專利名稱：具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種群體飛行機器人，該群體飛行機器人是由多個獨立的群體飛行機器人單體組成，具有典型的分布式、自組裝和模塊化特點。
背景技術：
通過觀察自然界社會性生物的群體自組織行為，人們意識到了群體機器人通過彼此協同在非結構化復雜多變的環境中執行任務時強大的功能擴展性、靈活性和適應性，開始了群體機器人理論和應用方面的研究。目前，群體機器人的研究領域主要局限在地面運動機器人的自組裝、自重構和運動控制方面，對于在監控、探測、勘探、救災和軍事等領域有著廣泛應用的飛行機器人領域的研究，大都還停留在構型固定的單個飛行器的控制和應用層面，由于受到其自身結構的限制，決定了其功能的單一化，無法適應復雜多變的環境和任務。雖然少有的一些研究涉及到了多個固定構型飛行器之間的協同和編隊控制等內容，但是很少有涉及到具有分布式、自組裝和模塊化特點的群體飛行器的理論性和實用性的研究。群體機器人良好的擴展性、冗余性和魯棒性沒有能夠在飛行機器人領域得到有效應用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，采用模塊化的設計思想，群體飛行機器人由至少三個機器人單體組成，每個機器人單體都是一個完全自主的模塊，可以通過機器人單體之間的自組裝形成各種目標構型，具有更強的環境適應能力，并實現分布式的飛行控制。本發明采用以下技術方案實現本發明是一種具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，采用模塊化思想進行設計，群體飛行機器人由至少三個機器人單體組成，并且同時包括正槳和反槳機器人單體，每個機器人單體由地面運動模塊、主動對接模塊、被動對接模塊、傳感定位模塊、飛行動力模塊和控制模塊組成。所述的正槳和反槳機器人單體主要是飛行動力模塊中螺旋槳的傾角不同。所述的地面運動模塊安裝在機器人單體的底部，能夠為機器人單體提供靈活而且全面的地面運動能力，采用的是多個全向輪在圓周空間上均勻布置的方案，每個全向輪由一個帶碼盤反饋的直流電機獨立驅動控制，利用最少的資源實現機器人單體的主動全向驅動。所述的主動對接模塊包括對接卡扣，被動對接模塊上開有對接卡槽，機器人單體的各個側面中有1個側面為主動對接面，其余側面為被動對接面。所述的傳感定位模塊包括布置在每個側面上的一對模擬紅外收發傳感器，用于短距離的目標機器人測距定位以及避障；布置在每個側面上的3個為一組的RGB三色一體 LED,每組的3個LED都以一定的尺寸關系布置在三維的空間中，方便利用單目CMOS攝像頭來觀察定位；布置在主動對接面上的單目CMOS攝像頭，以觀察LED的成像尺寸來確定機器人單體之間的位置關系。
4
所述的飛行動力模塊根據螺旋槳的類別可以分成兩類，“正槳模塊”和“反槳模塊”; 所述的飛行動力模塊包括1個螺旋槳、驅動該螺旋槳的直流無刷電機和設計在機體中間的圓形氣流涵道。單個機器人單體不具有完整的飛行能力，但是多個正槳和反槳機器人單體對接組合之后便可以通過分布式協同控制獲得完整的飛行功能。所述的控制模塊由1片ARM架構的處理器STM32 F103ZCT6做主控的算法，另1片 ARM架構的處理器為核心的IMU模塊做慣導姿態解算，底層以AVRMegaS單片機為核心做所有電機(包括驅動螺旋槳的直流無刷電機和驅動全向輪的直流電機)的驅動控制和模擬紅外收發傳感器的信息采集；機器人單體之間的通信方式有兩種選擇以cd431為核心的 Zigbee無線組網可以在機器人單體之間沒有通過自組裝建立物理連接之前以及組裝后提供有效通信，機器人單體組裝后還可以通過CAN總線物理連接建立通信。所述的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，每個機器人單體的機體的機架結構由剛度較大、密度較輕的碳纖維方管搭建而成，機體外殼主要是采用EPP材料。所述的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人能夠通過機器人單體之間的相互對接連接形成各種構型，每個機器人單體的主動對接面可以和另外一個機器人單體的任何一個被動對接面對接，也可以和另一個機器人單體的主動對接面相互對接構成一個具有目標構型的群體飛行機器人；對于一種目標構型，機器人單體可以有多種不同的連接方式來實現，可以順次相連形成一個環形的連接拓撲，也可以依次相連形成樹形拓撲或者形成一種復合的網狀拓撲。