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根據(jù)現(xiàn)實存在的需求和國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究，本團(tuán)隊設(shè)計了水陸兩棲勘測云機器蛇，其創(chuàng)新技術(shù)具體表現(xiàn)為以下幾個方面:

1. 1.螺紋雙凹槽防水設(shè)計
   本項目接口處防水設(shè)計最開始用螺紋擰合技術(shù)，但是其導(dǎo)致舵機中心軸偏移。然后，本團(tuán)隊利用單螺紋插銷技術(shù)，但是其導(dǎo)致了螺紋滲水。之后，本團(tuán)隊利用單凹槽擰合技術(shù)，但是其導(dǎo)致了舵機的固定松動。最終，本團(tuán)隊經(jīng)過嚴(yán)密思考，完成了螺紋雙凹槽結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計。本項目采用剛性關(guān)節(jié)公頭和母頭擰合原理，利用凹槽卡緊技術(shù)配合螺紋旋轉(zhuǎn)卡死，形成 雙重凹槽防水結(jié)構(gòu)，外部附加螺紋，可有效實現(xiàn)防水功能。

   
   

2. 2.從動輪式行進(jìn)技術(shù)
   不同于傳統(tǒng)常見的驅(qū)動輪行進(jìn)技術(shù)，從動輪可解決驅(qū)動輪所帶來的電量消耗過大、防水功能差等問題，更加貼近仿生功能。對于陸上平原草地等起伏不大的地形，可使用從動輪行進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)蛇體和地面的恒距懸浮，避開坎坷的路面，擴大機器蛇的適用范圍。

   
   

3. 3.融合控件交互窗口
   LabVIEW 上位機交互軟件融合 多種顯示控件窗口。 多儀表盤面板可顯示蛇體姿態(tài)信息、軌跡等運動信息，GPS 定位窗口可顯示水陸兩棲勘測云機器蛇的位置信息，圖像回傳窗口可顯示主動光源雙目攝像頭拍攝畫面數(shù)據(jù)，利用 深度信息和 三維重建圖像算法，在環(huán)境重建面板搭建三維模型，增強操作人員人機交互友好性，方便其隨時查看回傳數(shù)據(jù)。

   
   

4. 4.VR 三維建模技術(shù)
   蛇頭搭載自選擇性主動光源雙目攝像頭，根據(jù)作業(yè)需求調(diào)整光源亮度，拍攝回傳深度圖像。經(jīng)上位機圖像回傳窗口顯示后，本項目可通過計算機圖形學(xué)，利用 基于圖像建模和 基于幾何建模相結(jié)合的混合 VR 環(huán)境建模方法，改善臨場感，提高模擬環(huán)境模型的自主性，同時配合 VR 虛擬現(xiàn)實眼鏡，進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實沉浸式勘測，增強人機交互的實時性、便利性、可視化。

   
   

5. 5.關(guān)節(jié)快速成型技術(shù)
   蛇體剛性關(guān)節(jié)由 3D 打印技術(shù)完成。本團(tuán)隊使用三維建模軟件 Pro/E、3ds Max構(gòu)建關(guān)節(jié)立體模型，經(jīng)切片后采用 3D 打印技術(shù)快速成型， 縮短模型檢驗矯正周期， 降低生產(chǎn)成 本，適用于蛇體關(guān)節(jié)模型頻繁修改的情況。

   
   

6. 6.云端互聯(lián)
   SSH 協(xié)議作為遠(yuǎn)程登錄會話和為其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供安全性的協(xié)議，可實現(xiàn)PC 端到云端的遠(yuǎn)程連接，并訪問或上傳所需數(shù)據(jù)，云端對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行 分類存儲、 分區(qū)調(diào)用，嵌入式系統(tǒng) NI MyRIO 借助 MySQL 實現(xiàn)云端互聯(lián)。與此同時，本團(tuán)隊借助云計算平臺，托管處理海量傳回信息，方便開發(fā)人員分析運行日志。

   
   

