一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置

1.一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置，其特征在于：所述的远程控制装置包括无线数据传输组件、机器人操作控制平台、机器人监控软件、地面控制计算机和外围设备，其中无线数据传输组件分别和机器人、地面控制计算机连接，机器人操作控制平台、外围设备和地面控制计算机连接，机器人监控软件安装于地面控制计算机；
所述的无线数据传输组件包括电平转换模块、无线数据传输模块、高增益天线A、高增益天线B和无线数据传输电台，其中无线数据传输模块安装高增益天线A，与电平转换模块一起构成机载部分设置在机器人上，所述电平转换模块与机器人上安装的机载控制系统连接，电平转换模块通过LED显示无线数据传输模块的工作状态；无线数据传输电台安装高增益天线B，构成地面部分设置在地面，无线数据传输电台通过电缆与地面控制计算机连接；机器人上的机载控制系统和地面控制计算机之间通过无线数据传输组件进行无线通信、数据传输；
所述的机器人操作控制平台包括通用遥控器、键盘和鼠标，均通过USB接口和地面控制计算连接，操纵手通过遥控器手动控制机器人的飞行姿态和双腿运动，通过键盘和鼠标对地面控制计算机上安装的机器人监控软件进行操作；
所述的外围设备包括显示屏、移动电源和便携式控制柜，显示屏与地面控制计算机连接，显示机器人监控软件，移动电源为无线数据传输组件和地面控制计算机供电，显示屏、地面控制计算机、移动电源均安装在便携式控制柜中；
所述的机器人监控软件基于VC++的MFC框架程序实现，采用模块化设计方法，包括信息模块、通信模块、数据模块、控制模块、任务规划模块、参数配置模块、三维模拟模块和模式选择模块；其中，信息模块包括用于显示姿态、高度、空速信息的仪表控件，用于显示位置信息的地图控件，用于显示当前机器人和系统工作状态、进行危险告警的图标控件，用于显示数据信息数值的对话框和图形控件；通信模块通过串口控件经由无线数据传输组件建立机载控制系统和地面控制计算机之间的通信数据链；数据模块解析和存储通信模块接收到的机载控制系统传输的数据，更新信息模块数据，数据回放时调用存储的数据；控制模块接收操纵手通过机器人操作控制平台输入的操作和指令，对机器人进行手动控制；任务规划模块将采集操纵手在地图控件上设置的任务起点、任务节点、任务终点、威胁区域信息，采用规划算法生成任务执行指令和航迹指令，通过通信模块发送至机器人；参数配置模块采集操纵手通过机器人操作控制平台输入的机载控制系统参数，通过通信模块发送至机器人，设置或修改机载控制系统参数；三维模拟模块在OpenGL环境中导入机器人三维模型，由数据模块得到的数据驱动模型模拟机器人姿态变化和双腿关节转动；模式选择模块包括手动模式、自主模式，根据操纵手通过机器人操作控制平台的选择进行切换；
所述的机器人监控软件中的规划算法基于多旋翼多功能空中机器人模型给出航迹代价函数，将机器人的最小航迹长度、最大拐弯角、最大爬升/下滑角、航迹距离约束、飞行高度限制、最高/最低飞行速度、固定目标位置进入方向这些约束条件加入航迹搜索算法中，得到最小代价的三维飞行航迹；
所述的多旋翼多功能空中机器人包括四旋翼主体和双腿结构，其中四旋翼主体包括机身、机载控制系统、旋翼支撑杆、旋翼驱动电机、旋翼、保护罩、支架和电机安装底座，双腿结构安装在机身上，包括爬壁大腿、爬壁小腿、髋关节驱动舵机、膝关节驱动舵机、末端执行器和髋关节连接件；其特征在于：所述机身采用正方形双层结构，四个圆形旋翼支撑杆沿着机身主体对角线方向，在上下两层之间呈对称分布，并用连接件和螺钉固定在机身上；四个旋翼的外围均安装保护罩，保护罩的圆环通过支架用螺钉固定于电机安装底座，保护罩的圆环所在平面与旋翼所在平面重合；四个旋翼均由保护罩独立保护；两组爬壁大腿和爬壁小腿位于机器人的一个对称平面内，该平面处于两相邻旋翼支撑杆的中间，与任意旋翼支撑杆的夹角为45度；所述髋关节驱动舵机通过髋关节连接件安装于机器人机身，与爬壁大腿连接，驱动爬壁大腿绕髋关节转动；膝关节驱动舵机安装于爬壁小腿与爬壁大腿之间，驱动爬壁小腿绕膝关节转动；末端执行器采取舵机驱动滚轮的形式。
