余秋月，羅佳維，鄧長鑫，鄧豪東，項燊鵬，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、自動移動小車消殺，以及室外的無人機消殺。人工消殺工作效率低，且對消殺人員的身體有一定的損傷。而自動移動小車的消殺在室內(nèi)行走受限，導(dǎo)致無法實現(xiàn)全覆蓋消殺。無人機的消殺工作主要用于室外，采用的是大型無人機，不適合室內(nèi)，若采用微型無人機則存在載荷問題，不能承載過多消殺液。針對以上問題，文章將微型無人機與地面移動小車結(jié)合構(gòu)成空地異構(gòu)機器人系統(tǒng)，用于對大型室內(nèi)空間的消殺工作，該消殺機器人系統(tǒng)可大大提高消殺效率和覆蓋率，對公共衛(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 消殺機器人系統(tǒng)介紹

消殺機器人系統(tǒng)主要是用于大型室內(nèi)空間（特指環(huán)境相對簡單的圖書館、實驗室、機場、商場等）的消殺工作的機械。該系統(tǒng)是由空中微型消殺無人機平臺，地面移動熏蒸及補液平臺以及消殺監(jiān)控平臺構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 空地異構(gòu)消殺機器人

2 消殺機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

■2.1 空中微型消殺無人機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

空中消殺無人機是基于四旋翼涵道無人機，采用超聲波消毒振蕩霧化的方法進(jìn)行室內(nèi)蒼術(shù)消毒液熏蒸消毒。相較于傳統(tǒng)四旋翼無人機而言，四旋翼涵道無人機在室內(nèi)空間飛行具有更加的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的四旋翼涵道無人機的旋翼容易損壞并且容易傷害到人，而四旋翼涵道無人機則有涵道，可以對旋翼起一定的保護(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器人的基礎(chǔ)上，將四旋翼涵道進(jìn)行改造為藥箱，能夠儲存一定量的蒼術(shù)藥液，能夠在需要時進(jìn)行超聲波振蕩噴灑。并采用三葉漿與涵道配合的設(shè)計，使得裝置具有更小的噪音、更足的動力、更大的升力。機身采用PP材料，PP材料具有密度低、強度大、力學(xué)性能優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性好的特點。以上設(shè)計，能夠使消殺無人機平臺在進(jìn)行消殺工作時給人提供一個相對安靜、安全的環(huán)境。

■2.2 地面移動熏蒸及補液小車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

地面移動熏蒸及補液小車的驅(qū)動部分由四個定向輪構(gòu)成.輸入信號通過L298N調(diào)節(jié)電機的正反轉(zhuǎn)，以此實現(xiàn)機器人在地面移動的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止運動。與足步式移動結(jié)構(gòu)相比，輪式移動結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單且移動速度較快。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)動結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，并可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

地面移動熏蒸及補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，實現(xiàn)室內(nèi)地面的消殺工作。同時，配合消殺無人機空中超聲波霧化消殺，完成大型空間的雙重消殺工作。

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

圖2 母子對接模塊

3 消殺機器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

■3.1 空中微型消殺無人機部分

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)部集成了一個三軸陀螺儀與一個三軸加速度計）、三軸磁強計HMC5883L、氣壓計MS5611組成，主要功能是為主控器提供機器人在空中飛行時的航姿參考信息；（3）運動執(zhí)行終端為旋翼無刷電機；（4）避障模塊為激光傳感器；（5）消殺補液模塊為攝像頭、液位檢測傳感器和超聲波振蕩器；（6）無線通訊模塊。如圖3無人機總體控制結(jié)構(gòu)圖所示。

圖3 無人機總體控制結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 無人機飛行控制

四旋翼涵道無人機的飛行控制與傳統(tǒng)的無人機飛行方法一致，也是通過姿態(tài)角計算，以及雙閉環(huán)PID控制，對無人機的電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使機槳產(chǎn)生不同升力，從而實現(xiàn)無人機的飛行動作。