7. 7.單元模塊化
   針對傳統(tǒng)的機器蛇，大多數(shù)設(shè)計人員將其固化為一體，不可拆卸，這樣雖然能完成防水密閉性檢驗，提高系統(tǒng)的魯棒性，但對于日常維護(hù)改進(jìn)難以進(jìn)行。
   本項目采用單元模塊化設(shè)計， 剛性關(guān)節(jié)與柔性關(guān)節(jié)交替組合，配合 螺紋雙凹槽設(shè)計和接口螺旋設(shè)計，有效解決了防水和拆卸問題，增強整體穩(wěn)定性和可升級維護(hù)性。
   

   
   

8. 8.IDT WP3W-RK 無線充電模塊 模塊
   本項目利用 IDT WP3W-RK 無線充電模塊技術(shù)對蛇體電池進(jìn)行便捷充電。水陸兩棲勘測云機器蛇的單元模塊中安裝 IDT WP3W-RK 無線充電模塊接收裝置，結(jié)合 RC 振蕩、濾波電路和穩(wěn)壓模塊，對電磁感應(yīng)電動勢進(jìn)行濾波穩(wěn)壓等操作，為作品的充電提供便利。

   
   

9. 9.GPS 定位模塊
   全球定位系統(tǒng)是一個精密復(fù)雜的系統(tǒng)，但本項目在蛇體搭載的基于GlobalTech Gms-u1LPGPS 模塊的 PmodGPS 可實 實 現(xiàn)圖形化的蛇體定位，人機交
   互軟件 LabVIEW 定位窗口顯示蛇體位置信息，進(jìn)而可得到其方位、運動速度等信息，有利于操作人員監(jiān)測蛇體位置，提高其操作的可靠性。

   圖 1.1 主要系統(tǒng)功能架構(gòu)