本發明的優點是(1)將群體機器人“分布式”和“自組裝”的特點引入群體飛行機器人的研究設計中，設計出一種能夠自主對接成各種目標構型并以分布式策略控制飛行的群體飛行機器人。(2)采用模塊化的設計思想，將機器人單體本身的各個主要功能部分區分成不同的設計模塊，各個模塊具有標準的連接接口，方便安裝和維護。(3)地面運動方案采用全向輪建立起最簡單的全向移動平臺，使機器人擁有靈活的地面機動能力，方便快速運動到目標位置，提高自組裝過程中的對接效率。(4)設計了一種基于卡扣和卡槽的機械式對接卡緊機構及其相關的對稱耦合曲柄搖桿驅動機構，相關的對接面分為主動對接面和被動對接面，每個機器人單體的主動對接面可以與另一個機器人單體的任意被動對接面或主動對接面對接。(5)對接引導利用攝像頭觀察LED成像尺寸關系的方式來進行機器人之間相對位姿的準確定位，LED以一定的尺寸關系布置在三維的空間中，使得機器人之間的相對位姿關系能夠通過一個單目攝像頭成像完全確定。(6)機身的結構和控制系統設計緊湊，分別采用EPP和碳纖維材料做外殼和機架， 質量和體積都比較小。
圖1是本發明具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人的機器人單體的結構示意圖；圖2是地面運動模塊布置示意 圖3是主動對接模塊和被動對接模塊示意圖；圖3A、圖;3B是主動對接模塊驅動機構簡圖；圖4是傳感定位模塊和飛行動力模塊布置示意圖；圖5是控制模塊及機架和外殼的結構和外觀示意圖；圖6是三旋翼構型機器人；圖7是四旋翼構型機器人；圖8是多旋翼構型機器人。圖中1.地面運動模塊；2.主動對接模塊；3.被動對接模塊；4.傳感定位模塊；5.飛行動力模塊；6.外殼；7.機架；8.機器人單體；9.機器人單體；10.機器人單體；11.控制模塊101.全向輪；102.直流電機；103.安裝支座；201.對接卡扣；202.轉動副；203.驅動連桿；204.驅動盤；205.驅動電機；206.驅動軸；301.對接卡槽；401. CMOS攝像頭；402.頂部 LED ；403.底部LED ；404.模擬紅外收發傳感器；501螺旋槳；502.直流無刷電機；503.氣流涵道；504.電機安裝盤；505.底座；506.支架。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明本發明的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，每個群體飛行機器人由至少三個機器人單體組成，并且三個機器人單體中要同時包括正槳機器人單體和反槳機器人單體。所述的機器人單體如圖1所示，具有規則的幾何外形結構，可以是三角形、四邊形、五邊形或者六邊形等多邊形的中空柱體結構(或者稱為中空棱柱結構)，所述的中空柱體結構是由外殼6包覆機架7 (如圖幻形成的，每個機器人單體由地面運動模塊1、主動對接模塊2、被動對接模塊3、傳感定位模塊4、飛行動力模塊5和控制模塊11(如圖幻組成，每個模塊都有特定的尺寸和獨立的功能，模塊之間有良好的通用性和可交換性，圖1展示了一個完整功能的機器人單體的實施例，所述的實施例中的機器人單體為六邊形的中空棱柱結構，外殼6內部為所包覆的機架7，所述的地面運動模塊1、主動對接模塊2、被動對接模塊 3、傳感定位模塊4、飛行動力模塊5和控制模塊11均連接設置在機架7上。多個機器人單體之間通過相關模塊的連接組合可以得到多變的整體形態和構型，具有簡單的本體結構， 豐富的形態構型和強大的適應能力。如圖1和圖2所示，所述的地面運動模塊1安裝在機器人單體的機架7的底部，主要由全向輪101、直流電機102和安裝支座103構成，優選的，本實施例中在每個機器人單體的機架7底部共布置有三個全向輪101，角度間距為120度，均勻分布在底盤圓周空間上， 每個全向輪101均與一個直流電機102輸出軸直接連接；所述的直流電機102為帶有增量式編碼器的閉環直流伺服電機，也稱直流編碼反饋電機。所述的安裝支座103固定在機架 7上，安裝支座103上開有電機安裝槽，直流電機102可以部分插入電機安裝槽內并通過螺紋連接固定在安裝支座103上。所述的全向輪101可以設置多個，連接方式與三個全向輪 101的連接方式相同。請參見圖3所示，所述的主動對接模塊2和被動對接模塊3設置在機器人單體的側面上，其中一個側面上設置為主動對接模塊2，稱為主動對接面，其余側面上均設置為被動對接模塊3，稱為被動對接面，所述的主動對接模塊2包括一對主動對接卡扣201，兩個對接卡扣201在高度方向和水平方向上都要錯開一定的距離，即兩個對接卡口 201高度設置不同。