CN102530256A - 一种陆空两栖任务组 - Google Patents

Abstract

本发明为一种陆空两栖任务组。该任务组由一台地面无人机动平台和若干飞行机器人组成。地面无人机动平台通过其上的自动脱放机构实现与飞行机器人的结合和分离。在执行任务时，飞行机器人通过自动脱放机构固结在地面无人机动平台上，控制人员通过无线通信对机动平台进行远程操控，根据机动平台上的GPS位置信号和传回的图像信号将整个任务组引导至任务区域。到达任务区域后，控制人员对机动平台发出放飞命令，自动脱放机构打开后机动平台对飞行机器人发出起飞命令，飞行机器人随即起飞执行任务。飞行机器人将位姿信号和探测信息实时传回无人机动平台。机动平台根据飞行机器人的位姿信号对其进行调控，并将飞行机器人的探测信息传回控制中心。通过组内成员之间的协调配合实现战地侦察、资源勘探、灾难救援等任务。

Description

一种陆空两栖任务组

技术领域

本发明属于多机器人应用领域，具体涉及到一种陆空两栖任务组。

背景技术

20世纪末，随着计算机技术、传感技术、控制理论的不断发展，以及社会对于特种机器人需求的不断增大，机器人所能完成的工作已从单纯的工业生产转化到复杂的战场侦察、防暴处突、灾难救援、资源勘探、医疗援助和家庭服务等各个方面。无论是在战火纷飞的阿富汗战场还是在震惊世界的福岛核泄漏事件中人们都能看到特种机器人的身影。近年来，“***分子”、“***分子”等反动势力利用我国西部地区复杂的地形频繁骚扰居民的正常生活，严重影响了我国改革开放的稳定大局。搜索这些***的藏身之处并给予其致命打击极其重要；我国疆域辽阔，自然灾害频发地区众多，每年都会发生各种自然灾害，灾难救援的好坏直接影响到能否将人民群众的生命与财产损失降到最低程度。而对灾后环境的重新评估能为救援工作提供正确的指导；随着资源问题的凸显，我国资源勘探向着位置更加偏远、环境更加恶劣、情况更加不明的地区推进，利用现代化的设备对资源进行勘探不仅能降低成本，而且能减少在此过程中人员的伤亡。特种机器人由于其具有的操控距离远、适应能力强、探索手段多等特点成为解决上述问题的一把利器。

随着机器人技术的发展，单个机器人的能力、鲁棒性、可靠性、效率等都有很大的提升；但面对一些复杂的、需要高效率的、并行完成的任务时，还是需要通过多个机器人之间的协调工作。世界各地的学者纷纷建立起了实验平台对多机器人进行研究，计算机仿真***有美国的Pennsylvania大学和巴西的Federal de Minas Gerais大学共同开发的MuRoS多机器人仿真***和美国Southern California大学的Player/Stage平台等。实物平台有美国Oak Ridge国家实验室的的CESAR Nomads机器人***，加拿大Alberta大学的Collective Robotics实验***，以及中科院沈阳自动化所的MRCAS***等。

由于多机器人***上应用的巨大前景，近年来许多国内外学者对此展开了研究。任孝平和蔡自兴提出了一种基于移动自组网的多机器人远程监控方案，这种监控方案可以使离控制台较远的机器人合作探测，并将探测信息传回控制台。控制台通过探测数据，远程监控现场环境，并对机器人进行适当的控制。但由于试验所使用的自组网带宽的限制以及链路的不稳定性，并没有实现视频信息的实时采集。为了解决机器人实时编队控制问题Yi Zhang等将多机器人编队中的引导与跟随控制方法，增加了跟随机器人对引导机器人的信息反馈。仿真结果表明，这种方法能够有效的避免跟随机器人在自主避障后与引导机器人失去联系的情况发生。然而这些研究大多只是在计算机中进行模拟仿真，不能很好的反映现实环境，从而无法保证现实中的可行性。同时当今多机器人***研究主要集中在二维平面内进行研究，很少涉及三维空间中多机器人***的研究。

中国专利文献CN 101382429B公布了“一种地空异构多机器人搜救***”，该***包括一台直升机无人机，地面多台救援机器人、图像处理计算机、图像采集卡、监控计算机、搜救指挥人员、无线数传电台、无线图传电台、障碍物、待救援目标等。空中机器人负责侦查，并将探测信息直接传回控制人员，控制人员根据这些信息指挥地面机器人执行搜救任务。由于飞行机器人对载荷苛刻的限制，使得其上携带的电池有限，执行任务的时间极短，任务半径极小。同时由于电池和载荷的限制，飞行机器人的通信***比较简陋，通信距离受到很大的限制。而在飞行机器人和地面机器人之间没有直接的信息交流，不能称之为多机器人的协调。