   1.5.1 勘測狹窄路徑
   本項目體積較小，可應(yīng)用于穿越狹窄路徑，進(jìn)行路徑的搜尋工作。其具有加速度、磁強計等多種傳感器，可進(jìn)行自身姿態(tài)信息的采集和回傳，在 嵌入式系統(tǒng)板 板 NI myRIO 平臺上通過 PID 算法進(jìn)行處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋， 微控制器STM32 進(jìn)行舵機組的規(guī)律控制，及時調(diào)節(jié)自身狀態(tài)和運動模式，從而適應(yīng)狹窄路徑的搜尋工作。
   大多數(shù)陸地行進(jìn)方式都是由與地面摩擦提供的反作用力來完成行進(jìn)動作，本團(tuán)隊考慮到所設(shè)計的系統(tǒng)關(guān)節(jié)主要由 3D 打印的關(guān)節(jié)構(gòu)成，耐磨性不夠，伸縮運動或直線運動步態(tài)容易造成 3D 打印的蛇體磨損而破壞其防水性，難以適應(yīng)摩擦頻繁的地域。因此，本團(tuán)隊 在剛性有輪關(guān)節(jié)上設(shè)計八個輪槽，將 從動輪均勻外嵌入輪槽有效抬高了蛇體，能夠避開陸地的小起伏。運動時，其借助固定在蛇體表面的輪子使蛇體縱向和橫向與地面產(chǎn)生摩擦力，從而推動蛇形機器人蜿蜒爬行，進(jìn)行狹窄路徑的探索。
   蛇體的 防水結(jié)構(gòu)保證其可在泥濘環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，保障電氣連接的可靠性和可控性。水陸兩棲勘測云機器蛇可在上位機的控制下利用 主動光源雙目攝像頭進(jìn)行圖像的拍攝，并且回傳至上位機在 LabVIEW 人機交互軟件界面上顯示，幫助操作人員在狹窄崎嶇的地形環(huán)境下進(jìn)行具體路徑的確定。
   1.5.2 管道內(nèi)部的勘測
   由于管道內(nèi)壁附有液體、不確定的阻礙多，水陸兩棲的行進(jìn)功能可適應(yīng)該種潮濕多阻礙的環(huán)境，而 主動光源雙目攝像頭可以在 陰暗的管道中進(jìn)行照明并拍攝圖像，從而回傳至上位機，操作人員可利用上位機進(jìn)行管道內(nèi)部的勘測，執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)。
   蛇體搭載了 加速度磁強計、陀螺儀等多種傳感器，可實時采集到蛇體加速度，俯仰角，偏角等參數(shù)，大量采集到的傳感器參數(shù)通過嵌入式系統(tǒng) NI myRIO 回傳上位機 PC 進(jìn)行處理，通過開發(fā) LabVIEW 人機交互界面控件，操作人員可及時了解蛇體運動狀況和周圍環(huán)境情況，從而下達(dá)下一步指令。
   本項目利用人機交互軟件 LabVIEW 編寫上位機人機交互界面，通過 多個儀表盤協(xié)同合作，能夠及時顯示各種傳感器的回傳參數(shù)信息，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)并查看異常管道。主動光源雙目攝像頭可實現(xiàn)在陰暗環(huán)境下對光線亮度的調(diào)整，并結(jié)合雙目攝像頭拍攝管道圖像，操作人員可根據(jù)采集的圖像進(jìn)行客觀分析，從而得到泄露點和破損處的位置信息，觀察管道雜物的形態(tài)。
   1.5.3 淺水監(jiān)測
   蛇體利用 3D 打印技術(shù)搭建，同時配以 鋼圈軟管，從而使得水陸兩棲勘測云機器蛇可進(jìn)行淺水作業(yè)。淺水亮度較暗，可利用主動光源進(jìn)行亮度的調(diào)節(jié)，雙目攝像頭可進(jìn)行水下環(huán)境的拍攝，蛇體搭載的多種傳感器可將其相關(guān)參數(shù)回傳至 LabVIEW 人機交互軟件，利用云端互聯(lián)，將相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳至云，實現(xiàn)資源的共享和數(shù)據(jù)的海量存儲。云被譽為“第三次 IT浪潮”將水陸兩棲勘測蛇形機器人與云結(jié)合，通過Azure云來開發(fā)實現(xiàn)蛇形機器人與云端的數(shù)據(jù)交換處理功能。在實際操作設(shè)計時，通過搭建編譯環(huán)境，將主控設(shè)備與云端服務(wù)器互服務(wù)器互聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，完成蛇體回傳數(shù)據(jù)的服務(wù)管理，并為用戶提供訪問接口。云端記錄淺水環(huán)境參數(shù)，從而生成日志，方便操作人員查看。
   1.5.4 水陸偵查
   在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和國防保護(hù)中，水陸環(huán)境的偵查占據(jù)重要地位。隱蔽的偵查和水陸環(huán)境照片的獲取可幫助工作人員構(gòu)建 三維模型，分析相關(guān)形勢，進(jìn)而制定合理的作戰(zhàn)規(guī)劃。
   水陸兩棲勘測云機器蛇能夠通過前端 主動光源雙目攝像頭拍攝圖像，利用其體積小的特點提高隱蔽性。 仿生蛇形的前行方式降低了噪聲，克服了被水草纏繞的困難，提高了可靠性；兩棲的運動結(jié)構(gòu)和防水設(shè)計使得一套設(shè)備可應(yīng)用于多種使用場景， 降低了勘測偵查的成本。
   與此同時，常見的單目攝像頭采集的圖像信息較少，難以獲得深度信息進(jìn)行三維建模。蛇體搭載的主動光源雙目攝像頭可將拍攝的畫面回傳至上位機人機交互界面，上位機通過 圖像建模算法，應(yīng)用模型分割、實例化、紋理映射技術(shù)進(jìn)行模型處理后，操作人員可得到蛇體所處環(huán)境的三維建模圖，便于其把握整體環(huán)境進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。同時，回傳的雙目視覺畫面可配合 VR 眼鏡以虛擬現(xiàn)實視角進(jìn)行作業(yè)。借助虛擬現(xiàn)實偵查,操作人員在一定程度上能改善任務(wù)執(zhí)行的質(zhì)量，提高工作效率。
   

2.1 系統(tǒng)設(shè)計理念
本項目以蛇體結(jié)構(gòu)采用 從動輪式結(jié)構(gòu)與蛇形仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式，以嵌入式系統(tǒng) NI myRIO 控制為核心，云計算和互聯(lián)網(wǎng)為擴展平臺，進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的處理和分布式計算。

