王彬 辛樹強

摘 要 本文主要對無人機排爆機械臂的設(shè)計問題進行研究，分析其硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計，意在提升無人機機械臂的智能水平，希望對相關(guān)的工作人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 無人機;排爆機械臂;系統(tǒng)設(shè)計

前言

無人機排爆機械臂通過利用先進的體感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對機械臂的精確控制，從而令動作更加準(zhǔn)確清晰，幫助工作人員更好地控制機械臂，因此，應(yīng)該加強系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計，提高機械臂工作的效率。

1無人機排爆機械臂的硬件設(shè)計

1.1 無人機排爆機械臂的臂端設(shè)計

機械臂由以下三部分構(gòu)成，即無線視頻傳輸系統(tǒng)、無人機機械臂以及機械臂的控制板，通常無人機機械臂使用的是開源型號的三舵機械臂，不僅能夠完成上升、下降以及抓取等機械動作，并且視頻傳輸系統(tǒng)還能夠?qū)C械臂的數(shù)據(jù)圖像輸送到操作端，令工作人員實時監(jiān)測無人機排爆機械臂的工作狀況?，F(xiàn)階段無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K主要利用5.8g的無線傳輸協(xié)議，由于無人機設(shè)備中對其的使用較少，因此，有助于防止其他無線電系統(tǒng)帶來的干擾，更加高效地進行數(shù)據(jù)傳輸[1]。

另外，由于無線傳輸套件需要穩(wěn)定的信號，即使遠距離傳播也需要保證信號的質(zhì)量，才能令工作人員有效進行數(shù)據(jù)的傳輸，機械臂的控制板是為了接收控制信號，然后通過控制機械臂的臂舵令機械臂轉(zhuǎn)動。通常機械臂是由3部機械舵機組成的，工作人員通過控制機械臂就能夠完成抓取、釋放、升降等動作。

除此之外，由于機械爪整體均采用了鋁合金與銅柱制成的，不僅能夠降低機械臂的重量，同時還能夠確保其強度，為了保證無人機防爆機械臂的效率，避免在抓取可燃物時出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，在設(shè)計機械臂時，可以利用波浪形的設(shè)計方式，充分保證可疑爆炸物轉(zhuǎn)移過程的安全性。

1.2 無人機機械臂操作端的設(shè)計

機械臂的操作端包含以下幾部分，F(xiàn)PV顯示器以及手感數(shù)據(jù)手套構(gòu)成的，其中FPV顯示器在設(shè)計時需要安裝無線接收器，然后使用5.8g的無線信號進行視頻信號的傳輸工作，通過此種設(shè)計方式，能夠接收到數(shù)據(jù)信息，幫助工作人員觀察和檢測機械臂的工作狀態(tài)，令機械臂能夠更加準(zhǔn)確地抓取物體。在設(shè)計顯示器時，需要采用LED的高清屏幕，分辨率要在1080P，有助于工作人員從高清屏幕上準(zhǔn)確觀測出機械臂的信息，為可疑爆炸物的處理工作提供便利。

另外，由于體感數(shù)據(jù)的手套，可以準(zhǔn)確感應(yīng)出人手掌的姿勢，同時還能提取到加速度、角速度以及角度等數(shù)據(jù)，因此，在對無人機排爆機械臂的體感手套展開設(shè)計的過程中，可以將手指彎曲程度的傳感器通過阻值的方式體現(xiàn)出來。例如，非彎曲的狀態(tài)下，將阻值設(shè)計為9000Ω，90度彎曲時電阻為14000Ω，180度彎曲時電阻設(shè)計為22000Ω，令機械臂內(nèi)部的電路將阻值轉(zhuǎn)變成電壓值，最終以32位處理器將電壓值打包后再輸出。輸出的數(shù)字信息能夠為控制機械提供良好的信息。因此，無人機排爆機械臂在具體的工作過程中，將控制信息利用無線電的傳播模塊輸送到機械臂端，然后實現(xiàn)對機械臂上、中、下等三部舵機的控制，令舵機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)抓取、升降等動作[2]。