在本實施例中，兩個對接卡口 201垂直高度方向間距15mm，水平間距80mm ；所述的被動對接模塊3是指與對接卡扣201對應的對接卡槽301，設置在主動對接面和被動對接面上，兩個對接卡槽301和所述的對接卡扣201相互配合卡緊即可實現兩個機器人單體的有效連接；所述的對接卡扣201的驅動模塊采用對稱耦合曲柄搖桿形式驅動，通過一部卡扣驅動電機205驅動兩個對接卡扣201同時對稱動作實現對接卡扣的開合。如圖3AJB所示， 兩個對接卡扣201分別通過兩個轉動副202轉動連接在機架7上，兩個對接卡扣201上分別連接有驅動連桿203，所述的兩個驅動連桿203的另一端連接在驅動盤204上，所述的驅動盤204位于兩個對接卡扣201中間的位置，驅動盤204中心固定連接驅動電機205的驅動軸206，在驅動電機205的驅動下，驅動軸206帶動驅動盤204轉動，進而通過驅動盤204 上的驅動連桿203帶動對接卡扣201轉動，實現對接卡扣201與對接卡槽301的開合對接， 這樣，就可以實現兩個機器人單體之間的連接，將兩個機器人單體組裝。請參見圖4所示，所述的傳感定位模塊4主要包括一個CMOS攝像頭401、一個頂部 LED402、兩個底部LED 403和兩個模擬紅外收發傳感器404，所述的CMOS攝像頭401安裝在機器人單體的主動對接面上；所述的一個頂部LED402和兩個底部LED403組成LED組，在機器人單體的每個側面上都布置一個LED組，其中兩個底部LED403間隔布置在機器人單體的側面上，頂部LED402布置在靠近機體內側的位置，高度比底部LED403高，從主動對接面的正面觀察，CMOS攝像頭401恰好位于三個以LED為頂點的三角形的幾何中心位置。所述的模擬紅外收發傳感器404也設置在機器人單體的每個側面上，并且優選的將兩個模擬紅外收發傳感器404之間的水平距離大于所在側面上的兩個底部LED403之間的距離，即將兩個模擬紅外收發傳感器404設置在盡量靠近所在側面的兩側邊緣位置。所述的頂部LED402 的高度高于CMOS攝像頭401的高度，保證在實現對接的時候，每個CMOS攝像頭401可以看到LED組的每個LED。優選的，所述的底部LED403位置高于兩個模擬紅外收發傳感器404 的位置，兩個模擬紅外收發傳感器404的位置高于對接卡口 201或者對接卡槽301的位置。所述的飛行動力模塊5主要由螺旋槳501、直流無刷電機502和氣流涵道503構成，優選的，其中所述的螺旋槳501為雙葉型的單旋翼慢速槳，直接緊固安裝在直流無刷電機502的輸出軸上；所述的直流無刷電機502通過螺紋連接固定在底座505的電機安裝盤 504上，所述的底座505是與機架7連接固定的，如圖4所示，底座505可以通過三條支架 506連接到機架7上；所述的氣流涵道503是一個由EPP材料的機殼6形成的圓形氣流通道，氣流涵道503與螺旋槳501的配合，能夠增壓增力，驅動機器人單體的飛行。本發明的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，其特點是機器人單體根據所安裝的螺旋槳501的槳葉傾角方向不同，(所述的傾角方向是指螺旋槳的槳葉平面和槳的轉軸垂直平面的夾角，如果定義正槳夾角為正則反槳夾角即為負)分為正槳機器人單體和反槳機器人單體兩類，如圖6，圖7和圖8。當機器人單體組裝形成具有飛行能力的群體飛行機器人時，至少要有一個正槳機器人單體和一個反槳機器人單體。請參見圖5所示，本發明的機器人單體的外殼6采用EPP泡沫材料，機架7采用輕質的碳纖維方管，外殼6包覆在機架7的外面，形成外形為中空的六棱柱，該中空結構就作為螺旋槳501的氣流涵道503。在機架7上連結固定有地面驅動模塊1、主動對接模塊2、被動對接模塊3、傳感定位模塊4和飛行動力模塊5的相應位置的外殼6上設置有開孔，這樣既保證了上述各模塊的安裝穩固，又起到了一定的保護作用，尤其是對傳感定位模塊4的保護，避免的機器人單體對接的時候發生碰撞和摩擦損害。本發明的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，通過主動對接模塊2的對接卡扣201和主動對接模塊2或被動對接模塊3的對接卡槽301相互配合卡緊組成一個擁有某種構型的整體機器人。