CN115503946A - 一种双臂型空中作业无人机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机技术领域，公开了一种双臂型空中作业无人机及其操作方法，在本发明中的无人机机体采用六轴单旋翼的布局结构，六轴相较于四轴虽然增加了旋翼之间的限位空间与保护难度，但是能够给无人机提供了更大的升力，同时在面对电机突然断电或者损坏的情况，六轴能更好的稳定机身，防止损坏，为了能有更大的载重量，全机采用3K碳纤维材料，兼顾了硬度与轻量化；同时根据升力计算公式选择尽量大且适配电机的桨叶，这样能使桨叶被驱动后提供的升力尽可能的大、机械能转化效率高。以上所述方案使得本机能够拥有大负载的情况下能够长时间且稳定的进行工作，大大提升了无人机的自身的性能优势。

Description

一种双臂型空中作业无人机及其操作方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种双臂型空中作业无人机及其操作方法。

背景技术

随着无人飞行器相关研究的快速发展，无人机应用领域不断拓宽。旋翼型无人机价格相对便宜，机械结构简单、尺寸多样、机动性强，成为了研究人员测试和评估新的控制理论，导航理论以及实时系统的理想空中作业无人机平台。研究者们在无人机上搭载主动作业装置组成复合系统。鉴于在过去几十年研究和实践中，将地面移动机器人与机械臂等主动作业机构相结合所组成的作业型地面移动机器人系统在抗灾搜救，反恐防暴等多种场合取得了良好的效果，充分验证了将机械臂与移动机器人结合的应用意义，研究人员在飞行机器人上加装主动作业装置，使其也具有对环境的主动影响能力，并将这类复合系统称为旋翼机械臂或作业型飞行机器人系统。作业型飞行机器人系统大大地丰富了无人机可完成的作业种类，将作业拓展到三维空间，不受地形和交通的影响，可迅速到达作业任务地点，在特殊环境，极端条件下辅助或代替人完成危险任务。在抓取与搬运，高空检测，清理排爆，空中协作，自动巡检等方面有着广阔的应用前景。空中作业无人机可以看做是下一代的无人机，由于它兼具无人机和作业机构的二重特性，使得其相较于传统无人机拥有更强的交互能力、更高的操纵精度、更高的可扩展性。

现有技术中存在的缺陷如下：市面上空中作业无人机多为四旋翼，续航不足、载重量轻、抗干扰能力不强、对不同工作环境适应力较低。市面上空中作业无人机多是单轴机械臂，低自由度的空中作业无人机，不能完成操作难度较高的任务，功能较为单一。市面上空中作业无人机缺乏保护措施，遇突发情况易损毁。而且，市面上空中作业无人机图像采集方案较传统，不能有效识别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双臂型空中作业无人机及其操作方法，以解决上述背景技术中提出现有技术中不仅工作效率低下，而且浪费大量人力的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种双臂型空中作业无人机，包括无人机机体，所述无人机机体采用六轴单旋翼的布局结构；

以及位于所述无人机机体上的控制终端、观测系统、图像采集系统、数据传输系统、监测与报警系统、动力系统及电源与保护系统；

所述无人机机体的底部设有机械手载体，所述机械手载体包括电池盒和机械手，所述电池盒的边部两侧预留有孔位，所述机械手连接在所述孔位上；

所述机械手的尖端为可更换的多功能工作平台，可以根据不同的工作要求进行工具的更换，并设置为双机械臂也可以通过调整自己的姿态来稳定机身，在机械臂上设置连杆机构作为桥梁；所述工作平台的内部用于放置电池、驱动板的硬件，也为各模块之间的连接留够了充裕的走线空间，同时用合页设计了一个便于开关的门，方便操作和更换电池；所述电池盒用于机械手载体和机身的中间层，增大了中间的受力面，使得下层可以有更大的负重；

所述机械臂上设有旋转底座，所述旋转底座包括固定底座、舵机、舵盘、轴承压板及轴承；所述轴承采用单边带法兰盘的深沟球轴承，所述固定底座的中部在轴承法兰盘与上部轴承压板的一个固定槽，采用以轴承为准的轴配合，形式是过盈配合，并且靠近法兰盘的一端还有阶梯轴设计，下端还存在一个外部轴承压板，所述舵盘连接在舵机上。

优选的，所述控制终端包括STM32H743VIT6作为整个空中作业无人机的控制大脑进行数据处理、姿态解算、监测系统状态。

优选的，所述观测系统包括陀螺仪、气压计、GPS及电流计，所述陀螺仪、气压计、GPS及电流计均与所述STM32H743VIT6相连接。

优选的，所述图像采集系统包括摄像头，用于采集图像数据；所述摄像头与所述STM32H743VIT6相连接。

优选的，所述数据传输系统包括WiFi数传模块，用于将陀螺仪的观测角度数据、气压计的气压信息、GPS的定位信息、传输整个系统的工作状态、传输报警装置信息发送至所述STM32H743VIT6。