发明内容

本发明的内容在于提供一种陆空两栖任务组。陆空任务组是由一台地面无人机动平台和若干飞行机器人组成的多机器人***。执行任务时，机动平台搭载飞行机器人到达任务区域，然后通过自动脱放机构放飞飞行机器人，通过机动平台与飞行机器人的协作配合完成灾难救援、战场侦察、资源勘探等任务。

为了实现上述发明目的，一种陆空两栖任务组***由地面无人机动平台，若干飞行机器人以及连接二者的脱放机构组成。其特征在于任务组以地面无人机动平台作为陆基母舰，搭载多台飞行机器人，形成陆空两栖任务组，用以在复杂多变的环境中高效的执行任务。任务组内部由地面无人机动平台处于领导地位，其上搭载高性能的机载计算机，并配有无线自组网终端以及定位导航设备。飞行机器人处于被领导地位，其上装有微型自组网终端以及位姿传感器。无人机动平台搭载任务组到达任务区域后，与飞行机器人迅速建立自组网进行通信。控制人员向无人机动平台发出起飞命令，并按照一定的控制策略来控制飞行机器人的轨迹。机动平台收到命令后会自动打开脱放机构，飞行机器人起飞与机动平台脱离执行任务。飞行机器人将位姿信息反馈给无人机动平台。机动平台上的机载计算机将这些信息与期望位姿信息进行对比后，调整飞行机器人的姿态以实现闭环控制。整个任务组的信息传递路径所示。任务组采用宽带自组网技术进行通信，其带宽不仅能够保证任务组内控制和传感信息的传递，还能传输流畅的视频信号。

无人机动平台属于履带式移动机器人，能够在非结构环境下实现快速突入。由于其具有履带式结构能实现跨越壕沟、攀爬阶梯、快速转向等动作。同时无人机动平台上配有GPS定位***和多个摄像头，它运动时的位置信号和图像信号能实时传给控制中心。无人机动平台上配有大功率的自组网络终端能够在网络基础设施薄弱的地方利用移动自组网进行通信。

自动脱放机构固定在机动平台上端，由支架、护板、托盘、弹簧、滑轮、移动体、钢丝绳、连接板、电动缸、轴、螺母等组成。在任务组行进过程中，护板依靠弹簧的弹力将飞行机器人夹住，减少行进过程中飞行机器人所受到的冲击。在任务组到达任务地域展开时，电动缸带动钢丝绳向下运动，钢丝绳经过滑轮变向后牵引护板运动，使护板向外打开。在护板打开到合适角度时，飞行机器人即可以完成起飞动作了。

飞行机器人采用球笼型构造，工程塑料作为外壳，大大减轻了机器人的质量，从而提高了机器人的负载能力。飞行机器人由电机带动的螺旋桨作为驱动元件，通过调整8块舵板的位置来调整飞行机器人飞行姿态。飞行机器人能够实现空中悬停、低速盘旋和高速巡航等动作。飞行机器上配有IMU惯性测量***，能实时检测位姿信号，并将此信号传给机动平台，机动平台在分析信号后向飞行机器人发出调整控制命令。

由于地面机动平台的巡航速度快、续航时间长，因此整个任务组能够获得较大的任务半径。机动平台载重量比较大可以配备大功率的自组网络终端用于实现与控制中心的远距离、高质量的通信。同时由于机动平台搭载飞行机器人前往目的地点，节省了飞行机器人前往目的地的能源，可以将更多能源用到扩展侦察范围和提高通信质量上面。飞行机器人上载有小功率的通信终端，能与机动平台直接进行通信，并能通过机动平台的跳板作用，将侦察到的视频信号传给控制中心。飞行机器人具有运动形式灵活、观察视角广阔的特点，这大大扩展了任务组执行任务的效率。

本发明的优点在于：

(1)任务组将无人地面机动平台与飞行机器人相结合，形成了陆空两栖多机器人任务组。将无人机动平台越野能力强、负载能力大的优点和飞行机器人探测范围广、运动灵活的特点结合到了一起。

(2)任务组采用移动自组网技术进行通信，不受网络基础设施的影响，并能通过多跳方式扩展了通信距离。多个任务组之间也可进行协调互动。

(3)任务组内机动平台和飞行机器人相连采用的自动脱放机构，既能保证任务组结合行进过程中飞行机器人能够牢固的固定在机动平台上，又能保证任务组展开执行任务时飞行机器人能够顺利的起飞。

