專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，許多應(yīng)用領(lǐng)域都要求空中機(jī)器人能夠進(jìn)行低空低速飛行，進(jìn)行低空作業(yè)，執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，具有良好的性能。專(zhuān)利號(hào)為ZL200910079365.7的“一種多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法”提出的多旋翼多功能空中機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)上述要求，該機(jī)器人具有四旋翼主體結(jié)構(gòu)和雙腿結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用四旋翼主體結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人具有良好的飛行機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)低空低速飛行，完成復(fù)雜的低空作業(yè)，具有垂直起降簡(jiǎn)單，懸停加速靈活，姿態(tài)控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)；通過(guò)在四旋翼主體結(jié)構(gòu)上安裝雙腿結(jié)構(gòu)，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)接觸壁面并沿壁面行走、在行走狀況下跨越障礙物、對(duì)物體進(jìn)行夾持等多種動(dòng)作和功能。多旋翼多功能空中機(jī)器人拓展了空中機(jī)器人的應(yīng)用范圍，體現(xiàn)了空中機(jī)器人功能多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人的監(jiān)測(cè)控制，任務(wù)規(guī)劃，信息處理等技術(shù)提出了更高的要求。遠(yuǎn)程控制裝置是空中機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對(duì)空中機(jī)器人的指揮和控制，包括建立通信鏈路、對(duì)機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、信息分發(fā)和處理等等，是操縱手執(zhí)行飛行任務(wù)的主要平臺(tái)。操縱手通過(guò)遠(yuǎn)程控制裝置顯示的信息來(lái)獲取機(jī)器人的各類(lèi)信息，進(jìn)而進(jìn)行操作控制機(jī)器人?，F(xiàn)有遠(yuǎn)程控制裝置由于面向的空中機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能較少，因而系統(tǒng)的功能不夠全面，不能滿(mǎn)足多旋翼多功能空中機(jī)器人的要求，不能有效的輔助操縱手實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的各項(xiàng)功能，特別是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)雙腿的控制，以及通過(guò)雙腿實(shí)現(xiàn)各種功能和動(dòng)作。同時(shí)，現(xiàn)有遠(yuǎn)程控制裝置大多只適用于特定的機(jī)器人，通用性較差，適用范圍小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)多旋翼多功能空中機(jī)器人(簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)器人)結(jié)構(gòu)和功能上的特點(diǎn)，提供了一種遠(yuǎn)程控制裝置，建立機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制裝置的數(shù)據(jù)通信，具有對(duì)機(jī)器人進(jìn)行飛行監(jiān)控、任務(wù)規(guī)劃、參數(shù)配置、模擬運(yùn)行、危險(xiǎn)告警、雙腿控制、控制模式切換等功能，適合于操縱手對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和功能。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可以對(duì)某一功能模塊進(jìn)行修改和更換以適應(yīng)不同類(lèi)型的空中機(jī)器人，同時(shí)不影響其他模塊的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制裝置的通用性。專(zhuān)利號(hào)為ZL200910079365.7的專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了“一種多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法”，該專(zhuān)利申請(qǐng)中描述了所述機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。本發(fā)明所述的多旋翼多功能空中機(jī)器人在該機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了機(jī)器人的性能，有助于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。本發(fā)明提出的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，主要包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件、機(jī)器人操作控制平臺(tái)、機(jī)器人監(jiān)控軟件、地面控制計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備。所述的地面控制計(jì)算機(jī)上安裝機(jī)器人監(jiān)控軟件，并且所述的地面控制計(jì)算機(jī)分別連接機(jī)器人操作控制平臺(tái)、外圍設(shè)備和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件與多旋翼多功能空中機(jī)器人建立連接。所述的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件包括電平轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、高增益天線