优选的，所述监测与报警系统通过蜂鸣器进行报警，并通过所述WiFi数传模块传输故障信息给操作员。

优选的，所述动力系统包括电机与电机驱动、机械手与机械手驱动，所述电机与电机驱动、机械手与机械手驱动与所述STM32H743VIT6相连接。

优选的，所述电源与保护系统包括多点智能稳定DC-DC降压大功率电路，采用芯洲SCT2650的DC-DC芯片作为整个系统的5V供电，该芯片有宽输入范围：4.5V-60V，高达5A的连续输出电流，以及0.8V±1％反馈参考电压，可调频率100KHz至1.2MHz，可编程的精度启用阈值，输入电压欠压闭锁保护，可派生逆变电压调节器，过压和过热保护，可以满足我们系统电压输入需求，可以提供最大5A电流的输出，供给机械手、5V模块是非常足够的，采用LDO芯片XC6210来将5V电压降压到3.3V给系统供电，该芯片支持最大0.9A的电流输出。

优选的，一种双臂型空中作业无人机的操作方法，包括如下步骤：

上电进行自检启动，检测系统电源以及各模块状态是否正常，全部正常才会进入到工作模式，接收工作指令，进入数据检测，数据分析阶段；

接收各模块数据并进行处理，通过陀螺仪检测到的机体角度信息来姿态解算，驱动电机来使空中作业无人机可以升上天空，进行高空作业；

接收气压计检测到的大气压强来换算出无人机海拔高度，接收GPS信息来获得当前位置信息；

通过摄像头检测工作环境信息；

自动或者人工操作机械手进行动作。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种双臂型空中作业无人机，与现有技术相比，具有以下优点：

1、在本发明中的无人机机体采用六轴单旋翼的布局结构，六轴相较于四轴虽然增加了旋翼之间的限位空间与保护难度，但是能够给无人机提供了更大的升力，同时在面对电机突然断电或者损坏的情况，六轴能更好的稳定机身，防止损坏，为了能有更大的载重量，全机采用3K碳纤维材料，兼顾了硬度与轻量化；同时根据升力计算公式选择尽量大且适配电机的桨叶，这样能使桨叶被驱动后提供的升力尽可能的大、机械能转化效率高。以上所述方案使得本机能够拥有大负载的情况下能够长时间且稳定的进行工作，大大提升了无人机的自身的性能优势。

2、通过搭载双机械手作业平台，比之市面上的单轴机械手，或者低自由度作业平台，双机械手作业平台不像它们只局限于某个工作领域，可以支持更多的工作方式，完成更加精细化的操作，无论是空中协作、救火救援、搬运重物它都可以通过两只机械手的协作完成；

3、双臂型空中作业无人机工作平台功能丰富多样，不仅兼具小型无人机的图像处理采集、航拍功能，也兼具了大型的无人机的载重量，在此基础上加装双臂型作业平台，更使得其兼具了无人机的快速空间移动能力和机械臂的精确操纵能力，兼具无人机和作业机构的二重特性，使得其相较于传统无人机拥有更强的交互能力、更高的操纵精度、更高的可扩展。

附图说明

图1为本发明技术方案提供的无人机的整体三维结构图；

图2为本发明技术方案提供的无人机的六轴单旋翼分布图；

图3为本发明技术方案提供的机械臂的整体三维结构图；

图4为本发明技术方案提供的旋转底座结构图；

图5为本发明技术方案提供的机械手载体可更换平台孔位预留图；

图6为本发明技术方案提供的观测系统构造图；

图7为本发明技术方案提供的图像采集系统构造图；

图8为本发明技术方案提供的数据传输系统构造图；

图9为本发明技术方案提供的监测与报警系统构造图；

图10为本发明技术方案提供的动力系统构造图；

图11为本发明技术方案提供的电源与保护系统构造图；

图12为本发明技术方案提供的全系统构造图；

图13为本发明技术方案提供的全系统连接图；

图14为本发明技术方案提供的系统工作流程图；

图15为本发明技术方案提供的芯片封装图；

图16为本发明技术方案提供的STM32H743VIT6外设引脚图；

图17为本发明技术方案提供的外部模块接线图；

图18为本发明技术方案提供的电机驱动原理图；

图19为本发明技术方案提供的5V降压供电电路图；

图20为本发明技术方案提供的3.3V降压供电电路图；

图21为本发明技术方案提高的双臂异步工作模式流程图；

图22为本发明技术方案提高的双臂同步工作模式流程图。

图中：1：无人机机体；2：机械手载体；3：电池盒；4：机械手；5：孔位；001：STM32H743VIT6；002：陀螺仪；003：气压计；004：GPS定位模块； 005：电流监测计；006：摄像头；007：5.8G模块；008：WiFi数传模块；009：蜂鸣器报警装置；010：电机驱动；011：电机；012：机械手驱动；013：机械手；014：智能供电电路；101：控制终端；102：观测系统；103：图像采集系统、104：数据传输系统、105：监测与报警系统、106、动力系统、107 电源与保护系统；601、固定底座；602、舵机；603、舵盘；604、轴承压板； 605、轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-17所示的一种双臂型空中作业无人机，包括无人机机体1，以及位于所述无人机机体1上的控制终端101、观测系统102、图像采集系统103、数据传输系统104、监测与报警系统105、动力系统106及电源与保护系统107；所述无人机机体1的底部设有机械手载体2，所述机械手载体2包括电池盒3和机械手4，所述电池盒3的边部两侧预留有孔位5，所述机械手4连接在所述孔位5上。