(4)任务组采用立体协调控制策略，使得任务组成员在三维空间内进行协作，能够完成侦察、搜索、勘探等多种任务。拓展了执行任务的范围，提高了执行任务的效率。

附图说明

附图1陆空两栖任务组整体示意图；

附图2陆空两栖任务组展开执行任务的示意图；

附图3自动脱放机构组成示意图；

附图4陆空两栖任务组信息流动图；

附图中：1-地面无人机动平台，2-自动脱放机构，3-飞行机器人，4-弹簧，5-支架，6-护板，7-连接板，8-托盘，9-滑轮，10-轴，11-螺母，12-钢丝绳，13-电动缸，14-移动块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中一个地面机动平台搭载4个飞行机器人的特例做进一步说明。

从附图1可以看出陆空两栖任务组由地面无人机动平台1作为陆基母舰，上面通过自动脱放机构2搭载了4个飞行机器人3；此时为任务组的行进状态，自动脱放机构2夹紧飞行机器人3以保证飞行机器人不会失稳而与无人机动平台脱落分离；任务组以行进状态进入任务区域从而扩展了任务组的任务半径，节省了飞行机器人3的能源，延长了飞行机器人3的工作时间，提高了整个任务组执行任务的能力。

附图2所示为任务组抵达任务区域后，展开并执行任务的状态；地面无人机动平台1接到控制中心的展开命令，自动脱放机构2随即展开；在展开完毕整个平台稳定后，控制人员通过地面无人机动平台1对飞行机器人3下达起飞命令，飞行机器人接到无人机动平台1的命令起飞执行任务。

附图3为自动脱放机构的结构示意图，两块连接板7中部铰接在支架5上，并沿其轴线成中心对称布置；托盘8固定在支架5上，护板6固定在连接板7上，二者共同完成对球形飞行机器人3的固定。两个连接板7有槽的一端从移动块14中间空隙穿过，轴10分别穿过移动块14和连接板7内的槽从而使自己实现受槽限制的上下直线运动，轴10的一端为阶梯轴限位，另一端被螺母固定在移动块14上；弹簧4的一端固定在支架5上，另一端固定在移动块14上，在任务组行进状态中由弹簧4提供移动块14向下的力，并通过轴10带动两个连接板7向内加紧飞行机器人3；任务组展开时，电动缸13接到命令后伸缩杆开始收缩并牵引钢丝绳12向下运动，钢丝绳12经过滑轮8后改变了方向，拉动移动块14向上运动；此时移动块14通过轴10带动两块连接板7向外展开，从而使飞行机器人3与护板6脱离接触，飞行机器人3只受托盘8在下部支撑作用，在接到起飞命令后，飞行机器人3就能顺利的起飞了。

附图4则表示了整个任务组的信息流动方式，控制人员通过人机接口进行命令输入，并通过移动自组网将命令传递给地面无人机动平台，无人机动平台在整个任务组中处于领导地位，其上搭载了高性能的计算机以及大功率的自组织网络终端，能够在网络基础设施匮乏的区域实现远距离的无线通信；无人机动平台接受控制人员的命令并将自己的GPS位置信号和图像信号传回控制人员，以便控制人员能够顺利的将任务组引导至任务区域；到达目标区域后，控制人员通过自组网命令任务组展开，机动平台与飞行机器人建立起自组网络通信后，将命令传给飞行机器人，并接受飞行机器人的位姿反馈信号从而实现对其的精确控制；控制人员以机动平台为介质与飞行机器人进行信息交流，完成飞行机器人视频信号的回传等功能。

Claims (2)

1.一种陆空两栖任务组，其特征在于：整个任务组由地面无人机动平台(1)、自动脱放机构(2)和飞行机器人(3)构成；自动脱放机构(2)通过螺钉固定在无人机动平台上；在任务组行进过程中，飞行机器人(3)固定在自动脱放机构(2)中，任务组执行任务展开时，自动脱放机构(2)打开，从而使得飞行机器人起飞并脱离地面无人机动平台(1)。

2.如权利要求1所述的自动脱放机构(2)，其特征在于：机构由弹簧(4)、支架(5)、护板(6)、连接板(7)、托盘(8)、滑轮(9)、轴(10)、螺母(11)、钢丝绳(12)、电动缸(13)、移动块(14)；支架(5)通过螺钉固定在地面无人机动平台(1)上；连接板(7)中间铰接在支架(5)上，一端与护板(6)通过螺钉相连；托盘(8)固定在支架上，与两个护板共同完成固定飞行机器人(3)的任务；轴(10)依次穿过移动块(14)和两个连接板(7)端部的沟槽，并由螺母(11)固定在移动块(14)上；弹簧的一端与支架相连，另一端与移动块(7)相连，为脱放机构提供夹紧力；滑轮(9)固定在支架上；钢丝绳的一端与移动块(7)相连，通过滑轮(9)改变方向，另一端与电动缸(12)相连，通过电动缸(12)的牵引来抵抗弹簧弹力从而打开自动脱放机构(2)。

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