2.根据权利要求1所述的一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置，其特征在于：
机器人机身设计了多个圆孔；机器人采用碳纤维材料。

一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置，属于机器人控制技术领域。\n背景技术\n[0002] 目前，许多应用领域都要求空中机器人能够进行低空低速飞行，进行低空作业，执行多项任务，具有良好的性能。专利号为ZL200910079365.7的“一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法”提出的多旋翼多功能空中机器人能够实现上述要求，该机器人具有四旋翼主体结构和双腿结构，通过采用四旋翼主体结构，使机器人具有良好的飞行机动性和稳定性，能够实现低空低速飞行，完成复杂的低空作业，具有垂直起降简单，悬停加速灵活，姿态控制能力强等特点；通过在四旋翼主体结构上安装双腿结构，机器人能够实现接触壁面并沿壁面行走、在行走状况下跨越障碍物、对物体进行夹持等多种动作和功能。多旋翼多功能空中机器人拓展了空中机器人的应用范围，体现了空中机器人功能多样化的发展趋势，同时也对机器人的监测控制，任务规划，信息处理等技术提出了更高的要求。\n[0003] 远程控制装置是空中机器人系统的重要组成部分，主要完成对空中机器人的指挥和控制，包括建立通信链路、对机器人进行监控、任务规划、信息分发和处理等等，是操纵手执行飞行任务的主要平台。操纵手通过远程控制装置显示的信息来获取机器人的各类信息，进而进行操作控制机器人。现有远程控制装置由于面向的空中机器人结构简单、功能较少，因而系统的功能不够全面，不能满足多旋翼多功能空中机器人的要求，不能有效的辅助操纵手实现该机器人的各项功能，特别是不能实现对双腿的控制，以及通过双腿实现各种功能和动作。同时，现有远程控制装置大多只适用于特定的机器人，通用性较差，适用范围小。\n发明内容\n[0004] 本发明针对多旋翼多功能空中机器人（简称机器人）结构和功能上的特点，提供了一种远程控制装置，建立机器人与远程控制装置的数据通信，具有对机器人进行飞行监控、任务规划、参数配置、模拟运行、危险告警、双腿控制、控制模式切换等功能，适合于操纵手对该机器人进行操作，实现各种运动和功能。本发明采用模块化设计方法，可以对某一功能模块进行修改和更换以适应不同类型的空中机器人，同时不影响其他模块的运行，实现了远程控制装置的通用性。\n[0005] 专利号为ZL200910079365.7的专利申请公开了“一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法”，该专利申请中描述了所述机器人的结构和运动规划方法。本发明所述的多旋翼多功能空中机器人在该机器人的基础上，对结构进行优化设计，提升了机器人的性能，有助于实现运动规划。\n[0006] 本发明提出的一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置，主要包括无线数据传输组件、机器人操作控制平台、机器人监控软件、地面控制计算机和外围设备。所述的地面控制计算机上安装机器人监控软件，并且所述的地面控制计算机分别连接机器人操作控制平台、外围设备和无线数据传输组件，并通过无线数据传输组件与多旋翼多功能空中机器人建立连接。所述的无线数据传输组件包括电平转换模块、无线数据传输模块、高增益天线A、高增益天线B和无线数据传输电台，其中无线数据传输模块安装高增益天线A，通过电平转换模块与机载控制系统连接，无线数据传输电台安装高增益天线B，通过电缆与地面控制计算机连接。所述的机器人操作控制平台包括通用遥控器、键盘和鼠标，均通过USB接口和地面控制计算机连接。所述外围设备包括显示屏、移动电源和便携式控制柜，显示屏与地面控制计算机连接，移动电源为远程控制装置地面部分供电，显示屏、地面控制计算机和移动电源均安装在便携式控制柜中。