木牛流马-森林巡防监测仿生机器人

设计说明书

1 设计背景

自然保护区环境复杂多变，森林火灾等极端灾害和盗猎等犯罪事件市场发生。保护区日常巡防任务显得尤为重要。现今景区的巡防检测大多依靠人工进行，工作人员劳动强度大, 自动化程度低。且由于环境恶劣，任务重，景区工作人员不仅容易受伤，而且工作效率极低。随着人力成本的增加，巡防费用越发高昂，必须要研制可在局部范围内替代人工的机器，提高日常巡防和环境检测的效率，

针对以上问题，本作品设计了一款适合在自然景区崎岖路面行走的四足巡防检测机器人，模拟生物步态在景区行走，在不惊扰动物生物作息的同时，通过安装机载CCD和传感器，将采集到的实时图像和各项环境信息通过无线收发装置传输到远程控制平台，帮助后台控制人员及时发现景区现场隐情，起到巡逻预警功能，并能将预监测环境信息传输到科研人员受众，为他们进行相关科学研究提供宝贵数据。

2 系统机械结构设计

机械系统如图1所示，主要由机身、履腿复合型行走机构、采集收纳机构和监控机构等组成。其中机身采用骨架与外壳组合的结构形式，骨架为轻质铝合金 H形骨架，外壳为4 mm厚度的碳纤维开模成型，从而在确保强度和刚度的前提下，尽可能降低机身重量。此外，碳纤维外壳具有抗冲击、 阻燃的特性，而且碳纤维外壳采用密封装配，具有防水性、防尘性和防火性.采集收纳机构和监控机构均采用模块化设计进行独立封装 , 以便于组件的更换和维修。

2.1 履腿复合型行走结构

机器人采用履腿复合型行走结构，该行走系统在主动适应环境时，具备多种运动姿态。不同的环境、障碍对应不同的运动姿态变化过程。即可以用双摆臂履带式行走方式，也可以用四足行走模式。

单腿部结构主要由腰关节、髋关节、膝关节、足部组成。由舵机充当腿部结构的关节，由舵机架、腰关节支架、髋关节支架、膝关节支架充当腿部结构的肌肉骨骼。仿生四足机器人左前腿、右前腿、左后腿、右后腿结构完全一样，均匀分布安装在机架两侧。每条腿有三个舵机，用于驱动三个关节。通过控制舵机的转动，实现腿部结构的起落、前进、后退运动。仿生四足机器人的足部为平底面，有利于足部更好地与地面接触，仿生四足机器人在站立时更为平稳。行走时，仿生四足机器人通过腿部关节的转动实现直线行走、定点转弯和避障.

履带式行走时，将小腿和足部折叠缩入大腿，形成双摆臂履带式结构。主履带移动机构模块用于实现机器人的前进及转向。每个摆臂机构模块都可以独立正反旋转360°，实现多种组合姿态，从而辅助平稳通过各种障碍和复杂地形。

2.2 采集收纳机构

森林巡防监测仿生机器人的主要工作之一为在自然保护区采集生物样本（如动物粪便、土壤、植物等）并分类收纳，以便携带交回工作人员进行样本分析。采纳收集机构包括：采集机械手和收纳盒。

本设计采用六自由度机械臂作为采集装置，安装于机器人头部。机械臂底座处安装有红外摄像头，可实时将现场情况传递回控制站，方便工作人员操作远程观察选取生物样本。机械臂顶部安装爪型抓取机构，便于抓取生物样本。

收纳装置位于机身内部，收纳盒上方安装有滑动顶盖，由导向块、导向销、连杆、托架和前、后枕座等构成。当采集机械手将生物样本抓取并移动到收纳盒上方，滑动顶盖即打开，采集机械手将样本放入收纳盒后回复到初始位置，滑动顶盖随即闭合。

2.3 监控装置

系统装配有前360°红外摄像。

夜晚是景区巡护的关键时段，因此需要在机器人上安装360°广角红外摄像头，摄像头外部用半球型透明亚克力防护罩。摄像头底座下方安装升降旋转台，可实现摄像头水平360°旋转，观测面广。该摄像头安装在机械采集手下方，同时也能方便工作人员远程选择采集样本并辅助采集手准确抓取生物样本。