双臂型空中作业无人机采用六旋翼的主体方式，比之四旋翼的更加稳定，能承受更大载重。搭载双机械手作业平台，比之市面上的单轴机械手，或者低自由度作业平台，双机械手作业平台不像它们只局限于某个工作领域，可以支持更多的工作方式，完成更加精细化的操作，无论是空中协作、救火救援、搬运重物它都可以通过两只机械手的协作完成。电机驱动采用FOC无感无刷驱动，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应，可以使得整个双臂型空中作业无人机平台的操控更加稳定。加装各种保护，一旦系统受损、发生故障，可以通过悬停的方式来慢慢降落，减少坠机的危险。

具体的，上述空中作业无人机整体机械结构：

无人机机体：整个机体的轴距为1.2米，以X6215动力套装为基础，采用六轴单旋翼的布局结构。六轴相较于四轴虽然增加了旋翼之间的限位空间与保护难度，但是能够给无人机提供了更大的升力，同时在面对电机突然断电或者损坏的情况，六轴能更好的稳定机身，防止损坏。载重量是衡量一个大型无人机能完成多少工作的重要指标，为了能有更大的载重量，全机采用 3K碳纤维材料，兼顾了硬度与轻量化；同时根据升力计算公式选择尽量大且适配电机的桨叶，这样能使桨叶被驱动后提供的升力尽可能的大、机械能转化效率高。以上所述方案使得本机能够拥有大负载的情况下能够长时间且稳定的进行工作，大大提升了无人机的自身的性能优势。

机械手：本方案为无人机配备了一对高自由度的机械手，尖端为可更换的多功能工作平台，可以根据不同的工作要求进行工具的更换。双机械手在进行复杂工作时可以进行协作工作，这样不但可以快、准、细的完成工作，更可以完成一些需要多人配合才能进行的任务。在遇到干扰因素的时候，双机械臂也可以通过调整自己的姿态来稳定机身，减小影响。同时为了提供更大的动力，在机械臂上设计了连杆机构作为桥梁，用更小的力去提供了更大的动力。械手的工作模式:通过两个遥控器摇杆加10个通道进行模式的控制及切换，通过每个通道配合来进行机械手的协同工作，机械手的主要模式分为：双臂异步工作模式、双臂同步工作模式。

双臂异步工作模式：通过遥控器的每个通道去单独协调双臂的每一轴的工作状态，以达到更加精细化的操作过程，通过遥控器的通道输出去单独控制每一轴舵机角度的精确调节，可单独控制机械臂前端操作台安装的小开合平头旋转式机械手去夹取物品，可实现横向夹取，竖向夹取。

也可对双臂的多轴进行异步协同工作，利用双臂协调去“拧螺丝”，在左部机械臂前端操作台配合安装四爪夹持器类机械手，通过控制遥控器该轴舵机角度输出，利用舵机的旋转使机械手对螺母加紧，再在右部机械臂前端操作台配合安装柔性夹持器，再通过遥控器该轴控制舵机角度输出把螺栓固定，将无人机控制到预定位置进行高空作业，通过图像传输传输回高空作业的图像给操作员，然后操作员通过控制遥控器的每个通道单独输出对其进行4x2 舵机角度的精细调节，将螺母与螺栓同心同轴对齐，再控制两个舵机角度输出使大臂张开到达预定位置，张开到最大宽度，持续保持对螺栓螺母的同轴心，然后将螺栓与螺母的同轴对其螺栓与螺母的安装同轴心，再控制遥控通道输出把大臂和二臂舵机旋转使螺母与螺栓靠近安装位置，期间持续保持螺栓，螺母和安装孔位的同轴心，慢慢通过控制遥控通道输出，控制操作台舵机持续旋转，使螺栓和螺母在安装孔位拧紧。

双臂异步工作模式：通过遥控器的每个通道去单独协调双臂的每一轴的工作状态，以达到更加精细化的操作过程，通过遥控器的通道输出去单独控制每一轴舵机角度的精确调节，可单独控制机械臂前端操作台安装的小开合平头旋转式机械手去夹取物品，可实现横向夹取，竖向夹取。

通过图传装置观察我们后续工作状态操作是否需要启动双臂异步工作模式，若是需要，即我们利用遥控器操作达到我们需要的俯仰角、横滚角、偏航角，通过遥控器中的信号传输，使无人机接收到我们将要实施的操作，对这不同的几个角度进行处理。例如只需要单独的某一个机械臂时，就可以保证双臂异步工作模式的进行，让只使用单独的机械臂不会产生技术性问题。利用几个舵机的不同转速控制机械臂的运动，达到我们所需要的运动状态，处理摄像头捕捉到的图像采集数据来判断我们的工作目的是否已经达到并且可以通过WiFi数传模块以及图传5G模块来传输摄像头采集的数据或者接收操作人员下发的指令来控制整个机械臂的运动状态，从而实现双臂异步的工作模式。

