30路PWM輸出（見圖3）。充分滿足機器人24個舵機的需要。

2.4? MG995舵機

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

2.5? 陸空兩用無人機的程序設計

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

3? 創(chuàng)新點

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

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

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更好。此外，多功能平臺的存在又使它能輕松勝任運輸、采摘、收集等工作，加裝經過特殊設計的噴壺，它可以用于植保，換成掃描裝置，它可以巡檢，立體掃描成像，它作為一個多功能無人機名副其實。

4? 結語

調試結果表明，所設計的陸空兩用無人機，具備良好的地面行走以及飛行狀態(tài)。在地面行走時，各減震機構充分發(fā)揮功能，可以完成在坑洼、矮小臺階、斜坡等復雜地形下的平穩(wěn)行走。飛行過程中，機身平穩(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。控制方面2.4G模塊控制性能良好，加上足夠多的控制開關，可以輕松改變陸空兩用無人機的模式和飛行、行走中的姿態(tài)，攝像頭通過云臺轉動，可以清晰的了解周圍情況，并且通過大量視頻圖片的回傳，在短時間內就可以3D建模，構建良好的三維模型?，F階段也有一些不足需要改進，IIC通信中，會因為電磁原因導致失靈，傳輸數據有誤，以及圖傳發(fā)熱耗電情況嚴重，降低了安全性和續(xù)航時間。三維建模的時候，會因為圖像清晰度不高，或者卡頓等影響，導致建模不順利，我們準備在這些方面做出改進，使得該無人機真正成為實用耐用的一款好產品，有一天可以走向市場，成為一款銷售情況好的產品。

參考文獻

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

[2] 嚴月浩.無人機概論[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2018.

[3] 張治，熊天波，陳建僑，等.無人機三維空地信道模型的空間特性研究[J].通信學報，2020，41（2）：34-38.

[4] 謝輝.無人機應用基礎[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2018.

[5] 呂玉恒.基于STM32單片機的自主飛行的四旋翼系統(tǒng)設計及算法研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2018.

[6] 符長青，符曉勒，曹兵.無人機復合結構設計與制造[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2019.