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)期計算所得），輸出為四個電機的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)無人機前進(jìn)、后退、左移、右移、懸停、偏航動作。圖5為無人機驅(qū)動控制原理圖。

圖4 無人機的雙閉環(huán)PID姿態(tài)控制器原理圖

圖5 無人機驅(qū)動控制原理圖

3.1.2 自動避障系統(tǒng)

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

圖6 自動避障模塊控制原理圖

圖7 消殺補液模塊控制原理圖

3.1.3 消殺補液模塊

消殺補液模塊包括藥液低位監(jiān)控、藥液振蕩霧化、無線通訊等。當(dāng)液位檢測傳感器檢測到液位到達(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，超聲波振蕩器將停止工作。當(dāng)無人機接收到小車位置信息后，無人機將在飛控控制下朝小車方向飛去，靠近小車后，無人機通過視覺輔助找到母對接盤，并降落至此，完成平穩(wěn)對接。

■3.2 地面熏蒸及補液小車部分

地面熏蒸及補液小車包含：（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)部集成了一個三軸陀螺儀與一個三軸加速度計）、三軸磁強計HMC5883L組成，主要功能是為主控器提供小車移動時的位姿參考信息；（3）運動執(zhí)行終端為小車輪子電機；（4）熏蒸補液模塊，該部分由液位檢測模塊（對藥液地位進(jìn)行檢測，不足發(fā)出警報）、恒溫加熱器（對藥液加熱熏蒸）、末端執(zhí)行器（與無人機藥箱緊密對接）以及液壓泵（補液）。

3.2.1 地面驅(qū)動控制設(shè)計

小車驅(qū)動系統(tǒng)采用的是四個獨立電機驅(qū)動定向輪驅(qū)動，控制板上的輸入信號通過L298n來調(diào)節(jié)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及變速，以此實現(xiàn)機器人在地面移動的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止動作.當(dāng)無線通信模塊接收到無人機上藥液液位到達(dá)設(shè)定閾值后，主控板將控制小車停止移動，原地待命，直到無人機補液完成，小車將恢復(fù)正常軌跡運行。

3.2.2 熏蒸及補液控制設(shè)計

熏蒸及補液模塊包含熏蒸和補液兩個方面，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。而補液是當(dāng)無人機上的子對接盤與小車上的母對接盤對接成功以后，控制器控制末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)，使無人機對接口與小車補液接口緊密對接，然后液壓泵工作，完成對無人機藥箱的補給。最后末端執(zhí)行器松開無人機，無人機回到補液前路徑繼續(xù)執(zhí)行消殺任務(wù)。

圖8 地面熏蒸及補液小車總控制原理圖

圖9 地面驅(qū)動控制原理圖

4 消殺試驗

消殺無人機根據(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，地面移動熏蒸及補給平臺按照給定點及給定時間進(jìn)行定點移動，并在給定地點處熏蒸消殺。當(dāng)消殺無人機內(nèi)蒼術(shù)消毒液低于液位線時，地面移動熏蒸及補給平臺將通過通信模塊獲取該信息，消殺無人機與地面移動平臺將同時運動到指定位置進(jìn)行對接并完成自動補給。補給結(jié)束后，消殺無人機與地面移動平臺將回到消毒液補給信息獲取前的位置，并繼續(xù)完成消殺工作。在無人機與地面熏蒸補給平臺工作過程中，可實時利用消殺監(jiān)控平臺進(jìn)行消殺工作的監(jiān)測。

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

圖10 熏蒸及補液控制原理圖

圖11 無人機與地面小車的對接過程

5 總結(jié)

文章詳細(xì)介紹了空地異構(gòu)消殺機器人系統(tǒng)的設(shè)計方案，并著重對機器人系統(tǒng)的對接結(jié)構(gòu)和對接控制進(jìn)行設(shè)計，最后通過無人機與地面小車的對接實驗來說明該設(shè)計是具有一定的可行性。該系統(tǒng)結(jié)合微型無人機與移動小車消殺的優(yōu)點，可以對大型室內(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。