水陸兩棲勘測云機器蛇的主控制板以嵌入式系統(tǒng) NI myRIO 為核心，以專為要求 高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的擁有 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器 STM32 為從機，使用 圖形化編輯語言——G 語言編寫框圖形式程序的 LabVIEW 平臺為交互軟件，通過無線遙控手柄或 PC 上位機發(fā)送指令進(jìn)行水陸兩棲勘測云機器蛇運動狀態(tài)的切換。此外，蛇體搭載多種 傳感器采集環(huán)境參數(shù)，利用基于 GlobalTech Gms-u1LPGPS 模塊的 PmodGPS 定位模塊來獲取蛇體相應(yīng)的位置信息，并且將其返回至 LabVIEW，在控件面板端進(jìn)行顯示，用戶連接登錄云端，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云儲存分析計算，此項設(shè)計便于工作者觀測與分析環(huán)境性質(zhì)。

本項目的外形設(shè)計理念主要體現(xiàn)在：

采用3D 打印技術(shù)完成蛇體的主要結(jié)構(gòu)，降低了成本；采用從動輪式結(jié)構(gòu)和蛇形仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合的創(chuàng)意，實現(xiàn)機器蛇既能在陸地上 S 型行進(jìn)也能在水中上浮下潛；設(shè)計出一種 螺紋雙凹槽與螺旋擰合相結(jié)合的關(guān)節(jié)拼接方式，降低了蛇體在液體環(huán)境下滲液的風(fēng)險。在功能設(shè)計理念方面：首先，蛇體搭載 主動光源的雙目攝像頭，可實現(xiàn)無晝夜限制的視頻圖像采集；另外，在數(shù)據(jù)回傳方面，采用云計算技術(shù)，搭建數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲、調(diào)用和處理。再者，在供電設(shè)計方面，采用較大容量的 動力鋰電池提供充足動力，并且利用蛇體搭載 IDT WP3W-RK 無線充電模塊 裝置，可使充電更加便利，解決有線充電帶來的漏水以及充電不便的弊端。

本項目團(tuán)隊采用多種傳感器、GPS 定位裝置、IDT WP3W-RK 無線充電模塊裝置以及雙目攝像頭等元件集成模塊，設(shè)計了一套集水陸兩棲運動，環(huán)境參數(shù)采集回傳、深度圖像二次開發(fā)、VR 虛擬現(xiàn)實體驗、云平臺互聯(lián)共享資源、IDTWP3W-RK 無線充電模塊等功能于一體的水陸兩棲勘測云機器蛇，可為一線勘測工作人員的工作提供便利。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖 2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本項目選用嵌入式系統(tǒng)對蛇體進(jìn)行控制，融合云計算和 VR 三維建模的多層次系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)對后期數(shù)據(jù)處理。在系統(tǒng)控制方面，以嵌入式系統(tǒng) NI myRIO 為核心板，操作人員可使用無線遙控手柄，對安裝有無線接收模塊的 NI myRIO 主控板進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控，或者直接依靠上位機交互軟件 LabVIEW，以無線局域網(wǎng)或串行實時連接的方式，將經(jīng)交互軟件編譯解析后的控制指令固化至嵌入式系統(tǒng) NI myRIO 主機，產(chǎn)生時序響應(yīng)，并由專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 ARMCortex-M3 內(nèi)核的微控制器 STM32 進(jìn)行 PWM 脈寬調(diào)制，控制蛇體運動模式的規(guī)律切換，同時，其內(nèi)部搭載的傳感器也可在交互軟件上進(jìn)行實時顯示。在算法方面，本團(tuán)隊利用 Kalman 濾波算法融合處理傳感器數(shù)據(jù)，通過此，操作人員可得到基準(zhǔn)校正后的蛇體姿態(tài)和運動狀態(tài)，其次，主控制板可根據(jù)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行基于比例、積分、微分控制算法的 PID 閉環(huán)控制算法（如圖 2.2），這使操作人員可據(jù)此調(diào)節(jié)蛇體基準(zhǔn)運動偏移和姿態(tài)漂移，增強蛇體運動的魯棒性和反饋機制。