3 智能控制部分

为满足森林巡防功能要求, 机器人控制系统必须具备强大数据处理能力 , 从而完成电机驱动控制、 传感器信息处理、 与上位机通信等功能 。

3.1 控制系统概述

本文采用双层控制系统，可对各个子系统进行并行控制。其中基于ARM (Advanced RISC Microprocessor)的中央控制器完成任务规划以及子系统协调；各子系统设计遵循模块化原则，执行终端命令和信息采集反馈。中央控制器与各子系统之间通过基于FPGA (Field-Programmable Gate Array)的串行总线进行通信，从而满足大量信息实时交换的要求，同时也便于后续模块扩展。

3.2 伺服电机驱动控制

伺服电路包括升降机构控制电路和机器人行走机构控制电路两部分。电推杆由基于2象限 PID算法的以DSP为核心的驱动电路控制。行走机构由2个功率为150w的瑞士Maxon公司生产的直流伺服电机驱动，采用4象限PID算法进行指令控制，控制电路采用逻辑门搭建，只需要一路PWM控制全桥即可实现4象限。

3.3 图像处理模块

图像处理模块主要用于现场场景的监控和火灾的预警，白天可以作为普通监控相机使用，将数据无线传回上位机供硬盘存储和监控人员观察；由于CCD相机的频谱较宽，在夜晚可以捕捉到红外发热目标，对于人、动物、火源等有较大敏感度，从而可实现全天候值守的目标。为实现夜晚条件下的有效监控，对基于图像采集卡的图像处理进行了研究，设计了红外发热点位置、 距离测定算法。红外发热点由若干基本光像素组成，选择一定数量光像素作为标准敏感红外光点(阈值)，当识别到的红外发热点超过阈值数量时，程序可对全部光点进行分析并选择满足条件的有效光点，便可获得发热物体的轮廓形状及位置信息。为防止地面反射成像造成干扰，程序采用跟踪算法，即对已经确认的光点进行位置跟踪，即可实现目标监控和捕捉。

3.4 电源管理模块

机器人电源采用33. 6V/5Ah锂电池。电量的检测电路采用AD 623芯片的放大器电路，分别通过采样电阻对电池的输出电流、衰减电阻对电池的电压进行采样，并通过单片机ATMEGA 16的A/D转换器对所得电流和电压采样值进行变换，实现对电池电压实时监控，确保电池不会过度放电。

3.5  外围传感器

为弥补图像处理系统对近处目标找不到红外光点的缺陷，设计了超声传感器测距系统。其探测范围为0. 15～10 m，采用单片机ATMEGA128采样回波信号，通过定时器计算从超声信号发出至接收到回波信号之间的时间T。由公式S=340 ×T /2 (取声速为340 m/s)，计算出距离S。

机器人行进过程中，为避免障碍物对机器人的行进造成颠簸，使图像处理单元信息有误，或因障碍难以越过造成翻车，采用上海直川电子的ZCT245A N- 485双轴倾角传感器测量倾角，测量范围是±45°，分辨率为0. 1°。

为实时获得机器人的精确位置，采用了GPS和惯性导航模块相结合的组合导航定位系统。惯性导航模块，采用三个陀螺仪传感器、三轴加速度传感器和三轴磁场传感器测量机械运动参数，通过高精度A/D转换器进行采样，并利用浮点DSP完成基于卡尔曼滤波算法的姿态融合计算，求得机器人运动的航向角、横滚角和俯仰角，并可输出角速度、四元数、各轴运动加速度等运动学和动力学数据 。

GP S模块采用新月OEM接收系统。当通过卫星定位系统获得自身大致位置后，将位置数据发送至惯导模块内的ARM与惯导信息进行数据融合，从而获得自身的精确位置，再通过无线通讯反馈至上位控制机，以利于监控人员跟踪和决策。

4 设计创新点

相较市场上已有的林区巡护设备，该设计具备五大创新点。

第一、底盘结构轻量化、模块化，有一定的负载能力且仿生设计精巧。具有更加优良的机动性和环境适应能力，功能更加全面，执行巡检任务效率更高。

第二、续航问题是机器人发展瓶颈之一，提高能源利用效率，向高效节能方向发展亦是解决动力供给的一个发展趋势，本设计采用电油混合能源解决动力供给，灵活供配。
    第三、机器人自带多重传感器，多传感器数据融合具有生存能力强、空间时间覆盖范围广、可信度高、降低信息的模糊度等优点。

第四、林区巡检作业具有特殊性和复杂性，可使用多台机器人组合联动作业，在不同区域、不同时间通过协同工作完成巡检任务，弥补个体能力的不足，降低单个机器人的系统成本和设计难度，扩大任务完成范围。

参考文献

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