A、高增益天線B和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝高增益天線A，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與機(jī)載控制系統(tǒng)連接，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)安裝高增益天線B，通過(guò)電纜與地面控制計(jì)算機(jī)連接。所述的機(jī)器人操作控制平臺(tái)包括通用遙控器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，均通過(guò)USB接口和地面控制計(jì)算機(jī)連接。所述外圍設(shè)備包括顯示屏、移動(dòng)電源和便攜式控制柜，顯示屏與地面控制計(jì)算機(jī)連接，移動(dòng)電源為遠(yuǎn)程控制裝置地面部分供電，顯示屏、地面控制計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電源均安裝在便攜式控制柜中。所述機(jī)器人監(jiān)控軟件基于VC++的MFC框架程序編寫(xiě)，包括信息模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制模塊、任務(wù)規(guī)劃模塊、參數(shù)配置模塊、三維模擬模塊和模式選擇模塊。本發(fā)明提出的遠(yuǎn)程控制裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:1.本發(fā)明提出的遠(yuǎn)程控制裝置充分考慮到機(jī)器人在重量和功耗方面的要求，電平轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和高增益天線A、B重量小、功耗低，降低了對(duì)機(jī)器人飛行性能和飛行功耗的影響，同時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)安全性高、傳輸距離遠(yuǎn)。2.本發(fā)明提出的遠(yuǎn)程控制裝置增強(qiáng)了操縱手對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)的認(rèn)知，電平轉(zhuǎn)換模塊的LED指示燈以及機(jī)器人監(jiān)控軟件的各類(lèi)模塊控件，向操縱手顯示當(dāng)前機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制裝置的通信狀況及工作狀態(tài)，軟件界面具有良好的人機(jī)交互性，便于操縱手讀取信息，提高操縱手操作的可靠性和準(zhǔn)確性。3.本發(fā)明提出的遠(yuǎn)程控制裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分模塊之間耦合性低，可以根據(jù)需要對(duì)模塊進(jìn)行修改或更換以適用于不同類(lèi)型的空中機(jī)器人，拓展了本發(fā)明的使用范圍。

4.本發(fā)明提出的遠(yuǎn)程控制裝置在對(duì)機(jī)器人的飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控的同時(shí)，還可以對(duì)雙腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作和功能，拓展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。5.本發(fā)明提出的遠(yuǎn)程控制裝置采用的任務(wù)規(guī)劃算法考慮了機(jī)器人的飛行性能和任務(wù)要求，在生成飛行航跡的過(guò)程中，引入機(jī)器人約束，縮短了規(guī)劃時(shí)間，提高了任務(wù)航跡的飛行性能，保障機(jī)器人能夠按預(yù)定的航跡進(jìn)行飛行，提高了執(zhí)行任務(wù)的成功率。


圖1為本發(fā)明的多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置組成2為本發(fā)明的多旋翼多功能空中機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明的多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置結(jié)構(gòu)圖1-機(jī)身2-機(jī)載控制系統(tǒng) 3-旋翼支撐桿4-旋翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)5-旋翼6-保護(hù)罩7-支架8-電機(jī)安裝底座9-爬壁大腿10-爬壁小腿1卜髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī) 12-膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)13-末端執(zhí)行器 14-髖關(guān)節(jié)連接件
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明是一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，如圖1所示，該裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件、機(jī)器人操作控制平臺(tái)、機(jī)器人監(jiān)控軟件、地面控制計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備，其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件分別和多旋翼多功能空中機(jī)器人(簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)器人)、地面控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)器人操作控制平臺(tái)、外圍設(shè)備和地面控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)器人監(jiān)控軟件安裝于地面控制計(jì)算機(jī)。