具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人

摘要

本发明公开了一种具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，由至少三个机器人单体组成，并且机器人单体中要同时包括正桨机器人单体和反桨机器人单体，所述的机器人单体是多边形的中空柱体结构，是由外壳包覆机架形成的，每个机器人单体由地面运动模块、主动对接模块、被动对接模块、传感定位模块、飞行动力模块和控制模块组成，均连接设置在机架上；本发明的机器人具有强大的地面全向运动能力，能通过自组装形成各种复杂的目标构型并实现整体的飞行控制，具有更强的环境适应性、控制冗余度和生存能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种群体飞行机器人，该群体飞行机器人是由多个独立的群体飞行机器人单 体组成，具有典型的分布式、自组装和模块化特点。

背景技术

通过观察自然界社会性生物的群体自组织行为，人们意识到了群体机器人通过彼此协同 在非结构化复杂多变的环境中执行任务时强大的功能扩展性、灵活性和适应性，开始了群体 机器人理论和应用方面的研究。目前，群体机器人的研究领域主要局限在地面运动机器人的 自组装、自重构和运动控制方面，对于在监控、探测、勘探、救灾和军事等领域有着广泛应 用的飞行机器人领域的研究，大都还停留在构型固定的单个飞行器的控制和应用层面，由于 受到其自身结构的限制，决定了其功能的单一化，无法适应复杂多变的环境和任务。虽然少 有的一些研究涉及到了多个固定构型飞行器之间的协同和编队控制等内容，但是很少有涉及 到具有分布式、自组装和模块化特点的群体飞行器的理论性和实用性的研究。群体机器人良 好的扩展性、冗余性和鲁棒性没有能够在飞行机器人领域得到有效应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，采用模块化的 设计思想，群体飞行机器人由至少三个机器人单体组成，每个机器人单体都是一个完全自主 的模块，可以通过机器人单体之间的自组装形成各种目标构型，具有更强的环境适应能力， 并实现分布式的飞行控制。

本发明采用以下技术方案实现：本发明是一种具有分布式和自组装特征的群体飞行机器 人，采用模块化思想进行设计，群体飞行机器人由至少三个机器人单体组成，并且同时包括 正桨和反桨机器人单体，每个机器人单体由地面运动模块、主动对接模块、被动对接模块、 传感定位模块、飞行动力模块和控制模块组成。所述的正桨和反桨机器人单体主要是飞行动 力模块中螺旋桨的倾角不同。

所述的地面运动模块安装在机器人单体的底部，能够为机器人单体提供灵活而且全面的 地面运动能力，采用的是多个全向轮在圆周空间上均匀布置的方案，每个全向轮由一个带码 盘反馈的直流电机独立驱动控制，利用最少的资源实现机器人单体的主动全向驱动。

所述的主动对接模块包括对接卡扣，被动对接模块上开有对接卡槽，机器人单体的各个 侧面中有1个侧面为主动对接面，其余侧面为被动对接面。

所述的传感定位模块包括布置在每个侧面上的一对模拟红外收发传感器，用于短距离的 目标机器人测距定位以及避障；布置在每个侧面上的3个为一组的RGB三色一体LED，每 组的3个LED都以一定的尺寸关系布置在三维的空间中，方便利用单目CMOS摄像头来观 察定位；布置在主动对接面上的单目CMOS摄像头，以观察LED的成像尺寸来确定机器人 单体之间的位置关系。

所述的飞行动力模块根据螺旋桨的类别可以分成两类，“正桨模块”和“反桨模块”；所述的 飞行动力模块包括1个螺旋桨、驱动该螺旋桨的直流无刷电机和设计在机体中间的圆形气流 涵道。单个机器人单体不具有完整的飞行能力，但是多个正桨和反桨机器人单体对接组合之 后便可以通过分布式协同控制获得完整的飞行功能。

所述的控制模块由1片ARM架构的处理器STM32 F103ZCT6做主控的算法，另1片ARM 架构的处理器为核心的IMU模块做惯导姿态解算，底层以AVRMega8单片机为核心做所有 电机(包括驱动螺旋桨的直流无刷电机和驱动全向轮的直流电机)的驱动控制和模拟红外收 发传感器的信息采集；机器人单体之间的通信方式有两种选择：以cc2431为核心的Zigbee 无线组网可以在机器人单体之间没有通过自组装建立物理连接之前以及组装后提供有效通 信，机器人单体组装后还可以通过CAN总线物理连接建立通信。

