木牛流馬-森林巡防監測仿生機器人

設計說明書

1 設計背景

自然保護區環境復雜多變，森林火災等極端災害和盜獵等犯罪事件市場發生。保護區日常巡防任務顯得尤為重要。現今景區的巡防檢測大多依靠人工進行，工作人員勞動強度大, 自動化程度低。且由于環境惡劣，任務重，景區工作人員不僅容易受傷，而且工作效率極低。隨著人力成本的增加，巡防費用越發高昂，必須要研制可在局部范圍內替代人工的機器，提高日常巡防和環境檢測的效率，

針對以上問題，本作品設計了一款適合在自然景區崎嶇路面行走的四足巡防檢測機器人，模擬生物步態在景區行走，在不驚擾動物生物作息的同時，通過安裝機載CCD和傳感器，將采集到的實時圖像和各項環境信息通過無線收發裝置傳輸到遠程控制平臺，幫助后臺控制人員及時發現景區現場隱情，起到巡邏預警功能，并能將預監測環境信息傳輸到科研人員受眾，為他們進行相關科學研究提供寶貴數據。

2 系統機械結構設計

機械系統如圖1所示，主要由機身、履腿復合型行走機構、采集收納機構和監控機構等組成。其中機身采用骨架與外殼組合的結構形式，骨架為輕質鋁合金 H形骨架，外殼為4 mm厚度的碳纖維開模成型，從而在確保強度和剛度的前提下，盡可能降低機身重量。此外，碳纖維外殼具有抗沖擊、 阻燃的特性，而且碳纖維外殼采用密封裝配，具有防水性、防塵性和防火性.采集收納機構和監控機構均采用模塊化設計進行獨立封裝 , 以便于組件的更換和維修。

2.1 履腿復合型行走結構

機器人采用履腿復合型行走結構，該行走系統在主動適應環境時，具備多種運動姿態。不同的環境、障礙對應不同的運動姿態變化過程。即可以用雙擺臂履帶式行走方式，也可以用四足行走模式。

單腿部結構主要由腰關節、髖關節、膝關節、足部組成。由舵機充當腿部結構的關節，由舵機架、腰關節支架、髖關節支架、膝關節支架充當腿部結構的肌肉骨骼。仿生四足機器人左前腿、右前腿、左后腿、右后腿結構完全一樣，均勻分布安裝在機架兩側。每條腿有三個舵機，用于驅動三個關節。通過控制舵機的轉動，實現腿部結構的起落、前進、后退運動。仿生四足機器人的足部為平底面，有利于足部更好地與地面接觸，仿生四足機器人在站立時更為平穩。行走時，仿生四足機器人通過腿部關節的轉動實現直線行走、定點轉彎和避障.

履帶式行走時，將小腿和足部折疊縮入大腿，形成雙擺臂履帶式結構。主履帶移動機構模塊用于實現機器人的前進及轉向。每個擺臂機構模塊都可以獨立正反旋轉360°，實現多種組合姿態，從而輔助平穩通過各種障礙和復雜地形。

2.2 采集收納機構

森林巡防監測仿生機器人的主要工作之一為在自然保護區采集生物樣本（如動物糞便、土壤、植物等）并分類收納，以便攜帶交回工作人員進行樣本分析。采納收集機構包括：采集機械手和收納盒。

本設計采用六自由度機械臂作為采集裝置，安裝于機器人頭部。機械臂底座處安裝有紅外攝像頭，可實時將現場情況傳遞回控制站，方便工作人員操作遠程觀察選取生物樣本。機械臂頂部安裝爪型抓取機構，便于抓取生物樣本。

收納裝置位于機身內部，收納盒上方安裝有滑動頂蓋，由導向塊、導向銷、連桿、托架和前、后枕座等構成。當采集機械手將生物樣本抓取并移動到收納盒上方，滑動頂蓋即打開，采集機械手將樣本放入收納盒后回復到初始位置，滑動頂蓋隨即閉合。

2.3 監控裝置

系統裝配有前360°紅外攝像。

夜晚是景區巡護的關鍵時段，因此需要在機器人上安裝360°廣角紅外攝像頭，攝像頭外部用半球型透明亞克力防護罩。攝像頭底座下方安裝升降旋轉臺，可實現攝像頭水平360°旋轉，觀測面廣。該攝像頭安裝在機械采集手下方，同時也能方便工作人員遠程選擇采集樣本并輔助采集手準確抓取生物樣本。

