可飞行机器人电气系统设计

吴子腾 张浩 刘伟权 黄梓昊

六足飞行机器人的电气系统是为满足行走和飞行的需要而设计。包括信号及通信协议、处理单元、执行器、传感器和其他外围设备，按功能把将这些硬件集成为3个PCB。其它配电设备包括电池和调压器。_book-mark52电子产品在开发过程中均进行模块化，尽可能的对分线板、螺纹端子及电线连接进行组合，这可以很容易在不影响其他组件的情况下进行升级、更换及扩展单个硬件。

尽管对于无人机及多足机器人的研究很多，但是在一个机器人身上结合步行及飞行功能的研究较少。本论文的总体目标是设计并建立一个具有多轴飞行能力的六足飞行机器人。通过将飞行硬件直接嵌入具有三个关节（三个自由度）的腿部，以最小的复杂性提供全方位的行走能力。

通过结合单独的多足或多翼无人机的设计思路，采用自上而下的方法，设计了两种运动方式机器人的结合体。针对最小的尺寸和重量进行优化设计，将飞行硬件直接嵌入到摆动腿当中，这种结构将摆动腿同时作为螺旋桨，支撑腿作为飞行时的起落架，有效地减小机器人尺寸，使外形结构最小最优化。

1     主控系统

选择ODROID-C1+作为单板机运行ROS和更高级别的处理单元。该模块采用1.5GHz四核ARM Cortex-A5处理器，并安装Ubuntu14.04操作系统以支持ROS。连接Wi-Fi适配器和Xbox无线接收器的O-DROID-C1+，_bookmark41为机器人提供近距离无线测试功能，如果需要进行远距离飞行测试，则可以增加一个射频接收器。外部设备连接设计为USB接口，方便后期连接其他计算机进行数据处理。

2     硬件接口系统

将所有的传感器和执行器与Teensy3.2单片机连接，集成一个PCB。隔离板用于连接电线和分线板，可以_bookmark42通过一定数量的电路来管理所有信号，其中包括一个NXP PCA9547八通道I2C多路复用器，用于在四个红外感器板和装有惯性处理单元和高度计的Adafruit10-DOF分线板之间进行选择处理。

由于四个红外传感器板相同，且与10-DOF板上的集成电路共享地址，采用多路技术可以避免I2C地址冲突。其他电路包括用于将单片机的全双工串行硬件线路转换为AX-12A伺服系统的半双工串行线路，这是通过Philips74LVC2G125双总线驱动器将单片机发送和接收引脚传输到伺服数据线来实现的。一个包含74LVC1G14单触发逆变器的二极管用于确保单个单片机输出引脚能够接收及发送信号，使用逆变器确保两条线路不能同时连通。伺服线与PCB上的Molex22-03-5035SPOX接头连接。

插入了Teensy3.2单片机、Adafruit10-DOF分线板和Adafruit GPS分線板的硬件接口电路板，这里采用直接插拔的形式_bookmark43方便去除和更换。左边的接头接收来自I2C外围设备的输入信号，并向推力电机的ESC提供脉宽调节（PWM）信号。

使用Pololu VL53L0X红外测距传感器检测机器人距离起飞时相对地面的距离，距离信息可以用于执行自主起飞和降落程序。该传感器通过红外激光进行测量，可以在1毫米分辨率下测量2米的距离。_bookmark48

3     红外传感系统

红外传感装置_bookmark40PCB安装在飞行推升电机下方，并由交流红外探测器和发射器组成一个圆形阵列，通过检测电机周围反射回来的红外光强度确定螺旋桨的方向，验证螺旋桨是否折叠，从而判断是否从飞行模式切换为步行模式。12对发射—探测器确保螺旋桨角度的精确性，如图3.8所示，其中红外组件半透明材料制成的零件支撑，_bookmark49红外元件间隔安装在靠近螺旋桨的一侧，同时半透明材料允许下方电路板上八个RGB-LED的光透射进来。RGB-LED通过改变光线强度和颜色，传达机器人的状态。

三个集成电路其中两个为TLC59116恒流LED驱动器，直接为红外和RGB-LED供电。另一个为MAX11611模数转换器（ADC），用于测量红外反射光的强度。红外探测器采用分压器网络布线，当检测的红外光增加时，则电压增加。集成电路使用数字I2C协议进行通信，仅用四条线路控制整个PCB的电源、地面、时钟和数据。由于四个红外传感器PCB都共享相同的I2C地址，所以使用一个I2C多路复用器来确保一次只连接一个PCB。

4     配电系统

电源分配PCB_bookmark52连接线上数值表示相关路径上电压的大小。机器人的电源由两颗3S锂电池提供，其容量和放电能力分别为6200mAh和40C，将两颗电池串联在一起，在6S的等效配置下能够产生22.2V电压。_bookmark53电池电压正常时为22.2V（每颗3.7V），充满电后为25.2V（每颗4.2V）。最大放电量为40C（248A），足够提供40A的最大ESCs飞行。

_bookmark40引线接入额定50A的Molex38969接线盒。电压通过PCB侧边的15A端子传导至螺旋桨推升电机ESC。电池分别为3.3V/5V/12V的调节器提供输入电压，向其他电子设备产生的电压轨。_bookmark54

3.3V和5V逻辑电平调节器直接焊接在PCB板的底部。不采用插拔式的设计主要是由于调节器在通电时插进去，会导致逻辑电平输出的输入电压出现峰值，调节器的输出电压在维持3.3V之前跃升至22.2V，这个阶跃电压足以烧坏与其连接的电路，所以调节器采用焊接形式，通过瞬态电压抑制二极管防止烧坏电路。

DROK电压调节器为伺服电机提供12V的电压。_bookmark58电压是通过两个Trossen Robotics6端口AX/MX电源枢纽传输到伺服系统，分别为_bookmark593.3V、5V和12V的调节器选择2.6A、2.5A和8A的连续电流，使其能够满足每个与其连接的电路。每个调节器的输入电源均来自电池，以防止层级断电的情况。

为了实现以监控四条电压轨的功耗，将四个TI INA219B功率监控器集成电路与并联电阻相连接。该芯片包含一个测量分流电阻电压的ADC，可以提供总线电压、电流流量和功耗值。_bookmark55INA219B芯片包含一个内部可编程的增益放大器，最低单位为±40mV的增益电压用于最低的分流电阻功耗。

将PCB、12V调节器和伺服枢纽固定在框架上，这样可以将高压组件与逻辑级处理器隔离。_bookmark61_bookmark62

5     结论

机器人电气系统的设计方案及实现，考虑了机器人的工作特性，对机器人主控系统、硬件接口系统、传感系统及配电系统进行详细分析。考虑了机器人可折叠的特性，设置红外传感器以实现机器人的折叠识别。同时考虑到不同逻辑级工作所需电压的不同，为机器人设计了配电系统。

参考文献：

[1]   高琴.基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制[J].机器人，2014（6）：688-696.

[2]   任杰.基于CPG的六足仿生机器人步态规划研究[D].杭州：中国计量大学，2016.

[3]   丁凯.六足机器人仿生运动步态规划与控制系统研究[D].南京：东南大学，2016.

[4]   王小涛，曹雯，韩运峥.变拓扑六重四面体机器人步态规划与仿真[J].科学技术与工程，2015，17（8）：52-56.

项目来源：2020年江苏省大学生创新创业训练计划