所述的具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，每个机器人单体的机体的机架结构 由刚度较大、密度较轻的碳纤维方管搭建而成，机体外壳主要是采用EPP材料。

所述的具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人能够通过机器人单体之间的相互对接 连接形成各种构型，每个机器人单体的主动对接面可以和另外一个机器人单体的任何一个被 动对接面对接，也可以和另一个机器人单体的主动对接面相互对接构成一个具有目标构型的 群体飞行机器人；对于一种目标构型，机器人单体可以有多种不同的连接方式来实现，可以 顺次相连形成一个环形的连接拓扑，也可以依次相连形成树形拓扑或者形成一种复合的网状 拓扑。

本发明的优点是：

(1)将群体机器人“分布式”和“自组装”的特点引入群体飞行机器人的研究设计中，设计出 一种能够自主对接成各种目标构型并以分布式策略控制飞行的群体飞行机器人。

(2)采用模块化的设计思想，将机器人单体本身的各个主要功能部分区分成不同的设计模 块，各个模块具有标准的连接接口，方便安装和维护。

(3)地面运动方案采用全向轮建立起最简单的全向移动平台，使机器人拥有灵活的地面机 动能力，方便快速运动到目标位置，提高自组装过程中的对接效率。

(4)设计了一种基于卡扣和卡槽的机械式对接卡紧机构及其相关的对称耦合曲柄摇杆驱动 机构，相关的对接面分为主动对接面和被动对接面，每个机器人单体的主动对接面可以与另 一个机器人单体的任意被动对接面或主动对接面对接。

(5)对接引导利用摄像头观察LED成像尺寸关系的方式来进行机器人之间相对位姿的准确 定位，LED以一定的尺寸关系布置在三维的空间中，使得机器人之间的相对位姿关系能够通 过一个单目摄像头成像完全确定。

(6)机身的结构和控制系统设计紧凑，分别采用EPP和碳纤维材料做外壳和机架，质量和 体积都比较小。

附图说明

图1是本发明具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人的机器人单体的结构示意图；

图2是地面运动模块布置示意图；

图3是主动对接模块和被动对接模块示意图；

图3A、图3B是主动对接模块驱动机构简图；

图4是传感定位模块和飞行动力模块布置示意图；

图5是控制模块及机架和外壳的结构和外观示意图；

图6是三旋翼构型机器人；

图7是四旋翼构型机器人；

图8是多旋翼构型机器人。

图中：

1.地面运动模块；2.主动对接模块；3.被动对接模块；4.传感定位模块；5.飞行动力模块；6. 外壳；7.机架；8.机器人单体；9.机器人单体；10.机器人单体；11.控制模块 101.全向轮；102. 直流电机；103.安装支座；201.对接卡扣；202.转动副；203.驱动连杆；204.驱动盘；205.驱动 电机；206.驱动轴；301.对接卡槽；401.CMOS摄像头；402.顶部LED；403.底部LED；404. 模拟红外收发传感器；501螺旋桨；502.直流无刷电机；503.气流涵道；504.电机安装盘；505. 底座；506.支架。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明：

本发明的具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，每个群体飞行机器人由至少三个 机器人单体组成，并且三个机器人单体中要同时包括正桨机器人单体和反桨机器人单体。所 述的机器人单体如图1所示，具有规则的几何外形结构，可以是三角形、四边形、五边形或 者六边形等多边形的中空柱体结构(或者称为中空棱柱结构)，所述的中空柱体结构是由外壳 6包覆机架7(如图5)形成的，每个机器人单体由地面运动模块1、主动对接模块2、被动 对接模块3、传感定位模块4、飞行动力模块5和控制模块11(如图5)组成，每个模块都有 特定的尺寸和独立的功能，模块之间有良好的通用性和可交换性，图1展示了一个完整功能 的机器人单体的实施例，所述的实施例中的机器人单体为六边形的中空棱柱结构，外壳6内 部为所包覆的机架7，所述的地面运动模块1、主动对接模块2、被动对接模块3、传感定位 模块4、飞行动力模块5和控制模块11均连接设置在机架7上。多个机器人单体之间通过相 关模块的连接组合可以得到多变的整体形态和构型，具有简单的本体结构，丰富的形态构型 和强大的适应能力。