也可对双臂的多轴进行异步协同工作，利用双臂协调去“拧螺丝”，在左部机械臂前端操作台配合安装四爪夹持器类机械手，通过控制遥控器该轴舵机角度输出，利用舵机的旋转使机械手对螺母加紧，再在右部机械臂前端操作台配合安装柔性夹持器，再通过遥控器该轴控制舵机角度输出把螺栓固定，将无人机控制到预定位置进行高空作业，通过图像传输传输回高空作业的图像给操作员，然后操作员通过控制遥控器的每个通道单独输出对其进行4x2 舵机角度的精细调节，将螺母与螺栓同心同轴对齐，再控制两个舵机角度输出使大臂张开到达预定位置，张开到最大宽度，持续保持对螺栓螺母的同轴心，然后将螺栓与螺母的同轴对其螺栓与螺母的安装同轴心，再控制遥控通道输出把大臂和二臂舵机旋转使螺母与螺栓靠近安装位置，期间持续保持螺栓，螺母和安装孔位的同轴心，慢慢通过控制遥控通道输出，控制操作台舵机持续旋转，使螺栓和螺母在安装孔位拧紧。

双臂同步工作模式：该工作模式较异步模式较为简单，双臂同步工作模式主要运用与被抓取的物体具有对称性，且物体本身在无人机负载范围内。在抓取对称性物体时，双臂必须保证同步运行，利用遥控器操作达到我们需要双臂机械臂的俯仰角、横滚角、偏航角，使之达到相同的角度，通过遥控器中的信号传输，使无人机接收到我们将要实施的操作，对这不同的几个角度进行同步处理。让无人机飞行过程中能够精确无误的保证双臂机械臂能够同步完成任务。并且在下放被抓取的物体时，是通过图传观察到无人机到达预期位置，就能利用遥控器控制，无人机接收到对机械臂操作信号时，保证双臂机械臂的俯仰角、横滚角、偏航角同步改变，使被抓取物体能够在机械臂双臂同步运动过程中稳定下放。只需要控制遥控器的两个摇杆即可完成工作，在一些不是那么精细化的场合较为实用，通过控制一个摇杆的上下输出，就是两只机械手一起的上下摆动，左右输出则是两只机械手的张开和收紧过程，另一个遥控摇杆的输出则是直接控制两只机械手的中轴角度弯曲来达到伸长和缩短距离的目的，以及最最主要的抓取放下功能。

例如实现对短型钢管的空间位置转移，我们只需要完成达到预定位置进行抓取，然后搬运的过程就行，先从遥控器的摇杆飞行模式切换到双臂同步工作模式，通过控制两只机械手的张开、收紧、伸长、缩短来达到钢管的位置，最后进行抓取。再通过遥控器切换为飞行模式，进行上下左右平移来将钢管运输到预定位置，最后重复双臂同步工作模式将其放到指定位置。也能将操作工具、线缆进行携带布线牵引，为了后续的工作进行，也可以安装小开合平头旋转式机械手和机械大面积横向夹爪型同时协作对较大型物品进行抓取。

机械臂创新点此外还包括对机械臂的旋转底座601设计，我们利用大力矩型的舵机602通过轴承605的以及底座之间的转矩传输到整个机械臂的第一阶梯性的旋转，是设计了一种舵机602-舵盘603-轴承压板604-轴承605(轴承内圈还有一个防止转矩过大而保证强度的加强圆柱体)-轴承压板-底座旋转连接件的一种结构，其中的轴承采用了型号为F6806-ZZ单边带法兰盘的深沟球轴承，这种轴承能够起到与底座固定作用还能保证一定的径向力，避免径向力过大导致机械臂从无人机脱落。固定底座中部结构设计是在轴承法兰盘与上部轴承压板的一个固定槽，采用以轴承为准的轴配合，形式是过盈配合，并且靠近法兰盘的一端还有阶梯轴设计，下端还存在一个外部轴承压板，此压板是将下端的轴承法兰盘给以压力，也是为了保证了轴承旋转转矩的径向力。既能避免因底座旋转使用的舵机体积较大而需将底座的轴承类型更换，使轴承的大小也因此改变，保证了机械臂不会再使无人机的自身重量偏大，也能让舵机的转矩更好的传输到机械臂的第一阶梯旋转副，保证了机械臂的精度，减少了机械臂的重量，提高了整个结构的稳定性。

机械手载体：

工作平台载体的内部用于放置电池、驱动板的硬件，也为各模块之间的连接留够了充裕的走线空间，同时用合页设计了一个便于开关的门，方便操作和更换电池。载体两侧的预留孔位可将机械手更换为所需要的工作平台，以完成工作任务。

电池盒：电池在高压高电流的工作产生的热量是巨大的，为了方便散热，为电池单独设计了一个电池盒用于方案，同时这个位置也可以做到很方便的给上层的动力套装供电。同时电池盒也是用于连接载体和机身的中间层，增大了中间的受力面，使得下层可以有更大的负重。

