可用于大型室內消殺任務的空地異構機器人系統研究

余秋月，羅佳維，鄧長鑫，鄧豪東，項燊鵬，葉方達，陳媛

（武漢城市學院，湖北武漢， 430083）

目前，消殺工作主要分為人工噴灑消殺、自動移動小車消殺，以及室外的無人機消殺。人工消殺工作效率低，且對消殺人員的身體有一定的損傷。而自動移動小車的消殺在室內行走受限，導致無法實現全覆蓋消殺。無人機的消殺工作主要用于室外，采用的是大型無人機，不適合室內，若采用微型無人機則存在載荷問題，不能承載過多消殺液。針對以上問題，文章將微型無人機與地面移動小車結合構成空地異構機器人系統，用于對大型室內空間的消殺工作，該消殺機器人系統可大大提高消殺效率和覆蓋率，對公共衛生服務業、醫療業的未來發展有著重要的意義。

1 消殺機器人系統介紹

消殺機器人系統主要是用于大型室內空間（特指環境相對簡單的圖書館、實驗室、機場、商場等）的消殺工作的機械。該系統是由空中微型消殺無人機平臺，地面移動熏蒸及補液平臺以及消殺監控平臺構成，如圖1所示。

圖1 空地異構消殺機器人

2 消殺機器人機械結構設計

■2.1 空中微型消殺無人機機械結構設計

空中消殺無人機是基于四旋翼涵道無人機，采用超聲波消毒振蕩霧化的方法進行室內蒼術消毒液熏蒸消毒。相較于傳統四旋翼無人機而言，四旋翼涵道無人機在室內空間飛行具有更加的優勢，傳統的四旋翼涵道無人機的旋翼容易損壞并且容易傷害到人，而四旋翼涵道無人機則有涵道，可以對旋翼起一定的保護作用，并防止高速的旋翼傷害到人，為室內消殺工作的安全性提供了充分的保障。

在常見的四旋翼涵道機器人的基礎上，將四旋翼涵道進行改造為藥箱，能夠儲存一定量的蒼術藥液，能夠在需要時進行超聲波振蕩噴灑。并采用三葉漿與涵道配合的設計，使得裝置具有更小的噪音、更足的動力、更大的升力。機身采用PP材料，PP材料具有密度低、強度大、力學性能優良、化學穩定性好的特點。以上設計，能夠使消殺無人機平臺在進行消殺工作時給人提供一個相對安靜、安全的環境。

■2.2 地面移動熏蒸及補液小車機械結構設計

地面移動熏蒸及補液小車的驅動部分由四個定向輪構成.輸入信號通過L298N調節電機的正反轉，以此實現機器人在地面移動的前進、后退、左轉、右轉和停止運動。與足步式移動結構相比，輪式移動結構設計簡單且移動速度較快。而在輪式結構中，與兩輪、三輪結構相比，四輪差速驅動結構更加穩定，并可實現原地轉向。

地面移動熏蒸及補液小車的熏蒸消殺模塊內有蓄電池、恒溫加熱器等器件，恒溫加熱器對裝置內蒼術消毒液進行加熱熏蒸，按照一定的路線移動，實現室內地面的消殺工作。同時，配合消殺無人機空中超聲波霧化消殺，完成大型空間的雙重消殺工作。

母對接模塊采用倒錐形凹槽結構，如圖2所示，它與消殺無人機上的子錐對接模塊構成錐－錐對接機構，該結構可大大提高空地對接的容差率。當消殺無人機藥箱內藥液不足時，通過WiFi協同通信，無人機將通過該機構實現兩平臺的快速對接。

圖2 母子對接模塊

3 消殺機器人控制結構設計

消殺機器人控制結構分為兩大部分：空中微型消殺無人機部分和地面熏蒸及補液小車部分。

■3.1 空中微型消殺無人機部分

該部分主要分為6模塊：（1）主控器Atmega2560屬于8位AVR微控制器，其工作頻率為16MHz，存儲可達64K字節的SRAM；（2）航姿參考系統（ARHS）主要由MPU6050（內部集成了一個三軸陀螺儀與一個三軸加速度計）、三軸磁強計HMC5883L、氣壓計MS5611組成，主要功能是為主控器提供機器人在空中飛行時的航姿參考信息；（3）運動執行終端為旋翼無刷電機；（4）避障模塊為激光傳感器；（5）消殺補液模塊為攝像頭、液位檢測傳感器和超聲波振蕩器；（6）無線通訊模塊。如圖3無人機總體控制結構圖所示。

圖3 無人機總體控制結構圖

3.1.1 無人機飛行控制

四旋翼涵道無人機的飛行控制與傳統的無人機飛行方法一致，也是通過姿態角計算，以及雙閉環PID控制，對無人機的電機轉速進行控制，使機槳產生不同升力，從而實現無人機的飛行動作。