如图1和图2所示，所述的地面运动模块1安装在机器人单体的机架7的底部，主要由 全向轮101、直流电机102和安装支座103构成，优选的，本实施例中在每个机器人单体的 机架7底部共布置有三个全向轮101，角度间距为120度，均匀分布在底盘圆周空间上，每 个全向轮101均与一个直流电机102输出轴直接连接；所述的直流电机102为带有增量式编 码器的闭环直流伺服电机，也称直流编码反馈电机。所述的安装支座103固定在机架7上， 安装支座103上开有电机安装槽，直流电机102可以部分插入电机安装槽内并通过螺纹连接 固定在安装支座103上。所述的全向轮101可以设置多个，连接方式与三个全向轮101的连 接方式相同。

请参见图3所示，所述的主动对接模块2和被动对接模块3设置在机器人单体的侧面上， 其中一个侧面上设置为主动对接模块2，称为主动对接面，其余侧面上均设置为被动对接模 块3，称为被动对接面，所述的主动对接模块2包括一对主动对接卡扣201，两个对接卡扣 201在高度方向和水平方向上都要错开一定的距离，即两个对接卡口201高度设置不同。在 本实施例中，两个对接卡口201垂直高度方向间距15mm，水平间距80mm；所述的被动对 接模块3是指与对接卡扣201对应的对接卡槽301，设置在主动对接面和被动对接面上，两 个对接卡槽301和所述的对接卡扣201相互配合卡紧即可实现两个机器人单体的有效连接； 所述的对接卡扣201的驱动模块采用对称耦合曲柄摇杆形式驱动，通过一部卡扣驱动电机205 驱动两个对接卡扣201同时对称动作实现对接卡扣的开合。如图3A、3B所示，两个对接卡 扣201分别通过两个转动副202转动连接在机架7上，两个对接卡扣201上分别连接有驱动 连杆203，所述的两个驱动连杆203的另一端连接在驱动盘204上，所述的驱动盘204位于 两个对接卡扣201中间的位置，驱动盘204中心固定连接驱动电机205的驱动轴206，在驱 动电机205的驱动下，驱动轴206带动驱动盘204转动，进而通过驱动盘204上的驱动连杆 203带动对接卡扣201转动，实现对接卡扣201与对接卡槽301的开合对接，这样，就可以 实现两个机器人单体之间的连接，将两个机器人单体组装。

请参见图4所示，所述的传感定位模块4主要包括一个CMOS摄像头401、一个顶部LED 402、两个底部LED 403和两个模拟红外收发传感器404，所述的CMOS摄像头401安装在 机器人单体的主动对接面上；所述的一个顶部LED402和两个底部LED403组成LED组，在 机器人单体的每个侧面上都布置一个LED组，其中两个底部LED403间隔布置在机器人单体 的侧面上，顶部LED402布置在靠近机体内侧的位置，高度比底部LED403高，从主动对接 面的正面观察，CMOS摄像头401恰好位于三个以LED为顶点的三角形的几何中心位置。所 述的模拟红外收发传感器404也设置在机器人单体的每个侧面上，并且优选的将两个模拟红 外收发传感器404之间的水平距离大于所在侧面上的两个底部LED403之间的距离，即将两 个模拟红外收发传感器404设置在尽量靠近所在侧面的两侧边缘位置。所述的顶部LED402 的高度高于CMOS摄像头401的高度，保证在实现对接的时候，每个CMOS摄像头401可 以看到LED组的每个LED。优选的，所述的底部LED403位置高于两个模拟红外收发传感器 404的位置，两个模拟红外收发传感器404的位置高于对接卡口201或者对接卡槽301的位 置。

所述的飞行动力模块5主要由螺旋桨501、直流无刷电机502和气流涵道503构成，优 选的，其中所述的螺旋桨501为双叶型的单旋翼慢速桨，直接紧固安装在直流无刷电机502 的输出轴上；所述的直流无刷电机502通过螺纹连接固定在底座505的电机安装盘504上， 所述的底座505是与机架7连接固定的，如图4所示，底座505可以通过三条支架506连接 到机架7上；所述的气流涵道503是一个由EPP材料的机壳6形成的圆形气流通道，气流涵 道503与螺旋桨501的配合，能够增压增力，驱动机器人单体的飞行。

本发明的具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，其特点是机器人单体根据所安装 的螺旋桨501的桨叶倾角方向不同，(所述的倾角方向是指螺旋桨的桨叶平面和桨的转轴垂直 平面的夹角，如果定义正桨夹角为正则反桨夹角即为负)分为正桨机器人单体和反桨机器人单 体两类，如图6，图7和图8。当机器人单体组装形成具有飞行能力的群体飞行机器人时，至 少要有一个正桨机器人单体和一个反桨机器人单体。