具体的，空中作业无人机系统模块，001：STM32H743VIT6、002：陀螺仪、 003：气压计、004：GPS定位模块、005：电流监测计、006：摄像头、007： 5.8G模块、008：WiFi数传模块、009：蜂鸣器报警装置、010：电机驱动、 011：电机、012：机械手驱动、013：机械手、014：智能供电电路。

控制终端STM32H743VIT6，STM32H743VIT6是32位ArmCortex-M7内核，带双-精密FPU和一级缓存：16KB的数据以及16千字节的指令缓存；频率高达 480MHz，MPU，1027DMIPS/2.14DMIPS/MHz和DSP。高达2MB的闪存，带读取功能和写支持以及高达1MB的内存：192KB的TCMRAM，包括64KB的 ITCMRAM+128KB的DTCMRAM，用于时间关键型例程，高达864KB的用户SRAM，以及备份域中有4KB的SRAM。有双模四SPI内存接口高达133MHz、灵活的外部存储控制器，最多支持32位数据总线：SRAM、PSRAM、DRAM/LPSDRSDRAM、 NOR/NAND闪存，内存时钟高达100MHz，有CRC计算单元。以及3个总线矩阵， 1个AXI和2个AHB、桥梁：5个AHB2-APB，2个AXI2-APB、4个DMA控制器、 1个高速主机直接存储器访问支持链表的控制器、带FIFO的2个双端口DMA、具有请求路由器功能的1×基本DMA。多达35个通讯外围设备：4个I2CsFM+ 接口、4个USART/4个UART和1个LPUART、6个SPI，3个带多路双工I2S音频类通过内部音频PLL或外部音频PLL实现精确性时钟，LP域中的1个I2S、 4个SAI、SPDIFRX接口、SWPMI单线协议主I/F、MDIO从接口、2个SD/SDIO/MMC 接口、2个CAN控制器：2个带CANFD，1个带时间触发CAN、2个USBOTG接口、带有DMA控制器的以太网MAC接口、HDMI-CEC、8至14位摄像头接口。和11个模拟外围设备：最大分辨率为16位的3×ADC、1个温度传感器、2个 12位D/A转换器、2个超低功耗比较器、2个运算放大器、用于sigma-delta 调制器的1×数字滤波器带有8个通道/4个过滤器。多达22个计时器和看门狗：1个高分辨率定时器、2个32位定时器，最多4个IC/OC/PWM或脉冲计数器和正交、编码器输入、2个16位高级电机控制定时器、10个16位通用定时器、5个16位低功耗定时器、2个看门狗、1个SysTick定时器。

陀螺仪002，采用IIM-42652传感器，IIM-42652是SmartIndustrial系列中尺寸小、功耗低、颇具成本效益的6轴惯性测量单元IMU，具有3轴加速度计，还具有数字输出，以及提供±15.625°/秒至±2000°/秒可编程满量程范围的3轴陀螺仪。内部自带的加速度计可测量高达4kHz的振动频率，陀螺仪可有效的观测机体的倾斜角度。

气压计003，采用DPS310气压计，DPS310是具有高精度、高稳定性和低电流消耗的小型化数字气压传感器。该压力传感器可测量压力和温度。压力传感器元件基于电容式传感器的工作原理，在温度变化期间可保证高精度。8 引脚LGA封装使DPS310成为移动应用和可穿戴设备的理想之选。内部信号处理器能将输出与压力和温度传感器元件转换为24位结果。每个单元单独校准，在此过程中计算出的校准系数保存在校准寄存器中。在应用中使用的系数用于将测量结果转换为高精度压力和温度值。这些器件可存储多达32个测量结果，因此降低了主机处理器轮询速率。传感器测量值和校准系数可通过串行 I2C或SPI接口访问。测量状态会以状态位或SDO引脚上的中断指示。工作范围：压力︰300至1200hPa。压力传感器精度：±0.005hPa或±0.05m。

004：GPS定位模块，采用NEO-M8N模块，NEO-M8N是一款高性能,高灵敏度的GPS模块,优良的性能应用，具有高灵敏度、低功耗、小型化、其极高追踪灵敏度大大扩大了其定位的覆盖面，在普通GPS接收模块不能定位的地方，如狭窄都市天空下、密集的丛林环境，模块的高灵敏度、小静态漂移、低功耗及轻巧的体积，非常适用于无人机、车载、手持设备如PDA，车辆监控、手机、摄像机及其他移动定位系统的应用。

电流监测计005，检测电池电流输出，最大支持电池48V。

摄像头006，采集工作地点图像。

5.8G模块007，5.8GHz视频/音频同步传输发射机，兼容PAL和NTSC，紧凑结构，体积小，发射功率大采用大规模集成电路,高可靠性工作电压:DC7V-36V2s-8s，64个工作通道，按钮选择设置，内置频率锁相环、低谐波辐射、高可靠性、稳定性，使用数字锁相环电路，稳定传输摄像头采集图像。