所述的地面控制計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件對(duì)多旋翼多功能空中機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作和功能控制，并接收和處理機(jī)器人反饋給地面控制計(jì)算機(jī)的動(dòng)作和功能信息。多旋翼多功能空中機(jī)器人包括四旋翼主體結(jié)構(gòu)和雙腿結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中四旋翼主體包括機(jī)身1、機(jī)載控制系統(tǒng)2、旋翼支撐桿3、旋翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、旋翼5、保護(hù)罩6、支架7和電機(jī)安裝底座8，雙腿結(jié)構(gòu)安裝在四旋翼機(jī)身I上，包括爬壁大腿9、爬壁小腿10、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)11、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)12、末端執(zhí)行器13和髖關(guān)節(jié)連接件14。多旋翼多功能空中機(jī)器人在專(zhuān)利號(hào)為ZL200910079365.7的“一種多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法”所描述的機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括:1、機(jī)器人機(jī)身 I采用正方形雙層結(jié)構(gòu)，四個(gè)圓形旋翼支撐桿3沿著機(jī)身I主體對(duì)角線方向，在上下兩層之間呈對(duì)稱(chēng)分布，并用連接件和螺釘固定在機(jī)身I上。這種結(jié)構(gòu)形式提高了機(jī)器人的強(qiáng)度和剛度。2、四個(gè)旋翼5的外圍均安裝保護(hù)罩6。保護(hù)罩6的圓環(huán)通過(guò)支架7用螺釘固定于電機(jī)安裝底座8，保護(hù)罩6的圓環(huán)所在平面與旋翼5所在平面重合。四個(gè)旋翼5均由保護(hù)罩6獨(dú)立保護(hù)，提升了保護(hù)的效果，避免旋翼5和人、周?chē)h(huán)境、雙腿結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。3、雙腿結(jié)構(gòu)，包括兩組爬壁大腿9和爬壁小腿10，位于機(jī)器人的一個(gè)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，該平面處于兩相鄰旋翼支撐桿3的中間，與任意旋翼支撐桿3的夾角為45度。雙腿結(jié)構(gòu)在該對(duì)稱(chēng)平面中運(yùn)動(dòng)，增大了運(yùn)動(dòng)范圍，雙腿可運(yùn)動(dòng)至機(jī)身I以下，起到支撐四旋翼主體結(jié)構(gòu)的作用。4、雙腿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)11和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)12。髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)11通過(guò)髖關(guān)節(jié)連接件14安裝于機(jī)器人機(jī)身1，與爬壁大腿9連接，驅(qū)動(dòng)爬壁大腿9繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)12安裝于爬壁小腿10與爬壁大腿9之間，驅(qū)動(dòng)爬壁小腿10繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行器13采取舵機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪的形式。雙腿結(jié)構(gòu)采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)控制，控制效果好。5、機(jī)器人機(jī)身I設(shè)計(jì)了多個(gè)圓孔，去除部分材料，以減輕機(jī)身I的重量。機(jī)器人主要采用碳纖維材料，在滿(mǎn)足機(jī)器人強(qiáng)度和剛度的前提下，將重量降低到最小。所述無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件，如圖3所示，包括電平轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、高增益天線A、高增益天線B和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，分為機(jī)載部分和地面部分，其中:機(jī)載部分，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝高增益天線A，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與多旋翼多功能空中機(jī)器人上的機(jī)載控制系統(tǒng)2連接；地面部分，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)安裝高增益天線B，通過(guò)電纜與地面控制計(jì)算機(jī)連接。機(jī)器人上安裝的機(jī)載控制系統(tǒng)2和地面控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件進(jìn)行無(wú)線通信、數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)載部分的電平轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和高增益天線A總重量小，沒(méi)有給機(jī)器人造成額外的負(fù)重。電平轉(zhuǎn)換模塊將機(jī)載控制系統(tǒng)2的RS-232/485/422電平與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的TTL電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)開(kāi)關(guān)在RS-232轉(zhuǎn)TTL、RS-485轉(zhuǎn)TTL、RS-422轉(zhuǎn)TTL三種轉(zhuǎn)換模式中切換，以配合機(jī)載控制系統(tǒng)2不同的輸出電平。