基于無人機平臺的垃圾搜索及拾取系統設計

于?？?于國龍+虎良仙+王大路

摘 要：文中提出基于無人機平臺的垃圾搜索及拾取設計方案，此方案采用遙控直升機作為載體，通過對遙控直升機的設計和改造，可平穩(wěn)的飛行并進行垃圾搜索和拾取。機械臂的設計和安裝位置滿足輕松抓取、釋放要求且不影響機身重量。應用NOR Flash、TMS320DM6443處理器等硬件作為系統硬件設計中的一部分，有效解決了搜索視頻在傳輸中的低效率和數據丟失問題。相比于其他搜索及拾取系統，該設計方案更為靈活，實用價值更高。

關鍵詞：系統硬件設計；機械臂；垃圾搜索及拾?。灰曨l幀

中圖分類號：TP277；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-02

0 引 言

近年來，無人直升機在軍事、工業(yè)、電影拍攝、農業(yè)等領域有著廣泛應用，無人直升機技術受到廣大高校、研究所的廣泛關注。遙控直升機被當作實驗平臺用以研究無人機的追蹤、路徑規(guī)劃、目標識別等一系列問題[1]。由于各類景區(qū)垃圾的大量存在，尤其是懸崖及湖面高危地帶的垃圾人工清潔難以完成，使得環(huán)境清潔問題成為重大的社會問題，為保證清潔工作業(yè)的安全性、可靠性，降低風險和避免生命財產的損失，并大大提高工作效率、降低成本，因此遙控直升機安裝垃圾搜索系統就顯得十分必要。本系統以遙控直升機作為實驗平臺將機械臂與遙控飛機有機結合，用其來研究垃圾搜索及拾取技術，代替清潔工去做攀爬、下湖等繁瑣且危險的工作，使得基于無人機平臺的垃圾搜索及拾取系統具有廣闊的市場前景和重大的社會意義。實驗表明，要保證遙控直升機準確的拾取垃圾，需要時刻探測目標垃圾的位置和控制遙控直升機的速度，將信息發(fā)送到遙控直升機搜索系統，實時對遙控直升機進行姿態(tài)、速度的調整。

1 系統的主要功能模塊設計及實現

本論文闡述以遙控直升機做載體，以手機或遙控器為控制終端[2]，控制智能機械臂抓取正常情況下人不便于直接拾取到的垃圾。搜索模塊遙控直升機垃圾搜索及拾取系統，主要適用于公園、景區(qū)等公共場所及抓取具有很強危險性的懸崖上的垃圾與深水區(qū)水面上的垃圾，也可以用于短途傳送物品，例如將2千克以下的物品從一樓運送至高層等。

1.1 系統的功能結構

根據垃圾搜索及拾取系統功能所需將該系統劃分為四個功能模塊[3]，分別為搜索模塊、拾取模塊、飛行控制模塊、機械裝置模塊。本文主要介紹機械裝置，因為機械裝置的設計方法對遙控直升機的抓取和釋放起著決定性作用。由于遙控直升機的機底與機械臂相連，因此遙控直升機的協調性和重量成為最主要的控制對象。其中，重量控制是提升經濟性能最有效的辦法，機械臂的重量過大必定導致遙控直升機的重量過大，從而增加了耗電量甚至影響了飛行高度而導致機身損壞。因此抓臂的材料應選擇質地較輕的塑料棒或是空心管，使遙控直升機所承受的重量盡可能小，將經濟性能調制到最佳。其次考慮協調性，抓臂的安裝位置也很重要，安裝上機械臂后要保證直升機飛行平穩(wěn)、協調。根據結構特點和重心分析，機械臂應處于直升機底部的重心部位且垂直于機身。為保證直升機安全飛行，機械臂應該為收縮結構或是折疊結構。程序流程圖如圖1所示。

1.2 垃圾搜索視頻傳輸系統設計

垃圾搜索視頻傳輸系統基于無線視頻傳輸系統[4]，利用地面控制系統和空中控制系統進行自動拍攝及獲取影像。為保證遙控飛機的平衡和搜索結果的準確性，數碼相機主要分布在機頭和機底尾部兩個最佳觀測部位，遙控飛機在搜索過程中應保持勻速飛行，為減少飛機在飛行過程中造成的鏡頭抖動，運用減振設備使得拍攝鏡頭穩(wěn)定、拍攝圖片清晰。垃圾搜索源選擇高分辨率的測距自動定焦相機，在飛行階段相機與搜索目標做相對運動，當攝像頭觀測區(qū)域到達目標所在區(qū)域時，每隔0.01 s攝像頭便自動定焦于搜索目標上，當搜索目標與攝像頭相對靜止時則做單次定焦，大大提高了視頻的清晰度。同時利用無線網傳輸技術將攝像頭所拍攝的視頻分解成圖片以數據報的形式傳回地面控制臺，達到實時視頻的作用[5]。