一種比較基礎和簡單的構型如圖6所示，機器人單體10(正槳機器人單體)的主動對接面卡緊機器人單體9 (反槳機器人單體)的一個被動對接面，機器人單體9的主動對接面卡緊機器人單體8 (正槳機器人單體)的一個被動對接面，機器人單體8的主動對接面卡緊機器人單體10的一個被動對接面，3個基本的機器人單體之間通過相互順次卡緊的方式形成一個三旋翼的構型。如圖7所示，四個機器人單體通過順次卡緊可以實現一個常見的四旋翼構型的整體機器人，其中包括兩個正槳機器人單體和兩個反槳機器人單體；更一般的，多個正槳和反槳機器人單體之間通過對接卡緊，可以實現機器人構型空間內所有目標構型的建立，如圖8所示，形成一個適應具體環境和應用要求的整體機器人，由八個機器人單體組成，正槳和反槳機器人單體的選取可以根據飛控算法可控空間進行合理選取。請參見圖9所示，所述的控制模塊11連結在機架7上，控制模塊11的主控電路板采用STM32 F103ZCT6,設置在主動對接面所對應位置的機架7上，地面運動模塊1和傳感定位模塊4由3個AVRMega8 (MEGA8)控制，具體為每個MEGA8負責控制一個地面驅動模塊1中的全向輪101、兩個傳感定位模塊4中的LED組和模擬紅外收發傳感器404。飛行控制模塊5中的直流無刷電機502通過1個MEGA8控制的電調板驅動，機器人單體的姿態測量由以第二塊STM32處理器為核心的IMU模塊完成，所述的IMU模塊為集成有三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸地磁傳感器的九軸復合IMU模塊，以上所述的IMU模塊和MEGA8控制板都掛靠在I2C總線上，通過I2C總線與主控電路板通信并由主控電路板來控制。所述的主控電路板上預留有PPM遙控編碼(MEGA128 PPM Ecoder)的信息接收通道，通過處理器的ICP (Input Signal Capture)通道解碼遙控指令，方便飛控調試；無線通信的Zigbee模土夬以具有定位功能的 ccM31 為核心，通過 USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)接受主控控制，不同的機器人單體之間的通信有Zigbee和CAN兩種選擇方式以CW431為核心的Zigbee無線組網可以在機器人單體之間沒有通過自組裝建立物理連接之前以及組裝后提供有效通信，機器人單體組裝后可以通過CAN總線物理連接建立通信。所述的MEGA8的數量根據地面運動模塊1上全向輪101的設置數量以及機器人單體的棱柱結構的側面個數，可以進行調整，MEGA8也連結在機架7上。本實施例中，三個全向輪101，因此設置三個MEGA8，每個MEGA8負責控制一個全向輪，同時，每個MEGA8還分別用來負責控制與其相鄰的兩個側面上的傳感定位模塊4中的LED組和模擬紅外收發傳感器 404。本發明的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，將群體機器人“分布式”和 “自組裝”的特點引入飛行機器人的研究設計中，突破了傳統群體機器人研究領域的限制， 設計出一種能夠自主對接成各種目標構型并以分布式策略控制飛行的群體飛行機器人；采用模塊化的設計思想，機器人結構簡單，成本低廉，對各種復雜環境和應用要求都有較強的適應性和擴展性。 以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
之一，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可以輕易想到的變化或替代，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，其特征在于所述的群體飛行機器人由至少三個機器人單體組成，并且機器人單體中要同時包括正槳機器人單體和反槳機器人單體，多個機器人單體之間能夠自主對接組裝，形成二維空間中任意構型結構的整體機器人，所述的機器人單體是多邊形的中空柱體結構，所述的中空柱體結構是由外殼包覆機架形成的，每個機器人單體由地面運動模塊、主動對接模塊、被動對接模塊、傳感定位模塊、飛行動力模塊和控制模塊組成，所述的地面運動模塊、主動對接模塊、被動對接模塊、傳感定位模塊、飛行動力模塊和控制模塊均連接設置在機架上；所述的地面運動模塊主要由全向輪、直流電機和安裝支座構成，所述的每個全向輪均與一個直流電機輸出軸直接連接；所述的安裝支座固定在機架底部圓周上，安裝支座上開有電機安裝槽，直流電機部分插入電機安裝槽內并通過螺紋連接固定在安裝支座上；所述的主動對接模塊和被動對接模塊設