请参见图5所示，本发明的机器人单体的外壳6采用EPP泡沫材料，机架7采用轻质的 碳纤维方管，外壳6包覆在机架7的外面，形成外形为中空的六棱柱，该中空结构就作为螺 旋桨501的气流涵道503。在机架7上连结固定有地面驱动模块1、主动对接模块2、被动对 接模块3、传感定位模块4和飞行动力模块5的相应位置的外壳6上设置有开孔，这样既保 证了上述各模块的安装稳固，又起到了一定的保护作用，尤其是对传感定位模块4的保护， 避免的机器人单体对接的时候发生碰撞和摩擦损害。

本发明的具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，通过主动对接模块2的对接卡扣 201和主动对接模块2或被动对接模块3的对接卡槽301相互配合卡紧组成一个拥有某种构 型的整体机器人。一种比较基础和简单的构型如图6所示，机器人单体10(正桨机器人单体) 的主动对接面卡紧机器人单体9(反桨机器人单体)的一个被动对接面，机器人单体9的主 动对接面卡紧机器人单体8(正桨机器人单体)的一个被动对接面，机器人单体8的主动对 接面卡紧机器人单体10的一个被动对接面，3个基本的机器人单体之间通过相互顺次卡紧的 方式形成一个三旋翼的构型。如图7所示，四个机器人单体通过顺次卡紧可以实现一个常见 的四旋翼构型的整体机器人，其中包括两个正桨机器人单体和两个反桨机器人单体；更一般 的，多个正桨和反桨机器人单体之间通过对接卡紧，可以实现机器人构型空间内所有目标构 型的建立，如图8所示，形成一个适应具体环境和应用要求的整体机器人，由八个机器人单 体组成，正桨和反桨机器人单体的选取可以根据飞控算法可控空间进行合理选取。

请参见图9所示，所述的控制模块11连结在机架7上，控制模块11的主控电路板采用 STM32 F103ZCT6，设置在主动对接面所对应位置的机架7上，地面运动模块1和传感定位 模块4由3个AVRMega8(MEGA8)控制，具体为每个MEGA8负责控制一个地面驱动模块 1中的全向轮101、两个传感定位模块4中的LED组和模拟红外收发传感器404。飞行控制 模块5中的直流无刷电机502通过1个MEGA8控制的电调板驱动，机器人单体的姿态测量 由以第二块STM32处理器为核心的IMU模块完成，所述的IMU模块为集成有三轴加速度计、 三轴陀螺仪和三轴地磁传感器的九轴复合IMU模块，以上所述的IMU模块和MEGA8控制 板都挂靠在I2C总线上，通过I2C总线与主控电路板通信并由主控电路板来控制。所述的主 控电路板上预留有PPM遥控编码(MEGA128 PPM Ecoder)的信息接收通道，通过处理器的 ICP(Input Signal Capture)通道解码遥控指令，方便飞控调试；无线通信的Zigbee模块以具 有定位功能的cc2431为核心，通过USART(Universal Synchronous/Asynchronous  Receiver/Transmitter)接受主控控制，不同的机器人单体之间的通信有Zigbee和CAN两种 选择方式：以cc2431为核心的Zigbee无线组网可以在机器人单体之间没有通过自组装建立 物理连接之前以及组装后提供有效通信，机器人单体组装后可以通过CAN总线物理连接建立 通信。

所述的MEGA8的数量根据地面运动模块1上全向轮101的设置数量以及机器人单体的 棱柱结构的侧面个数，可以进行调整，MEGA8也连结在机架7上。本实施例中，三个全向 轮101，因此设置三个MEGA8，每个MEGA8负责控制一个全向轮，同时，每个MEGA8还 分别用来负责控制与其相邻的两个侧面上的传感定位模块4中的LED组和模拟红外收发传感 器404。

本发明的具有分布式和自组装特征的群体飞行机器人，将群体机器人“分布式”和“自组装” 的特点引入飞行机器人的研究设计中，突破了传统群体机器人研究领域的限制，设计出一种 能够自主对接成各种目标构型并以分布式策略控制飞行的群体飞行机器人；采用模块化的设 计思想，机器人结构简单，成本低廉，对各种复杂环境和应用要求都有较强的适应性和扩展 性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或替代， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。