1.3 垃圾抓取機械臂設計

由于該遙控直升機體積小，荷載量低，選擇有利于垃圾抓取和釋放的結構組成是為結構設計打下良好的基礎[6]。旋轉軸可各方位360°旋轉，是抓取垃圾的重要組成部分，其半徑為4 cm，主要由機械手、收縮桿與固定板組成。

（1）機械手：可拆卸，針對不同類型的垃圾可實現靈活抓取，提高系統的普適性。

（2）固定板：與遙控飛機底部相連且能夠保證飛機飛行平衡，共有三個連接點，根據三角形具有穩(wěn)定性的原理，三個點構成一個等邊三角形。

（3）收縮桿：為保證方便靈活的在狹小、復雜的區(qū)域實現抓取功能并減輕機身重量，將為收縮桿添加2～3節(jié)空心桿。

機械臂結構如圖2所示。

1.4 系統主要硬件設計

該系統采用為特定應用設計的嵌入式系統[7]來設計。數字信號處理選用高效可靠的DSP芯片，可大大提高圖像處理、通信技術等領域的性能。從性能上看，系統由視頻獲取模塊、視頻數據編碼模塊、數據存儲模塊、外部設備及電源模塊組成，系統硬件設計如圖3所示。儲存模塊采用傳輸效率較高的NOR Flash、USB接口移動硬盤。在效率方面，NOR Flash不需要外部接口，在沒有軟件支持的情況下可直接運行代碼，快速存儲每個字節(jié)。為方便存儲，可用USB3.0接口的大容量移動存儲設備。為提高視頻的傳輸速度和準確性，可以在視頻獲取模塊建立緩沖區(qū)，將分割成圖像的視頻幀按時間存入緩沖區(qū)，采用多路同步傳輸的方式快速傳到視頻解碼模塊[8]。解碼模塊由TMS320DM6443處理器和相應的外部設備構成，同時還帶有VICP協處理器。該模塊完成了將視頻幀解碼為原始圖像并通過地址將圖像還原為拍攝視頻[9]，有效避免了數據丟失。

2 結 語

本文首先對垃圾搜索及拾取系統的前景和意義做了簡要分析，其次詳細介紹了該系統功能模塊及各模塊的設計。通過對機械臂的合理設計及對攝像裝置的整體布局使得遙控直升機在飛行上得到了極好的控制，使拾取功能得以實現。在系統硬件設計上選用TMS320DM6443視頻處理器解決了解碼效率低的問題，應用NOR Flash可快速寫入和擦除，對視頻傳輸的實時性有著重要意義。

參考文獻

[1]馬建倉，羅亞軍，趙玉亭.藍牙核心技術及應用[M].北京：科學出版社，2003：2-176.

[2]陳在平，孫遜，賈超.POWERLINK物理層通信的實現[J].計算機工程與設計，2015（6）：1420-1424.

[3]鐘玉琢，王琪，賀玉文.基于對象的多媒體數據壓縮編碼國際標準—MPEG-4 及其校驗模型[M]. 北京：科學出版社，2000：2-53.

[4]楊新鋒，田廣強，路新華.基于智能視覺分析無人機發(fā)動機轉速測量方法[J].計算機仿真，2015，32（9）：72-74.

[5]晏磊，呂書強，趙紅穎，等.無人機航空遙感系統關鍵技術研究[J].武漢大學學報（工學版），2004，37（6）：67-70.

[6]黎啟柏，肖長周.水面垃圾打撈機械手及其液壓驅動系統[J].華南理工大學學報（自然科學版），1996，24（2）.

[7]賈秀杰.多功能全自動抓取器的應用[J].新技術新工藝，1999 （4）：18.

[8]邸興，張杰.高速攝像機遠程同步觸發(fā)系統[J].電子設計工程，2015，23（4）：176-178.

[9]王華，柴喬林，趙晉.基于IPv6的嵌入式系統設計與應用[J].計算機工程與設計，2007，28（1）：130-131.