電平轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)LED顯示無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的供電情況以及工作狀態(tài)，包括:待機(jī)、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。高增益天線A有效的提高了信號(hào)強(qiáng)度、傳輸距離和抗干擾能力。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)之間采用半雙工通信模式，傳輸速度快、數(shù)據(jù)安全性高，能夠滿(mǎn)足機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制裝置對(duì)通信速度和可靠性的要求。所述機(jī)器人操作控制平臺(tái)，如圖3所示，包括通用遙控器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，均通過(guò)USB接口和地面控制計(jì)算機(jī)連接。機(jī)器人監(jiān)控軟件帶有對(duì)通用遙控器等手柄類(lèi)輸入設(shè)備支持的類(lèi)庫(kù)函數(shù)，通用遙控器輸出的控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)機(jī)器人監(jiān)控軟件相應(yīng)的處理，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件傳送給機(jī)器人。操縱手通過(guò)遙控器手動(dòng)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的飛行姿態(tài)和雙腿運(yùn)動(dòng)。鍵盤(pán)和鼠標(biāo)輔助操縱手對(duì)機(jī)器人監(jiān)控軟件進(jìn)行操作。外圍設(shè)備，如圖3所示，包括顯示屏、移動(dòng)電源和便攜式控制柜。顯示屏與地面控制計(jì)算機(jī)連接，顯示機(jī)器人監(jiān)控軟件。移動(dòng)電源為裝置供電，包括:地面控制計(jì)算機(jī)、顯示屏和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)。顯示屏、地面控制計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電源均安裝在地面的便攜式控制柜中。機(jī)器人監(jiān)控軟件，如圖3所示，基于VC++的MFC框架程序編寫(xiě)，包括信息模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制模塊、任務(wù)規(guī)劃模塊、參數(shù)配置模塊、三維模擬模塊和模式選擇模塊。信息模塊用于顯示機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制裝置的各類(lèi)信息，包括儀表控件、地圖控件、圖標(biāo)控件以及數(shù)據(jù)對(duì)話框和圖形控件。其中，儀表控件模擬真實(shí)航空儀表界面顯示機(jī)器人俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、空速和高度；地圖控件導(dǎo)入機(jī)器人飛行區(qū)域的矢量地圖，通過(guò)主地圖和鷹眼圖實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人位置，包含經(jīng)度和緯度，地圖控件支持對(duì)矢量地圖進(jìn)行多種操作，如放大、縮小、居中、漫游、選擇、測(cè)距、圖層控制、繪制點(diǎn)和線等；圖標(biāo)控件通過(guò)Icon圖標(biāo)顯示當(dāng)前機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制裝置的工作狀態(tài)，如串口是否打開(kāi)、通訊鏈路是否建立、機(jī)器人危險(xiǎn)及故障告警等；數(shù)據(jù)對(duì)話框?qū)⑦h(yuǎn)程控制裝置接收到的數(shù)據(jù)以十進(jìn)制數(shù)值實(shí)時(shí)顯示，圖形控件將數(shù)據(jù)在圖表中以曲線實(shí)時(shí)顯示，便于操縱手觀察。通信模塊通過(guò)MSComm串口控件經(jīng)由無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件建立機(jī)器人和遠(yuǎn)程控制裝置之間的通信數(shù)據(jù)鏈，并可以對(duì)串口號(hào)、數(shù)據(jù)位、波特率、停止位、校驗(yàn)位進(jìn)行選擇或修改。數(shù)據(jù)模塊根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解析通信模塊接收到的機(jī)載控制系統(tǒng)2傳回的數(shù)據(jù)，操縱手可以在機(jī)器人監(jiān)控軟件中對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行修改以適應(yīng)不同的通信要求。經(jīng)過(guò)解析處理后的數(shù)據(jù)，將更新信息模塊中各類(lèi)控件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)模塊采用ADO應(yīng)用程序編程接口，通過(guò)OLEDB訪問(wèn)底層Access2010數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)解析處理后數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和回放。控制模塊接收操縱手通過(guò)機(jī)器人操作控制平臺(tái)輸入的操作和指令，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制?？刂颇K內(nèi)置的類(lèi)庫(kù)接收和處理通用遙控器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并發(fā)送至機(jī)器人進(jìn)行控制?？刂颇K采集操縱手用鍵盤(pán)、鼠標(biāo)輸入的指令，如姿態(tài)角度指令、自主起降、巡航、執(zhí)行任務(wù)、雙腿動(dòng)作等，發(fā)送至機(jī)器人，機(jī)器人接收后完成相應(yīng)的指令。