樊振性 钱思宁 李宣廷 李恩辉 郝娟芳 张润怀

摘  要：由于技术的发展降低了无人机的制造成本，提升了其使用便捷性，无人机进入了人们的日常生活逐渐成为主流。在积极的产业形势下，世界各大互联网巨头也加入到无人机市场的竞争行列，无人机的应用逐步从军用领域扩展到了民用领域。如今，民用无人机已在航拍、农业植保、物流配送、救援、测绘、巡检、影视拍摄等多个领域得到广泛应用。多功能无人机无疑有着巨大的开发空间，以及广阔的商业价值，陆空两用无人机在立体成像、搭载工作平台、适应复杂地形等方面有很大的优势。

关键词：无人机  单片机  机器人  多功能

中图分类号：TP277                           文献标识码：A                文章编号：1674-098X（2020）08（b）-0001-03

Abstract： As the development of technology reduces the manufacturing cost of UAV and improves its convenience， UAV enters into People's daily life and gradually becomes the mainstream.Under the positive industrial situation， the world's major Internet giants have also joined the competition in the UAV market， and the application of UAV has gradually expanded from military field to civilian field.Nowadays， civil UAV has been widely used in aerial photography， agricultural plant protection， logistics distribution， rescue， surveying and mapping， patrol inspection， film and television shooting and other fields.There is no doubt that multi-functional UAV has huge development space and broad commercial value， and dual-use UAV has great advantages in three-dimensional imaging， carrying working platform and adapting to complex terrain.

Key Words： UAV; SCM; Robot; Multi-functional

提起無人机，大多数人对装有摄像机、可拍摄视频和照片的航拍无人机都不陌生。而现代无人机的原型可追根溯源到塞尔维亚移民、富有远见的发明家尼古拉·特斯拉。在经历了20世纪漫长的萌芽期和酝酿期之后，随着电子产业、材料科学、自动控制、通信技术的发展，无人机在21世纪初迎来了快速增长。本次项目最大的创新无人机下四足机器人和多功能平台的添加。四足机器人的添加使得无人机的灵活性和稳定性大大提高，四足机器人的行走足也可以作为夹带物品的夹子起到一定作用。多功能平台则更好地满足人们的需要。

1  陆空两用无人机基本原理

陆空两用技术让机械人能在复杂环境和条件下，根据反馈情况，做出飞行模式或者行走模式，使其对空中陆地都具有可使用性，可以满足我们对机器人和无人机的共同要求。其技术主要包括地面四足机器人技术，无人机技术以及新兴的图像回传建模技术。

2  系统的总体设计方案

所设计的陆空两用机器人，包括无人机、控制器、四足机器人、摄像头、传感器、电源，共六大部分组成（见图1）。无人机方面包括，四对电机和电调。机器人部分包括每条腿四个自由度，总共24个舵机，以及每条腿上的减震。电源部分采用航模电池为各部件供电，提供足够的续航能力，同时保持机器人的自重，与重心位置设计要求。传感器部分主要由MPU6050六轴陀螺仪、红外传感器、触碰感器组成，控制器部分由STM32单片机组成，[4]利用IIC协议（见图2）和MPU6050陀螺仪通信，维持机器人部分和无人机部分平衡。同时通过摄像头和图传模块，使得无人机附近地形反馈到工作站，加以处理形成三维模型。通过遥控器来控制机器人的运行状态，以及飞行、行走、取物、视频回传等功能之间切换。

2.1  MPU6050陀螺仪模块

MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪， 3轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（DigitalMotion Processor），可用 I2C 接口连接一个第三方的数字传感器。扩展之后就可以通过其 I2C 接口输出一个 9 轴的信号。MPU-60X0 也可以通过其 I2C 接口 连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。 MPU6050传感器通过使用IIC通信节省了STM32的IO口，使得单片机在有限的IO口情况下，搭载更多传感器，使得单片机使用效率大大提高。

2.2  OV7670带FIFO模块

本模块是一款具有缓冲存储空间的模块，可以应对慢速的MCU，实现图像的采集控制功能，该模块特别反应灵敏，功能齐全，同样包括30W像素的CMOS图像感光芯片。并且包含3.8mm焦距的镜头和镜头底座，板子同时可以引出数据管脚和控制管脚，便于用户的操作和使用。