WiFi数传模块008，可与手机端进行通信，摆脱以往的遥控，直接手机就能控制空中作业无人机。采用ESP8266无线收发WiFi模块，ESP8266的模块芯片是基于无线通信协议的UART-WiFi透传模块芯片,支持802.11b/g/n 的无线标准,并带有三种可选择的工作模式。ESP8266模块的控制是通过AT 指令的形式控制,例如选择WiFi的应用模式,列出、加入、退出接入点,建立 TCP/UDP连接、获得状态、发送数据等操作。可与物联网平台进行通信，连接上用户APP平台，摆脱以往的遥控，支持无线调参。

蜂鸣器报警装置009，蜂鸣器构成报警装置，普通IO便可驱动。

电机驱动010，采用FOC无感无刷电机驱动，FOC是磁场定向控制，也被称作矢量控制，是目前无刷直流电机和永磁同步电机高效控制的最优方法之一。FOC旨在通过精确地控制磁场大小与方向，使得电机的运动转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。通过PWM或者CAN协议接口进行通信。

电机011，采用无刷直流电机作为整个系统的动力，跟直流电机相比，无刷直流电机的外特性好，非常符合无人机的负载特性，可以在低、中、高宽速度范围内运行，效率高，尤其是在轻载情况下，过载能力强再生制动效果好，体积小、重量轻、比功率大。采用无刷直流电机作为整个系统的动力，跟直流电机相比，无刷直流电机的外特性好，非常符合无人机的负载特性，可以在低、中、高宽速度范围内运行，效率高，尤其是在轻载情况下，过载能力强再生制动效果好，体积小、重量轻、比功率大。

机械手驱动012，采用F411系列MCU来作为数字舵机驱动，采用PWM驱动舵机，而与主控终端进行数据通信方式采用串口通信。

机械手013，采用大功率数字舵机组装，确保力足够，能进行更加精细化的操作以及搬运重物。

智能供电电路014，采用DC-DC电路与LDO芯片电路来给各系统模块供电，对各点电压进行充分保护，保证系统供电正常。采用大电流，小封装的芯片，可以更加的节省板子布局空间，优化了产品电源设计，优化电源设计走线、布局，使电源纹波更小，效率更高。

空中作业无人机系统组成，如下：

控制终端采用STM32H7系列STM32H743VIT6001作为整个空中作业无人机的控制大脑进行数据处理、姿态解算、监测系统状态，接收陀螺仪002检测的角度进行姿态解算出俯仰角、横滚角、偏航角，通过控制终端对这几个角度的处理得出电机驱动010的输出大小来控制电机011的转速,处理摄像头 006的图像采集数据来判断巡检的那块地方是否故障并且可以通过WiFi数传模块008以及5.8G模块007来传输摄像头006采集的数据或者接收操作手下发的指令来控制整个动力系统106的运动状态，最终又通过陀螺仪002观测的角度信息来调节整个系统的平衡。接收气压计003检测的气压信息来计算海拔高度、接收GPS004检测的位置信息、获取电流监测计005监测电池电流输出状态、系统异常时可通过控制蜂鸣器报警装置009来报警以及通过WiFi 数传模块传输系统异常信息。

观测系统102，通过陀螺仪002观测到空中作业无人机的倾斜角度。气压计003检测气压大小。GPS 004检测位置信息、电流计005检测电池电流输出信息。通过摄像头006采集图像数据。通过WiFi数传模块、陀螺仪的观测角度数据、气压计的气压信息、GPS的定位信息、传输整个系统的工作状态、传输报警装置信息。接收操作员的指令信息。通过模块传输摄像头的采集数据。采用了yoloV5深度学习算法，包括定位、识别2个神经网络技术。通过深度学习算法的训练，可以使空中作业无人机能完成巡检的基本功能，另外，结合自主开发的自然光照增强、彩色图像增强、图像去雾、图像降噪算法，使得空中作业无人机满足在极端天气条件下的图像采集作业。采用高通光量补光方式，配合拍图设备全天候运行，保障在阴天和艳阳天得到几乎一致质量的图像，保证系统工作的可靠性。选择可靠的硬件摄像头，图像实时保存，接受远程调用，支持现场和远程的人工干预管理。具有良好的兼容性，能够与其它软件相结合。

数据传输104：通过ESP8266WiFi数传模块连接WiFi，连接用户APP，可以实时的向用户传输陀螺仪的观测角度数据、气压计的气压信息、GPS的定位信息、传输整个系统的工作状态，配合图像传输模块在用户端这里显示空中作业无人机的航拍信息。也可以传输操作员的指令信息，完成人机协同的工作。

监测与报警105：

监测系统供电是否正常，不正常则输出报警信息。

监测电源输出是否正常，不正常则输出报警信息。

监测系统各工作模块是否正常，不正常则输出报警信息。

通过热敏电阻采样电机和驱动板的温度信息，不正常则输出报警信息。

通过蜂鸣器进行报警。

通过WiFi数传模块传输故障信息给操作员。

监测与报警系统105：监测系统供电是否正常，不正常则输出报警信息。监测电源输出是否正常，不正常则输出报警信息。监测系统各工作模块是否正常，不正常则输出报警信息。通过热敏电阻采样电机和驱动板的温度信息，不正常则输出报警信息。通过蜂鸣器进行报警。通过WiFi数传模块传输故障信息给操作员。