置在機器人單體的側面上，其中一個側面上設置為主動對接模塊，稱為主動對接面，其余側面上均設置為被動對接模塊，稱為被動對接面，所述的主動對接模塊包括一對主動對接卡扣和一對對接卡槽，所述的被動對接模塊是指與對接卡扣對應的對接卡槽，所述的對接卡扣與任意主動或者被動對接面上的對接卡槽相互配合卡緊實現兩個機器人單體的連接；所述的傳感定位模塊主要包括一個CMOS攝像頭、一個頂部LED、兩個底部LED和兩個模擬紅外收發傳感器，所述的CMOS攝像頭安裝在機器人單體的主動對接面上；所述的一個頂部LED和兩個底部LED組成LED組，在機器人單體的每個側面上都布置一個LED組，其中兩個底部LED間隔布置在機器人單體的側面上，頂部LED布置在靠近機體內側的位置，高度比底部LED高，從主動對接面的正面觀察，CMOS攝像頭恰好位于三個以LED為頂點的三角形的幾何中心位置；所述的模擬紅外收發傳感器也設置在機器人單體的每個側面上，并且兩個模擬紅外收發傳感器之間的水平距離大于所在側面上的兩個LED之間的距離；所述的飛行動力模塊主要由螺旋槳、驅動電機和氣流涵道構成，其中所述的螺旋槳直接緊固安裝在驅動電機的輸出軸上；所述的驅動電機通過螺紋連接固定在底座的電機安裝盤上，所述的底座是與機架連接固定的；所述的氣流涵道是一個由EPP材料的機殼形成的圓形氣流通道；所述的控制模塊的主控電路板采用STM32 F103ZCT6，設置在主動對接面所對應位置的機架上，地面運動模塊、傳感定位模塊和飛行控制模塊中的驅動電機各由一片MEGA8單片機控制，機器人單體的姿態測量由以STM32處理器為核心的IMU模塊完成，所述的IMU模塊為集成有三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸地磁傳感器的九軸復合IMU模塊，以上所述的 IMU模塊和MEGA8單片機控制板都掛靠在I2C總線上，通過I2C總線與主控電路板通信并由主控電路板來控制；所述的主控電路板上預留有PPM遙控編碼的信息接收通道，通過處理器的ICP通道解碼遙控指令，方便手動飛控調試；無線通信的Zigbee模塊以具有定位功能的CW431為核心，通過USART接受主控控制，不同的機器人單體之間的通信有Zigbee和 CAN兩種選擇方式。
2.根據權利要求1所述的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，其特征在于 所述的頂部LED的高度高于CMOS攝像頭的高度。
3.根據權利要求1所述的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，其特征在于 所述的底部LED位置高于兩個模擬紅外收發傳感器的位置，兩個模擬紅外收發傳感器的位置高于對接卡扣或者對接卡槽的位置。
4.根據權利要求1所述的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，其特征在于 所述的對接卡扣在高度設置上不同，相互錯開布置。
5.根據權利要求1所述的具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，其特征在于 所述的對接卡扣結構具體為兩個對接卡扣分別通過兩個轉動副轉動連接在機架上，兩個對接卡扣上分別連結有驅動連桿，所述的兩個驅動連桿的另一端連接在驅動盤上，所述的驅動盤位于兩個對接卡扣中間的位置，驅動盤中心固定連接驅動電機的驅動軸，在驅動電機的驅動下，驅動軸帶動驅動盤轉動，進而通過驅動盤上的驅動連桿帶動對接卡扣轉動，實現對接卡扣與對接卡槽的開合。
全文摘要
本發明公開了一種具有分布式和自組裝特征的群體飛行機器人，由至少三個機器人單體組成，并且機器人單體中要同時包括正槳機器人單體和反槳機器人單體，所述的機器人單體是多邊形的中空柱體結構，是由外殼包覆機架形成的，每個機器人單體由地面運動模塊、主動對接模塊、被動對接模塊、傳感定位模塊、飛行動力模塊和控制模塊組成，均連接設置在機架上；本發明的機器人具有強大的地面全向運動能力，能通過自組裝形成各種復雜的目標構型并實現整體的飛行控制，具有更強的環境適應性、控制冗余度和生存能力。
文檔編號B64D47/08GK102556341SQ20111040015
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月5日 優先權日2011年12月5日
發明者劉淼, 李寧, 陳友東, 魏洪興 申請人:北京航空航天大學