所述机器人监控软件基于VC++的MFC框架程序编写，包括信息模块、通信模块、数据模块、控制模块、任务规划模块、参数配置模块、三维模拟模块和模式选择模块。本发明提出的远程控制装置具有以下优点和积极效果：\n[0007] 1.本发明提出的远程控制装置充分考虑到机器人在重量和功耗方面的要求，电平转换模块、无线数据传输模块和高增益天线A、B重量小、功耗低，降低了对机器人飞行性能和飞行功耗的影响，同时无线数据传输组件抗干扰能力强、数据安全性高、传输距离远。\n[0008] 2.本发明提出的远程控制装置增强了操纵手对机器人工作状态的认知，电平转换模块的LED指示灯以及机器人监控软件的各类模块控件，向操纵手显示当前机器人与远程控制装置的通信状况及工作状态，软件界面具有良好的人机交互性，便于操纵手读取信息，提高操纵手操作的可靠性和准确性。\n[0009] 3.本发明提出的远程控制装置采用模块化设计，各部分模块之间耦合性低，可以根据需要对模块进行修改或更换以适用于不同类型的空中机器人，拓展了本发明的使用范围。\n[0010] 4.本发明提出的远程控制装置在对机器人的飞行运动进行监控的同时，还可以对双腿结构进行控制，实现各种动作和功能，拓展了机器人的应用范围。\n[0011] 5.本发明提出的远程控制装置采用的任务规划算法考虑了机器人的飞行性能和任务要求，在生成飞行航迹的过程中，引入机器人约束，缩短了规划时间，提高了任务航迹的飞行性能，保障机器人能够按预定的航迹进行飞行，提高了执行任务的成功率。\n附图说明\n[0012] 图1为本发明的多旋翼多功能空中机器人远程控制装置组成图\n[0013] 图2为本发明的多旋翼多功能空中机器人结构示意图\n[0014] 图3为本发明的多旋翼多功能空中机器人远程控制装置结构图\n[0015] 1-机身 2-机载控制系统 3-旋翼支撑杆 4-旋翼驱动电机[0016] 5-旋翼 6-保护罩 7-支架 8-电机安装底座[0017] 9-爬壁大腿 10-爬壁小腿 11-髋关节驱动舵机 12-膝关节驱动舵机[0018] 13-末端执行器 14-髋关节连接件\n具体实施方式\n[0019] 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。\n[0020] 本发明是一种多旋翼多功能空中机器人远程控制装置，如图1所示，该装置包括无线数据传输组件、机器人操作控制平台、机器人监控软件、地面控制计算机和外围设备，其中无线数据传输组件分别和多旋翼多功能空中机器人（简称机器人）、地面控制计算机连接，机器人操作控制平台、外围设备和地面控制计算机连接，机器人监控软件安装于地面控制计算机。所述的地面控制计算机通过无线数据传输组件对多旋翼多功能空中机器人进行动作和功能控制，并接收和处理机器人反馈给地面控制计算机的动作和功能信息。\n[0021] 多旋翼多功能空中机器人包括四旋翼主体结构和双腿结构，如图2所示，其中四旋翼主体包括机身1、机载控制系统2、旋翼支撑杆3、旋翼驱动电机4、旋翼5、保护罩6、支架7和电机安装底座8，双腿结构安装在四旋翼机身1上，包括爬壁大腿9、爬壁小腿10、髋关节驱动舵机11、膝关节驱动舵机12、末端执行器13和髋关节连接件14。\n[0022] 多旋翼多功能空中机器人在专利号为ZL200910079365.7的“一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法”所描述的机器人结构的基础上，进行了优化设计，主要包括：\n[0023] 1、机器人机身1采用正方形双层结构，四个圆形旋翼支撑杆3沿着机身1主体对角线方向，在上下两层之间呈对称分布，并用连接件和螺钉固定在机身1上。这种结构形式提高了机器人的强度和刚度。\n[0024] 2、四个旋翼5的外围均安装保护罩6。保护罩6的圆环通过支架7用螺钉固定于电机安装底座8，保护罩6的圆环所在平面与旋翼5所在平面重合。四个旋翼5均由保护罩\n6独立保护，提升了保护的效果，避免旋翼5和人、周围环境、双腿结构发生干涉。