輸出的指令中包含專(zhuān)利號(hào)為ZL200910079365.7的“一種多旋翼腿輪式多功能空中機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法”中描述的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法的指令，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)該專(zhuān)利中描述的復(fù)雜的作業(yè)和運(yùn)動(dòng)。 任務(wù)規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)任務(wù)預(yù)先規(guī)劃、任務(wù)實(shí)時(shí)顯示與回放。對(duì)于每一次任務(wù)，任務(wù)規(guī)劃模塊將采集操縱手在地圖控件上所設(shè)置的該次任務(wù)的起點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)、終點(diǎn)、威脅區(qū)域等信息，由多個(gè)有序節(jié)點(diǎn)，采用任務(wù)規(guī)劃模塊內(nèi)置的規(guī)劃算法生成任務(wù)執(zhí)行指令和航跡指令。規(guī)劃完成的任務(wù)執(zhí)行指令和航跡指令將存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)模塊中，執(zhí)行任務(wù)時(shí)將指令發(fā)送至機(jī)器人上的機(jī)載控制系統(tǒng)2，并可在信息模塊的地圖控件中實(shí)時(shí)顯示任務(wù)的跟蹤情況。任務(wù)的回放是在某次任務(wù)執(zhí)行完之后，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時(shí)記錄到地面控制計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)，開(kāi)始模擬任務(wù)的執(zhí)行，將整個(gè)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程在地圖控件的界面上回放，顯示機(jī)器人航跡及指令執(zhí)行情況，以輔助操縱手分析某次任務(wù)執(zhí)行的情況。任務(wù)規(guī)劃模塊采用的規(guī)劃算法基于多旋翼多功能空中機(jī)器人模型給出航跡代價(jià)函數(shù)，將機(jī)器人的約束條件加入航跡搜索算法中，得到最優(yōu)的三維飛行航跡。航跡代價(jià)函數(shù)綜合機(jī)器人在各段航跡上飛行長(zhǎng)度、海拔高度、威脅指數(shù)等條件，得出對(duì)機(jī)器人航跡性能的總體評(píng)價(jià)。所述的機(jī)器人的約束條件包括:最小航跡長(zhǎng)度，即機(jī)器人在開(kāi)始改變飛行姿態(tài)前必須保持直飛的最短距離；最大拐彎角，即限制生成的航跡只能在小于或等于預(yù)先確定的最大拐彎角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)彎；最大爬升/下滑角，即限制生成航跡在高度方向上爬升和俯沖的最大角度；航跡距離約束，即限制生成的航跡長(zhǎng)度必須小于或等于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的最大距離；飛行高度限制，即保證機(jī)器人在飛行過(guò)程中的離地高度不低于某一給定高度；最高/最低飛行速度，即在某段飛行軌跡上，機(jī)器人的速度只能保持在某個(gè)限定區(qū)域；固定目標(biāo)位置進(jìn)入方向，即機(jī)器人按照特定方向或方向區(qū)間接近目標(biāo)。在航跡搜索過(guò)程中，從任務(wù)起點(diǎn)開(kāi)始，在所述約束條件的范圍內(nèi)開(kāi)始搜索下一節(jié)點(diǎn)，并使航跡代價(jià)最小，確定節(jié)點(diǎn)之后，以此節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)開(kāi)始搜索下一節(jié)點(diǎn)直至任務(wù)終點(diǎn)結(jié)束搜索。將搜索得到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，即可得到機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)進(jìn)行飛行的航跡。由于加入了約束條件，航跡搜索時(shí)間縮短，航跡的飛行性能也得到保障。參數(shù)配置模塊采集操縱手 通過(guò)機(jī)器人操作控制平臺(tái)輸入的機(jī)載控制系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)通信模塊發(fā)送至機(jī)器人進(jìn)行設(shè)置或修改。若要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確控制，必須對(duì)機(jī)載控制系統(tǒng)進(jìn)行配置。在配置界面中，完成機(jī)載控制系統(tǒng)標(biāo)定所需參數(shù)，如旋翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)參數(shù)、控制算法參數(shù)等設(shè)置和加載，配置后的參數(shù)可以單獨(dú)發(fā)送，也可以將所有參數(shù)一同發(fā)送，操作簡(jiǎn)單高效。三維模擬模塊模擬機(jī)器人飛行和雙腿運(yùn)動(dòng)的效果。機(jī)器人的三維模型創(chuàng)建成四旋翼主體和雙腿結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分的組合體，導(dǎo)入到OpenGL環(huán)境中，由數(shù)據(jù)模塊得到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型模擬機(jī)器人飛行姿態(tài)變化和雙腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠從俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角3個(gè)角度反應(yīng)機(jī)器人的飛行狀態(tài)，從關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度反應(yīng)雙腿結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器人搭載視頻設(shè)備，并將視頻傳輸至地面控制計(jì)算機(jī)時(shí)，三維模擬模塊可以將機(jī)器人的三維模型和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖像融合，真實(shí)感強(qiáng)，視覺(jué)效果好。模式選擇模塊包括手動(dòng)模式、自主模式，根據(jù)操縱手的選擇進(jìn)行切換。手動(dòng)模式下，操縱手使用通用遙控器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，控制機(jī)器人的飛行姿態(tài)和雙腿結(jié)構(gòu)的動(dòng)作；自主模式下，機(jī)器人將接收來(lái)自遠(yuǎn)程控制裝置的任務(wù)指令，進(jìn)行自主飛行，不接收來(lái)自通用遙控器的指令，直至任務(wù)結(jié)束或模式切換。