2.3  STM32F103ZGT6

STM32F103ZGT6芯片I/O口资源丰富，可满足此要求，串口资源丰富，满足通信要求。[2]STM32的定时器除了TIM6和7，其他的定时器都可以用来产生PWM输出。其中高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生多达7路的PWM输出。而通用定时器也能同时产生多达4路的PWM输出，这样，STM32可以同时产生30路PWM输出（见图3）。充分满足机器人24个舵机的需要。

2.4  MG995舵机

MG995舵机重量55g，工作扭矩13kg/cm，转动角度 最大180度，模拟舵机工作电流100mA，使用电压3～7.2V，结构采用金属铜齿、空心杯电机、双滚珠轴承无负载。该舵机同等大小情况下，所提供的工作扭矩最大，为机器人以及无人机部分起到良好的支撑作用，便于机器人多种姿态下平稳运行。

2.5  陆空两用无人机的程序设计

陀螺仪使用PID算法，来维持无人机平衡，并且使用IIC通信，使陀螺仪与单片机之间进行通信，其余主要通过PWM控制舵机，24个舵机通过一定的运动算法，相互配合，联动，从而完成行走和其他运动形式。

3  创新点

本产品为一款可在地面行走的多功能无人机，它将传统的无人机底部支架改为四足机器人和一个多功能平台，这在保留原有功能的基础上极大地扩大了它的适用范围，极大的提高了它的灵活程度。

这款无人机最大的创新在于四足机器人的改进和多功能平台的应用，四足机器人可折叠，也可变形为机械臂，多功能平台则让无人机有更大的改装空间，让它实现真正意义上的多功能。在进行取样等操作时，四足的底座将转换为机械臂，完成机械臂所具有的功能，在悬崖峭壁悬停或在巴掌大小的地方将四足作为机械臂来站稳，从而在人力无法涉及的地方进行各种工作。

由于行动不再受地形的限制，我相信，它在拍摄和测绘等方面都可以做得比普通无人机更好。此外，多功能平台的存在又使它能轻松胜任运输、采摘、收集等工作，加装经过特殊设计的喷壶，它可以用于植保，换成扫描装置，它可以巡检，立体扫描成像，它作为一个多功能无人机名副其实。

4  结语

调试结果表明，所设计的陆空两用无人機，具备良好的地面行走以及飞行状态。在地面行走时，各减震机构充分发挥功能，可以完成在坑洼、矮小台阶、斜坡等复杂地形下的平稳行走。飞行过程中，机身平稳，并且可以在飞行状态下夹取空中或地面物体，自身平衡不受太大影响，飞行速度依旧可以保持。控制方面2.4G模块控制性能良好，加上足够多的控制开关，可以轻松改变陆空两用无人机的模式和飞行、行走中的姿态，摄像头通过云台转动，可以清晰的了解周围情况，并且通过大量视频图片的回传，在短时间内就可以3D建模，构建良好的三维模型。现阶段也有一些不足需要改进，IIC通信中，会因为电磁原因导致失灵，传输数据有误，以及图传发热耗电情况严重，降低了安全性和续航时间。三维建模的时候，会因为图像清晰度不高，或者卡顿等影响，导致建模不顺利，我们准备在这些方面做出改进，使得该无人机真正成为实用耐用的一款好产品，有一天可以走向市场，成为一款销售情况好的产品。

参考文献

[1] 张洋，刘军，严汉宇，等.原子教你玩STM32[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[2] 严月浩.无人机概论[M].西安：西北工业大学出版社，2018.

[3] 张治，熊天波，陈建侨，等.无人机三维空地信道模型的空间特性研究[J].通信学报，2020，41（2）：34-38.

[4] 谢辉.无人机应用基础[M].西安：西北工业大学出版社，2018.

[5] 吕玉恒.基于STM32单片机的自主飞行的四旋翼系统设计及算法研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2018.

[6] 符长青，符晓勒，曹兵.无人机复合结构设计与制造[M].西安：西北工业大学出版社，2019.