\n[0025] 3、双腿结构，包括两组爬壁大腿9和爬壁小腿10，位于机器人的一个对称平面内，该平面处于两相邻旋翼支撑杆3的中间，与任意旋翼支撑杆3的夹角为45度。双腿结构在该对称平面中运动，增大了运动范围，双腿可运动至机身1以下，起到支撑四旋翼主体结构的作用。\n[0026] 4、双腿结构的运动由舵机驱动实现，包括髋关节驱动舵机11和膝关节驱动舵机\n12。髋关节驱动舵机11通过髋关节连接件14安装于机器人机身1，与爬壁大腿9连接，驱动爬壁大腿9绕髋关节转动。膝关节驱动舵机12安装于爬壁小腿10与爬壁大腿9之间，驱动爬壁小腿10绕膝关节转动。末端执行器13采取舵机驱动滚轮的形式。双腿结构采用舵机驱动，易于实现控制，控制效果好。\n[0027] 5、机器人机身1设计了多个圆孔，去除部分材料，以减轻机身1的重量。机器人主要采用碳纤维材料，在满足机器人强度和刚度的前提下，将重量降低到最小。\n[0028] 所述无线数据传输组件，如图3所示，包括电平转换模块、无线数据传输模块、高增益天线A、高增益天线B和无线数据传输电台，分为机载部分和地面部分，其中：机载部分，无线数据传输模块安装高增益天线A，通过电平转换模块与多旋翼多功能空中机器人上的机载控制系统2连接；地面部分，无线数据传输电台安装高增益天线B，通过电缆与地面控制计算机连接。机器人上安装的机载控制系统2和地面控制计算机之间通过无线数据传输组件进行无线通信、数据传输。机载部分的电平转换模块、无线数据传输模块和高增益天线A总重量小，没有给机器人造成额外的负重。电平转换模块将机载控制系统2的RS-232/485/422电平与无线数据传输模块的TTL电平进行相互转换，通过开关在RS-232转TTL、RS-485转TTL、RS-422转TTL三种转换模式中切换，以配合机载控制系统2不同的输出电平。电平转换模块通过LED显示无线数据传输模块的供电情况以及工作状态，包括：待机、数据接收和数据发送。高增益天线A有效的提高了信号强度、传输距离和抗干扰能力。\n无线数据传输模块和无线数据传输电台之间采用半双工通信模式，传输速度快、数据安全性高，能够满足机器人与远程控制装置对通信速度和可靠性的要求。\n[0029] 所述机器人操作控制平台，如图3所示，包括通用遥控器、键盘和鼠标，均通过USB接口和地面控制计算机连接。机器人监控软件带有对通用遥控器等手柄类输入设备支持的类库函数，通用遥控器输出的控制数据经过机器人监控软件相应的处理，通过无线数据传输组件传送给机器人。操纵手通过遥控器手动实时控制机器人的飞行姿态和双腿运动。键盘和鼠标辅助操纵手对机器人监控软件进行操作。\n[0030] 外围设备，如图3所示，包括显示屏、移动电源和便携式控制柜。显示屏与地面控制计算机连接，显示机器人监控软件。移动电源为装置供电，包括：地面控制计算机、显示屏和无线数据传输电台。显示屏、地面控制计算机、移动电源均安装在地面的便携式控制柜中。\n[0031] 机器人监控软件，如图3所示，基于VC++的MFC框架程序编写，包括信息模块、通信模块、数据模块、控制模块、任务规划模块、参数配置模块、三维模拟模块和模式选择模块。\n[0032] 信息模块用于显示机器人和远程控制装置的各类信息，包括仪表控件、地图控件、图标控件以及数据对话框和图形控件。其中，仪表控件模拟真实航空仪表界面显示机器人俯仰角、滚转角、偏航角、空速和高度；地图控件导入机器人飞行区域的矢量地图，通过主地图和鹰眼图实时显示机器人位置，包含经度和纬度，地图控件支持对矢量地图进行多种操作，如放大、缩小、居中、漫游、选择、测距、图层控制、绘制点和线等；图标控件通过Icon图标显示当前机器人和远程控制装置的工作状态，如串口是否打开、通讯链路是否建立、机器人危险及故障告警等；数据对话框将远程控制装置接收到的数据以十进制数值实时显示，图形控件将数据在图表中以曲线实时显示，便于操纵手观察。\n[0033] 通信模块通过MSComm串口控件经由无线数据传输组件建立机器人和远程控制装置之间的通信数据链，并可以对串口号、数据位、波特率、停止位、校验位进行选择或修改。