權(quán)利要求
1.一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:所述的遠(yuǎn)程控制裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件、機(jī)器人操作控制平臺(tái)、機(jī)器人監(jiān)控軟件、地面控制計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備，其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件分別和機(jī)器人、地面控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)器人操作控制平臺(tái)、夕卜圍設(shè)備和地面控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)器人監(jiān)控軟件安裝于地面控制計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:所述的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件包括電平轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、高增益天線A、高增益天線B和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝高增益天線A，與電平轉(zhuǎn)換模塊一起構(gòu)成機(jī)載部分設(shè)置在機(jī)器人上，所述電平轉(zhuǎn)換模塊與機(jī)器人上安裝的機(jī)載控制系統(tǒng)連接，電平轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)LED顯示無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作狀態(tài)；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)安裝高增益天線B，構(gòu)成地面部分設(shè)置在地面，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)通過(guò)電纜與地面控制計(jì)算機(jī)連接；機(jī)器人上的機(jī)載控制系統(tǒng)和地面控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件進(jìn)行無(wú)線通信、數(shù)據(jù)傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:所述的機(jī)器人操作控制平臺(tái)包括通用遙控器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，均通過(guò)USB接口和地面控制計(jì)算連接，操縱手通過(guò)遙控器手動(dòng)控制機(jī)器人的飛行姿態(tài)和雙腿運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)對(duì)地面控制計(jì)算機(jī)上安裝的機(jī)器人監(jiān)控軟件進(jìn)行操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:所述的外圍設(shè)備包括顯示屏、移動(dòng)電源和便攜式控制柜，顯示屏與地面控制計(jì)算機(jī)連接，顯示機(jī)器人監(jiān)控軟件，移動(dòng)電源為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件和地面控制計(jì)算機(jī)供電，顯示屏、地面控制計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電源均安裝在便攜式控制柜中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:所述的機(jī)器人監(jiān)控軟件 基于VC++的MFC框架程序?qū)崿F(xiàn)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括信息模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制模塊、任務(wù)規(guī)劃模塊、參數(shù)配置模塊、三維模擬模塊和模式選擇模塊；其中，信息模塊包括用于顯示姿態(tài)、高度、空速信息的儀表控件，用于顯示位置信息的地圖控件，用于顯示當(dāng)前機(jī)器人和系統(tǒng)工作狀態(tài)、進(jìn)行危險(xiǎn)告警的圖標(biāo)控件，用于顯示數(shù)據(jù)信息數(shù)值的對(duì)話框和圖形控件；通信模塊通過(guò)串口控件經(jīng)由無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件建立機(jī)載控制系統(tǒng)和地面控制計(jì)算機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)鏈；數(shù)據(jù)模塊解析和存儲(chǔ)通信模塊接收到的機(jī)載控制系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，更新信息模塊數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)回放時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；控制模塊接收操縱手通過(guò