圖 2.2 PID 控制前面板

在視頻圖像采集方面，本項目采用蛇頭主動光源雙目攝像頭實時拍攝環(huán)境圖像，利用 圖像識別和跟蹤技術(shù)，完成攝像頭對環(huán)境中某些特定需求目標(biāo)的選擇性識別和跟蹤拍攝，多角度獲取其形態(tài)特點、運動狀況等信息。此外，主機對所拍攝環(huán)境圖像進(jìn)行處理后，將其共享至云端或由蛇尾天線回傳至 PC 上位機。經(jīng)由壓縮解壓、濾波去噪、圖像數(shù)字化等圖像處理技術(shù)后，上位機對其通過交互軟件LabVIEW 可實現(xiàn)低延遲分屏區(qū)分顯示，同時，操作者可通過佩戴 VR 眼鏡獲得沉浸式勘測，提高作業(yè)人員的工作效率和工作質(zhì)量。除此之外，本項目采用 螺紋雙凹槽和外端螺旋接口結(jié)構(gòu)的 防水設(shè)計，安裝IDT WP3W-RK 無線充電模塊接收器模塊，可拓展作品的運動范圍，滿足蛇體充電便利的需求，從而為操作人員提供更優(yōu)選擇。

圖 2.7 NI myRIO 主控制板

圖 2.8 STM32 從控制板

圖2.9IDT WP3W-RK 無線充電模塊模塊

實驗室測試
本項目先采用三維軟件 Pro/E 進(jìn)行仿真模擬測試，再采用“懸空測試”的方式（如圖 4.1 所示），將蛇體用彈簧懸高。團(tuán)隊成員利用 PC 上位機發(fā)送控制指令，觀察蛇體的三維空間運動形態(tài)，并且不斷調(diào)整舵機控制軟件中動作組的各占空比，進(jìn)行實時觀察，校正蛇體運動后的存儲動作組，生成動作序列并下載至主控制板。此測試結(jié)果證明了仿生運動方式的可行性（如圖 4.2 所示）。

圖 4.1 實驗室“懸空測試”

圖 4.2 三維軟件仿生運動測試

4.2 陸地測試
本團(tuán)隊將陸地運動測試分為 局部陸地測試和 整機陸地測試。局部測試是選取作品中兩節(jié)關(guān)節(jié)，將其拼接后由微控制器 STM32 輸出兩路獨立脈寬調(diào)制波進(jìn)行控制，觀察兩關(guān)節(jié)擺動幅度是否符合運動行波規(guī)律要求（如圖 4.3 所示）。局部測試結(jié)果較成功，兩舵機可正常扭動，擺幅符合要求，符合測試扭動規(guī)律的要求。

圖 4.3 局部陸地測試

整機陸地測試是通過調(diào)通上位機人機交互軟件 LabVIEW 和無線遙控手柄與嵌入式系統(tǒng) NI myRIO 的無線方式通信，借助 PC 上位機與無線遙控手柄，將控制指令發(fā)送至蛇體，微控制器 STM32 產(chǎn)生 16 路獨立的 PWM 波，從而實現(xiàn)蛇體的整機行波擺動測試。本項目團(tuán)隊按照預(yù)設(shè)的校正擺動規(guī)律，觀測蛇體從動輪式前進(jìn)結(jié)果。

測試結(jié)果：
（1）可實現(xiàn)按預(yù)設(shè)值控制舵機擺動規(guī)律，擺角可控范圍測試為 60°—120°，實際擺動速度設(shè)置符合預(yù)設(shè)值，約 0.5sec/60°；
（2）蛇體可在草地、泥土道路、硬化路面中緩慢前行（如圖 4.4、圖 4.5、圖 4.6所示），符合預(yù)期陸地行進(jìn)效果。

圖 4.4 草地行進(jìn)測試

圖 4.5 泥土道路行進(jìn)測試

圖 4.6 硬化路面測試

由于內(nèi)容較多具體的測試請查看附件

水陸兩棲勘測云機器蛇說明書.pdf

視頻演示：http://v.youku.com/v_show/id_XMzExMzk0MjMwNA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1