3 智能控制部分

為滿足森林巡防功能要求, 機器人控制系統必須具備強大數據處理能力 , 從而完成電機驅動控制、 傳感器信息處理、 與上位機通信等功能 。

3.1 控制系統概述

本文采用雙層控制系統，可對各個子系統進行并行控制。其中基于ARM (Advanced RISC Microprocessor)的中央控制器完成任務規劃以及子系統協調；各子系統設計遵循模塊化原則，執行終端命令和信息采集反饋。中央控制器與各子系統之間通過基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)的串行總線進行通信，從而滿足大量信息實時交換的要求，同時也便于后續模塊擴展。

3.2 伺服電機驅動控制

伺服電路包括升降機構控制電路和機器人行走機構控制電路兩部分。電推桿由基于2象限 PID算法的以DSP為核心的驅動電路控制。行走機構由2個功率為150w的瑞士Maxon公司生產的直流伺服電機驅動，采用4象限PID算法進行指令控制，控制電路采用邏輯門搭建，只需要一路PWM控制全橋即可實現4象限。

3.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊主要用于現場場景的監控和火災的預警，白天可以作為普通監控相機使用，將數據無線傳回上位機供硬盤存儲和監控人員觀察；由于CCD相機的頻譜較寬，在夜晚可以捕捉到紅外發熱目標，對于人、動物、火源等有較大敏感度，從而可實現全天候值守的目標。為實現夜晚條件下的有效監控，對基于圖像采集卡的圖像處理進行了研究，設計了紅外發熱點位置、 距離測定算法。紅外發熱點由若干基本光像素組成，選擇一定數量光像素作為標準敏感紅外光點(閾值)，當識別到的紅外發熱點超過閾值數量時，程序可對全部光點進行分析并選擇滿足條件的有效光點，便可獲得發熱物體的輪廓形狀及位置信息。為防止地面反射成像造成干擾，程序采用跟蹤算法，即對已經確認的光點進行位置跟蹤，即可實現目標監控和捕捉。

3.4 電源管理模塊

機器人電源采用33. 6V/5Ah鋰電池。電量的檢測電路采用AD 623芯片的放大器電路，分別通過采樣電阻對電池的輸出電流、衰減電阻對電池的電壓進行采樣，并通過單片機ATMEGA 16的A/D轉換器對所得電流和電壓采樣值進行變換，實現對電池電壓實時監控，確保電池不會過度放電。

3.5  外圍傳感器

為彌補圖像處理系統對近處目標找不到紅外光點的缺陷，設計了超聲傳感器測距系統。其探測范圍為0. 15～10 m，采用單片機ATMEGA128采樣回波信號，通過定時器計算從超聲信號發出至接收到回波信號之間的時間T。由公式S=340 ×T /2 (取聲速為340 m/s)，計算出距離S。

機器人行進過程中，為避免障礙物對機器人的行進造成顛簸，使圖像處理單元信息有誤，或因障礙難以越過造成翻車，采用上海直川電子的ZCT245A N- 485雙軸傾角傳感器測量傾角，測量范圍是±45°，分辨率為0. 1°。

為實時獲得機器人的精確位置，采用了GPS和慣性導航模塊相結合的組合導航定位系統。慣性導航模塊，采用三個陀螺儀傳感器、三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器測量機械運動參數，通過高精度A/D轉換器進行采樣，并利用浮點DSP完成基于卡爾曼濾波算法的姿態融合計算，求得機器人運動的航向角、橫滾角和俯仰角，并可輸出角速度、四元數、各軸運動加速度等運動學和動力學數據 。

GP S模塊采用新月OEM接收系統。當通過衛星定位系統獲得自身大致位置后，將位置數據發送至慣導模塊內的ARM與慣導信息進行數據融合，從而獲得自身的精確位置，再通過無線通訊反饋至上位控制機，以利于監控人員跟蹤和決策。

4 設計創新點

相較市場上已有的林區巡護設備，該設計具備五大創新點。

第一、底盤結構輕量化、模塊化，有一定的負載能力且仿生設計精巧。具有更加優良的機動性和環境適應能力，功能更加全面，執行巡檢任務效率更高。

第二、續航問題是機器人發展瓶頸之一，提高能源利用效率，向高效節能方向發展亦是解決動力供給的一個發展趨勢，本設計采用電油混合能源解決動力供給，靈活供配。
    第三、機器人自帶多重傳感器，多傳感器數據融合具有生存能力強、空間時間覆蓋范圍廣、可信度高、降低信息的模糊度等優點。

第四、林區巡檢作業具有特殊性和復雜性，可使用多臺機器人組合聯動作業，在不同區域、不同時間通過協同工作完成巡檢任務，彌補個體能力的不足，降低單個機器人的系統成本和設計難度，擴大任務完成范圍。

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