式(1)為解算出的當前姿態角，其中?為航向角(Yaw)，θ為俯仰角（Pitch），γ為橫滾角（Roll）。q˙=q0+q1i+q2j+q3k為四元素的一般表示法。如圖4為無人機的雙閉環PID姿態控制器原理圖，控制器輸入為期望姿態角（遙控器輸入或預期計算所得），輸出為四個電機的目標轉速，從而實現無人機前進、后退、左移、右移、懸停、偏航動作。圖5為無人機驅動控制原理圖。

圖4 無人機的雙閉環PID姿態控制器原理圖

圖5 無人機驅動控制原理圖

3.1.2 自動避障系統

無人機配有自動避障系統，自動避障系統是由激光傳感器與飛行控制系統組成，激光傳感器可檢測到一定范圍內的障礙物，當避障系統檢測到無人機與障礙物的距離接近設定的閾值時，飛行控制器將通過循跡算法對旋翼電機旋轉速度進行調節，從而實現無人機的自動避障。自動避障模塊控制原理圖如圖6所示。

圖6 自動避障模塊控制原理圖

圖7 消殺補液模塊控制原理圖

3.1.3 消殺補液模塊

消殺補液模塊包括藥液低位監控、藥液振蕩霧化、無線通訊等。當液位檢測傳感器檢測到液位到達所設定的液位閾值后，無線通信模塊將把這一信息發送給地面小車，并等待接收小車位置坐標。與此同時，超聲波振蕩器將停止工作。當無人機接收到小車位置信息后，無人機將在飛控控制下朝小車方向飛去，靠近小車后，無人機通過視覺輔助找到母對接盤，并降落至此，完成平穩對接。

■3.2 地面熏蒸及補液小車部分

地面熏蒸及補液小車包含：（1）主控器STM32F103，它屬于32位ARM微控制器，是由意法半導體公司（ST）出品，其內核是Cortex-M3，最高工作頻率為72MHz，最大存儲可達64K字節的SRAM；（2）位姿參考模塊，該部分主要由MPU6050（內部集成了一個三軸陀螺儀與一個三軸加速度計）、三軸磁強計HMC5883L組成，主要功能是為主控器提供小車移動時的位姿參考信息；（3）運動執行終端為小車輪子電機；（4）熏蒸補液模塊，該部分由液位檢測模塊（對藥液地位進行檢測，不足發出警報）、恒溫加熱器（對藥液加熱熏蒸）、末端執行器（與無人機藥箱緊密對接）以及液壓泵（補液）。

3.2.1 地面驅動控制設計

小車驅動系統采用的是四個獨立電機驅動定向輪驅動，控制板上的輸入信號通過L298n來調節電機的正轉、反轉以及變速，以此實現機器人在地面移動的前進、后退、左轉、右轉和停止動作.當無線通信模塊接收到無人機上藥液液位到達設定閾值后，主控板將控制小車停止移動，原地待命，直到無人機補液完成，小車將恢復正常軌跡運行。

3.2.2 熏蒸及補液控制設計

熏蒸及補液模塊包含熏蒸和補液兩個方面，熏蒸是在系統開始工作以后就一直通過恒溫加熱器進行。而補液是當無人機上的子對接盤與小車上的母對接盤對接成功以后，控制器控制末端執行器旋轉，使無人機對接口與小車補液接口緊密對接，然后液壓泵工作，完成對無人機藥箱的補給。最后末端執行器松開無人機，無人機回到補液前路徑繼續執行消殺任務。

圖8 地面熏蒸及補液小車總控制原理圖

圖9 地面驅動控制原理圖

4 消殺試驗

消殺無人機根據大型室內空間設定的已有路徑進行循環消殺；與此同時，地面移動熏蒸及補給平臺按照給定點及給定時間進行定點移動，并在給定地點處熏蒸消殺。當消殺無人機內蒼術消毒液低于液位線時，地面移動熏蒸及補給平臺將通過通信模塊獲取該信息，消殺無人機與地面移動平臺將同時運動到指定位置進行對接并完成自動補給。補給結束后，消殺無人機與地面移動平臺將回到消毒液補給信息獲取前的位置，并繼續完成消殺工作。在無人機與地面熏蒸補給平臺工作過程中，可實時利用消殺監控平臺進行消殺工作的監測。

無人機與移動小車的對接過程如圖11所示。無人機捕捉到移動小車上的母對接盤上的標志后，在慣性導航與視覺的融合作用下，慢慢靠近母對接盤。

圖10 熏蒸及補液控制原理圖

圖11 無人機與地面小車的對接過程

5 總結

文章詳細介紹了空地異構消殺機器人系統的設計方案，并著重對機器人系統的對接結構和對接控制進行設計，最后通過無人機與地面小車的對接實驗來說明該設計是具有一定的可行性。該系統結合微型無人機與移動小車消殺的優點，可以對大型室內環境進行消殺作業，大大提高了室內消殺的安全性和工作效率。