)機(jī)器人操作控制平臺(tái)輸入的操作和指令，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制；任務(wù)規(guī)劃模塊將采集操縱手在地圖控件上設(shè)置的任務(wù)起點(diǎn)、任務(wù)節(jié)點(diǎn)、任務(wù)終點(diǎn)、威脅區(qū)域信息，采用規(guī)劃算法生成任務(wù)執(zhí)行指令和航跡指令，通過(guò)通信模塊發(fā)送至機(jī)器人；參數(shù)配置模塊采集操縱手通過(guò)機(jī)器人操作控制平臺(tái)輸入的機(jī)載控制系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)通信模塊發(fā)送至機(jī)器人，設(shè)置或修改機(jī)載控制系統(tǒng)參數(shù)；三維模擬模塊在OpenGL環(huán)境中導(dǎo)入機(jī)器人三維模型，由數(shù)據(jù)模塊得到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型模擬機(jī)器人姿態(tài)變化和雙腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；模式選擇模塊包括手動(dòng)模式、自主模式，根據(jù)操縱手通過(guò)機(jī)器人操作控制平臺(tái)的選擇進(jìn)行切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:所述的機(jī)器人監(jiān)控軟件中的規(guī)劃算法基于多旋翼多功能空中機(jī)器人模型給出航跡代價(jià)函數(shù)，將機(jī)器人的最小航跡長(zhǎng)度、最大拐彎角、最大爬升/下滑角、航跡距離約束、飛行高度限制、最高/最低飛行速度、固定目標(biāo)位置進(jìn)入方向這些約束條件加入航跡搜索算法中，得到最小代價(jià)的三維飛行航跡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，所述的多旋翼多功能空中機(jī)器人包括四旋翼主體和雙腿結(jié)構(gòu)，其中四旋翼主體包括機(jī)身、機(jī)載控制系統(tǒng)、旋翼支撐桿、旋翼驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋翼、保護(hù)罩、支架和電機(jī)安裝底座，雙腿結(jié)構(gòu)安裝在機(jī)身上，包括爬壁大腿、爬壁小腿、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)、末端執(zhí)行器和髖關(guān)節(jié)連接件；其特征在于:所述機(jī)身采用正方形雙層結(jié)構(gòu)，四個(gè)圓形旋翼支撐桿沿著機(jī)身主體對(duì)角線方向，在上下兩層之間呈對(duì)稱(chēng)分布，并用連接件和螺釘固定在機(jī)身上；四個(gè)旋翼的外圍均安裝保護(hù)罩，保護(hù)罩的圓環(huán)通過(guò)支架用螺釘固定于電機(jī)安裝底座，保護(hù)罩的圓環(huán)所在平面與旋翼所在平面重合；四個(gè)旋翼均由保護(hù)罩獨(dú)立保護(hù)；兩組爬壁大腿和爬壁小腿位于機(jī)器人的一個(gè)對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，該平面處于兩相鄰旋翼支撐桿的中間，與任意旋翼支撐桿的夾角為45度；所述髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)通過(guò)髖關(guān)節(jié)連接件安裝于機(jī)器人機(jī)身，與爬壁大腿連接，驅(qū)動(dòng)爬壁大腿繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)安裝于爬壁小腿與爬壁大腿之間，驅(qū)動(dòng)爬壁小腿繞膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；末端執(zhí)行器采取舵機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪的形式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，其特征在于:機(jī)器人機(jī)身設(shè)計(jì)了多個(gè) 圓孔；機(jī)器人采用碳纖維材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多旋翼多功能空中機(jī)器人遠(yuǎn)程控制裝置，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。所述的遠(yuǎn)程控制裝置包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件、機(jī)器人操作控制平臺(tái)、機(jī)器人監(jiān)控軟件、地面控制計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備，其中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件分別和機(jī)器人、地面控制計(jì)算機(jī)連接；機(jī)器人操作控制平臺(tái)、外圍設(shè)備和地面控制計(jì)算機(jī)連接，機(jī)器人監(jiān)控軟件安裝于地面控制計(jì)算機(jī)。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，各部分模塊之間耦合性低，拓展了使用范圍；降低了對(duì)機(jī)器人飛行性能和飛行功耗的影響，同時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組件抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)安全性高、傳輸距離遠(yuǎn)。本發(fā)明引入機(jī)器人約束條件，縮短了規(guī)劃時(shí)間，提高了任務(wù)航跡的飛行性能和成功率，保障機(jī)器人能夠按預(yù)定的航跡進(jìn)行飛行。
文檔編號(hào)G05B19/418GK103217983SQ20131013969
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者丁希侖, 王學(xué)強(qiáng), 俞玉樹(shù), 査長(zhǎng)流 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)