动力系统106：由电机与电机驱动、机械手与机械手驱动组成，主要负责接收主控终端的各种指令状态，通过控制电机速度来完成悬停，加速飞行、缓慢降落等飞行状态，通过控制机械手空中协作、抓取与搬运等等工作状态。

电机驱动：采用ST公司STSPIN32G4芯片制作，相比市面上的STSPIN32F0 芯片有更大的优势，STSPIN32G4工作电压范围为0-75V，内部搭载了STM32G431 的MCU芯片以及自带一路buck和ldo输出以及三路栅级驱动芯片，大大减少了外围器件，而且芯片内部自带保护，再加上STM32G431x6/x8/xB是基于Arm Cortex-M4 32位RISC核心的高性能芯片，工作频率高达170兆赫兹，Cortex-M4 核心具有单精度浮点单元(FPU)，支持Arm所有单精度数据处理指令和所有数据类型。这些设备嵌入高速内存(高达128Kbytes的闪存，32Kbytes的SRAM)，广泛的增强I/O和外设连接到两个APB总线，两个AHB总线和一个32位多AHB 总线矩阵。

用其制作FOC无感无刷电机驱动的性能也会大大提高，算法采用FOC以及扩展卡尔曼观测器观测电角度的方式。扩展卡尔曼滤波器法是指将电机的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来估计转速，这种方法可有效地抑制噪声，提高转速估计的精确度。

通信方式通过STSPIN32G4自带的CAN接口编写CAN总线通信协议与控制终端进行指令信息交互，CAN控制器工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，提高系统的可靠性和系统的灵活性。所以采用CAN收发器芯片：MAX3051，数据速率可达1Mbps小体积小封装；3.3V供电，低功耗。

通信方式也可以采用PWM脉冲序列协议、模拟电压输出的方式来与控制终端进行指令信息交互。

程序算法以及硬件采用多种保护方法，大大加强动力系统的稳定性。

通过热敏电阻感受温度阻值会变化，选择合适的分压电阻，通过ADC检测电压信息来算出板子温度变化，来制作过温保护。

通过INA4181电压信号放大芯片、采样电阻、ADC接口采集三相电机电流，通过clark、park变换来计算Iq、Id的大小来进行限制电流大小，通过分压电阻的方式来采集母线电压大小，因为STSPIN32G4的最高承受电压范围为 75V，我们的系统工作电压为60V以下，超过60V则关闭电流输入。

INAx181器件是一系列双向电流检测放大器(也称为电流分流监控器)，可在独立于电源电压的–0.2V至+26V范围内的共模电压中感测电流检测电阻器上的压降。INAx181系列集成有一个匹配的电阻器增益网络20V/V、 50V/V、100V/V或200V/V。这里我们选用的是INA4181系列，20倍增益、用于低侧电流采样。

机械手驱动：采用QFN封装的STM32F411CET6芯片来制作一个小型化的机械手控制板，通过PWM输出来控制舵机。通过编写笛卡尔坐标系正逆解算的坐标控制算法来去驱动机械手的运作，可以使得机械手的操作精度大大加强，串行接口是一种可以将接收来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU 的器件。所以通过编写串口通信协议来与控制终端进行交互。

电源与保护系统107：采用芯洲SCT2650的DC-DC芯片作为整个系统的5V供电，该芯片有宽输入范围：4.5V-60V，高达5A的连续输出电流，以及 0.8V±1％反馈参考电压，可调频率100KHz至1.2MHz，可编程的精度启用阈值，输入电压欠压闭锁保护，可派生逆变电压调节器，过压和过热保护，可以满足我们系统电压输入需求，可以提供最大5A电流的输出，供给机械手、5V模块是非常足够的，采用LDO芯片XC6210来将5V电压降压到3.3V给系统供电，该芯片支持最大0.9A的电流输出。

XC6210系列是采用CMOS工艺制造的电压调节器的集合体，具有高纹波注入、超快瞬态和低压差，即使在输入输出电压差异很小的情况下，也会产生较大的输出电流。每个XC6210都有一个高精度电压基准、误差校正电路和一个限流输出驱动器。因此，非常适用于我们的供电设备、给MCU供电，给3.3V 芯片供电。

采用控制终端的ADC接口经过合适的电阻分压比例来采集各点电压：电池电压、5V电压、3.3V电压，观测各点电压输出是否正常。通过INA193检测电流输出，通过采样电阻阻值、放大倍数、ADC采集的电压信息来计算出电流信息。通过热敏电阻感受温度阻值会变化，选择合适的分压电阻，通过ADC 检测电压信息来算出板子温度变化。通过检测系统的这些信息来来进行限流、过压、过温保护。

动力系统保护：当空中作业无人机接收不到信息、也传输不出信息时，会采用悬停，慢慢减速的方式回航，具有自动记忆路线功能。当空中作业无人机有动力系统突然故障时，例如一个电机没有输出。系统会采用机械手协调其他五个电机平衡的方式来使无人机机体不至于突然侧翻的地步，因为动力系统输出强劲，可以很快的就能将系统调整回来。