除此之外，在對無人機機械臂進行供電設(shè)計時，應(yīng)該注重通用性和協(xié)調(diào)性，當(dāng)前10400mA、5V/12V、雙輸出的UPS移動電源，在無人機排爆機械臂中被廣泛應(yīng)用，在對電源的內(nèi)芯設(shè)計時，應(yīng)使用18650-3.7v的鋰電池，避免移動電源出現(xiàn)過充和過放問題，保障電源系統(tǒng)的安全。設(shè)計人員在設(shè)計電源系統(tǒng)時，還需要遵循集約化的原則，縮減其體積，減少重量，為無人機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力。

2無人機排爆機械臂的軟件設(shè)計

2.1 無人機機械臂控制主板的設(shè)計

無人機機械臂的軟件設(shè)計工作主要包括控制主板設(shè)計、排爆機械臂的上位機軟件設(shè)計以及通訊設(shè)計，機械臂的控制主板不僅能夠?qū)Ω鱾€主板之間的模板進行協(xié)調(diào)，同時還要確保系統(tǒng)能夠?qū)崟r通訊，更新相關(guān)的信息，并將其發(fā)送給上位機進行顯示，令上位機也可以發(fā)送指令，更好地控制系統(tǒng)，因此，技術(shù)人員應(yīng)該在初始化的程序中設(shè)置好不同模塊的功能屬性，如系統(tǒng)的時間以及串口功能等。通常無人機系統(tǒng)大部分的時間耗費在主函數(shù)的循環(huán)中，不僅要同時執(zhí)行多個程度，如不同模型數(shù)據(jù)的更新、系統(tǒng)控制率的解算等，因此，為了保證間斷性執(zhí)行任務(wù)的效率，技術(shù)人員可以通過定時器的形式，先設(shè)定好觸發(fā)周期參數(shù)，一旦定時器發(fā)生中斷，就能夠執(zhí)行排爆任務(wù)。另外，為了保證電機編碼器接收到的信息能夠被傳輸給上位機，防止對數(shù)據(jù)資源的占用，可以利用串口DMA的方式，將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給控制主板，一旦上位機打發(fā)的控制指令可以被傳送到控制主板，如果系統(tǒng)進入串口就會發(fā)生中斷，在串口中斷處來分析控制指令，如果程序中的監(jiān)測量能夠達到設(shè)定好的閾值，則系統(tǒng)就能夠自動執(zhí)行應(yīng)急措施中的中斷函數(shù)。

2.2 無人機機械臂平臺通訊的設(shè)計

無人機機械臂平臺通訊的設(shè)計時，必須做好以下兩方面內(nèi)容的設(shè)計工作，第一點就是Modbus的主從通信協(xié)議，該協(xié)議是當(dāng)前較為常用的一種通信協(xié)議，其主要的內(nèi)容，就是要求主機以及從機之間根據(jù)公共格式展開通訊，即從機需要預(yù)先設(shè)計好ID賬號，主機在進行數(shù)據(jù)讀取的過程中，就能夠?qū)?shù)據(jù)信息傳送到總線上，其中不僅包括從機的ID信息，同時也包括全部從機接收到的信息，但是在具體的工作過程中，只有ID匹配的從機才會接收，并且將反饋的信息數(shù)據(jù)上傳到總線上，實現(xiàn)對防爆機械臂的控制。除此之外，還應(yīng)該考慮好串口數(shù)據(jù)的通信協(xié)議，由于無論是控制主板或者是上位機軟件，在實際的通信過程中往往只負責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，不考慮數(shù)據(jù)的接收情況，因此，一旦串口的接收寄存器設(shè)置不合理，就會造成數(shù)據(jù)被覆蓋，因此，技術(shù)人員在具體的設(shè)計過程中，必須將串口收到的數(shù)據(jù)信息緩存在可以備用的區(qū)域，確保數(shù)據(jù)信息被有效接收。

3結(jié)束語

總而言之，無人機排爆機械臂系統(tǒng)通過利用良好的體感數(shù)據(jù)手套，實現(xiàn)對機械臂的精確控制，不僅能夠更加清晰直觀的進行操作，同時由于安裝了3舵機的機械臂，令無人機可以較為容易地完成抓取以及升降等動作，因此，需要加強對無人機硬件以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計工作，將其應(yīng)用在可疑爆炸物的轉(zhuǎn)移過程中，充分保障工作人員的生命安全。

參考文獻

[1] 荊琦.旋翼飛行機械臂抓取控制研究[D].綿陽：西南科技大學(xué)，2020.

[2] 高軍，鄔江.無人機排爆機械臂的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技傳播，2018（22）：164-165.