\n[0034] 数据模块根据数据协议解析通信模块接收到的机载控制系统2传回的数据，操纵手可以在机器人监控软件中对数据协议进行修改以适应不同的通信要求。经过解析处理后的数据，将更新信息模块中各类控件进行实时显示。数据模块采用ADO应用程序编程接口，通过OLEDB访问底层Access2010数据库，实现经解析处理后数据的记录、存储和回放。\n[0035] 控制模块接收操纵手通过机器人操作控制平台输入的操作和指令，对机器人进行手动控制。控制模块内置的类库接收和处理通用遥控器发出的数据，并发送至机器人进行控制。控制模块采集操纵手用键盘、鼠标输入的指令，如姿态角度指令、自主起降、巡航、执行任务、双腿动作等，发送至机器人，机器人接收后完成相应的指令。输出的指令中包含专利号为ZL200910079365.7的“一种多旋翼腿轮式多功能空中机器人及其运动规划方法”中描述的运动规划方法的指令，控制机器人实现该专利中描述的复杂的作业和运动。\n[0036] 任务规划模块实现任务预先规划、任务实时显示与回放。对于每一次任务，任务规划模块将采集操纵手在地图控件上所设置的该次任务的起点、节点、终点、威胁区域等信息，由多个有序节点，采用任务规划模块内置的规划算法生成任务执行指令和航迹指令。规划完成的任务执行指令和航迹指令将存储至数据模块中，执行任务时将指令发送至机器人上的机载控制系统2，并可在信息模块的地图控件中实时显示任务的跟踪情况。任务的回放是在某次任务执行完之后，根据任务执行时记录到地面控制计算机中的数据，开始模拟任务的执行，将整个任务执行过程在地图控件的界面上回放，显示机器人航迹及指令执行情况，以辅助操纵手分析某次任务执行的情况。\n[0037] 任务规划模块采用的规划算法基于多旋翼多功能空中机器人模型给出航迹代价函数，将机器人的约束条件加入航迹搜索算法中，得到最优的三维飞行航迹。航迹代价函数综合机器人在各段航迹上飞行长度、海拔高度、威胁指数等条件，得出对机器人航迹性能的总体评价。所述的机器人的约束条件包括：最小航迹长度，即机器人在开始改变飞行姿态前必须保持直飞的最短距离；最大拐弯角，即限制生成的航迹只能在小于或等于预先确定的最大拐弯角范围内转弯；最大爬升/下滑角，即限制生成航迹在高度方向上爬升和俯冲的最大角度；航迹距离约束，即限制生成的航迹长度必须小于或等于一个预先设定的最大距离；飞行高度限制，即保证机器人在飞行过程中的离地高度不低于某一给定高度；最高/最低飞行速度，即在某段飞行轨迹上，机器人的速度只能保持在某个限定区域；固定目标位置进入方向，即机器人按照特定方向或方向区间接近目标。在航迹搜索过程中，从任务起点开始，在所述约束条件的范围内开始搜索下一节点，并使航迹代价最小，确定节点之后，以此节点为起点开始搜索下一节点直至任务终点结束搜索。将搜索得到的各个节点连接，即可得到机器人执行任务进行飞行的航迹。由于加入了约束条件，航迹搜索时间缩短，航迹的飞行性能也得到保障。\n[0038] 参数配置模块采集操纵手通过机器人操作控制平台输入的机载控制系统参数，通过通信模块发送至机器人进行设置或修改。若要实现机器人的精确控制，必须对机载控制系统进行配置。在配置界面中，完成机载控制系统标定所需参数，如旋翼驱动电机参数、关节驱动舵机参数、控制算法参数等设置和加载，配置后的参数可以单独发送，也可以将所有参数一同发送，操作简单高效。\n[0039] 三维模拟模块模拟机器人飞行和双腿运动的效果。机器人的三维模型创建成四旋翼主体和双腿结构两个部分的组合体，导入到OpenGL环境中，由数据模块得到的数据驱动模型模拟机器人飞行姿态变化和双腿关节转动，能够从俯仰角、滚转角和偏航角3个角度反应机器人的飞行状态，从关节的旋转角度反应双腿结构的运行状态。当机器人搭载视频设备，并将视频传输至地面控制计算机时，三维模拟模块可以将机器人的三维模型和现场环境图像融合，真实感强，视觉效果好。\n[0040] 模式选择模块包括手动模式、自主模式，根据操纵手的选择进行切换。手动模式下，操纵手使用通用遥控器对机器人进行控制，控制机器人的飞行姿态和双腿结构的动作；\n自主模式下，机器人将接收来自远程控制装置的任务指令，进行自主飞行，不接收来自通用遥控器的指令，直至任务结束或模式切换。