空中作业无人机系统工作流程：如图14；

(1)上电进行自检启动，检测系统电源以及各模块状态是否正常。全部正常才会进入到工作模式，接收工作指令，进入数据检测，数据分析阶段。

(2)接收各模块数据并进行处理，通过陀螺仪检测到的机体角度信息来姿态解算，驱动电机来使空中作业无人机可以升上天空，进行高空作业。

(3)接收气压计检测到的大气压强来换算出无人机海拔高度，接收GPS 信息来获得当前位置信息。

(4)通过摄像头检测工作环境信息。

(5)自动或者人工操作机械手进行动作。

双臂型空中作业无人机工作平台功能丰富多样，不仅兼具小型无人机的图像处理采集、航拍功能，也兼具了大型的无人机的载重量。在此基础上加装双臂型作业平台，更使得其兼具了无人机的快速空间移动能力和机械臂的精确操纵能力。由于它兼具无人机和作业机构的二重特性，使得其相较于传统无人机拥有更强的交互能力、更高的操纵精度、更高的可扩展性。无论是空中协作、自动巡检、搬运重物、牵线搭桥都可以有它工作的身影。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：

包括无人机机体，所述无人机机体采用六轴单旋翼的布局结构；

以及位于所述无人机机体上的控制终端、观测系统、图像采集系统、数据传输系统、监测与报警系统、动力系统及电源与保护系统；

所述无人机机体的底部设有机械手载体，所述机械手载体包括电池盒和机械手，所述电池盒的边部两侧预留有孔位，所述机械手连接在所述孔位上；

所述机械手的尖端为可更换的多功能工作平台，可以根据不同的工作要求进行工具的更换，并设置为双机械臂也可以通过调整自己的姿态来稳定机身，在机械臂上设置连杆机构作为桥梁；所述工作平台的内部用于放置电池、驱动板的硬件，也为各模块之间的连接留够了充裕的走线空间，同时用合页设计了一个便于开关的门，方便操作和更换电池；所述电池盒用于机械手载体和机身的中间层，增大了中间的受力面，使得下层可以有更大的负重；

所述机械臂上设有旋转底座，所述旋转底座包括固定底座、舵机、舵盘、轴承压板及轴承；所述轴承采用单边带法兰盘的深沟球轴承，所述固定底座的中部在轴承法兰盘与上部轴承压板的一个固定槽，采用以轴承为准的轴配合，形式是过盈配合，并且靠近法兰盘的一端还有阶梯轴设计，下端还存在一个外部轴承压板，所述舵盘连接在舵机上。

2.根据权利要求1所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述控制终端包括STM32H743VIT6作为整个空中作业无人机的控制大脑进行数据处理、姿态解算、监测系统状态。

3.根据权利要求2所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述观测系统包括陀螺仪、气压计、GPS及电流计，所述陀螺仪、气压计、GPS及电流计均与所述STM32H743VIT6相连接。

4.根据权利要求3所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述图像采集系统包括摄像头，用于采集图像数据；所述摄像头与所述STM32H743VIT6相连接。

5.根据权利要求4所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述数据传输系统包括WiFi数传模块，用于将陀螺仪的观测角度数据、气压计的气压信息、GPS的定位信息、传输整个系统的工作状态、传输报警装置信息发送至所述STM32H743VIT6。

6.根据权利要求5所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述监测与报警系统通过蜂鸣器进行报警，并通过所述WiFi数传模块传输故障信息给操作员。

7.根据权利要求6所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述动力系统包括电机与电机驱动、机械手与机械手驱动，所述电机与电机驱动、机械手与机械手驱动与所述STM32H743VIT6相连接。

8.根据权利要求7所述的一种双臂型空中作业无人机，其特征在于：所述电源与保护系统包括多点智能稳定DC-DC降压大功率电路，采用芯洲SCT2650的DC-DC芯片作为整个系统的5V供电，该芯片有宽输入范围：4.5V-60V，高达5A的连续输出电流，以及0.8V±1％反馈参考电压，可调频率100KHz至1.2MHz，可编程的精度启用阈值，输入电压欠压闭锁保护，可派生逆变电压调节器，过压和过热保护，可以满足我们系统电压输入需求，可以提供最大5A电流的输出，供给机械手、5V模块是非常足够的，采用LDO芯片XC6210来将5V电压降压到3.3V给系统供电，该芯片支持最大0.9A的电流输出。

9.一种双臂型空中作业无人机的操作方法，其特征在于：包括根据权利要求1-8任意一项所述的双臂型空中作业无人机，包括如下步骤：

上电进行自检启动，检测系统电源以及各模块状态是否正常，全部正常才会进入到工作模式，接收工作指令，进入数据检测，数据分析阶段；

接收各模块数据并进行处理，通过陀螺仪检测到的机体角度信息来姿态解算，驱动电机来使空中作业无人机可以升上天空，进行高空作业；

接收气压计检测到的大气压强来换算出无人机海拔高度，接收GPS信息来获得当前位置信息；

通过摄像头检测工作环境信息；

自动或者人工操作机械手进行动作。

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