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根據現實存在的需求和國內外相關技術的研究，本團隊設計了水陸兩棲勘測云機器蛇，其創新技術具體表現為以下幾個方面:

1. 1.螺紋雙凹槽防水設計
   本項目接口處防水設計最開始用螺紋擰合技術，但是其導致舵機中心軸偏移。然后，本團隊利用單螺紋插銷技術，但是其導致了螺紋滲水。之后，本團隊利用單凹槽擰合技術，但是其導致了舵機的固定松動。最終，本團隊經過嚴密思考，完成了螺紋雙凹槽結構的防水設計。本項目采用剛性關節公頭和母頭擰合原理，利用凹槽卡緊技術配合螺紋旋轉卡死，形成 雙重凹槽防水結構，外部附加螺紋，可有效實現防水功能。

   
   

2. 2.從動輪式行進技術
   不同于傳統常見的驅動輪行進技術，從動輪可解決驅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，可使用從動輪行進技術實現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據，利用 深度信息和 三維重建圖像算法，在環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據。

   
   

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

   
   

5. 5.關節快速成型技術
   蛇體剛性關節由 3D 打印技術完成。本團隊使用三維建模軟件 Pro/E、3ds Max構建關節立體模型，經切片后采用 3D 打印技術快速成型， 縮短模型檢驗矯正周期， 降低生產成 本，適用于蛇體關節模型頻繁修改的情況。

   
   

6. 6.云端互聯
   SSH 協議作為遠程登錄會話和為其他網絡服務提供安全性的協議，可實現PC 端到云端的遠程連接，并訪問或上傳所需數據，云端對上傳數據進行 分類存儲、 分區調用，嵌入式系統 NI MyRIO 借助 MySQL 實現云端互聯。與此同時，本團隊借助云計算平臺，托管處理海量傳回信息，方便開發人員分析運行日志。

   
   

7. 7.單元模塊化
   針對傳統的機器蛇，大多數設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，提高系統的魯棒性，但對于日常維護改進難以進行。
   本項目采用單元模塊化設計， 剛性關節與柔性關節交替組合，配合 螺紋雙凹槽設計和接口螺旋設計，有效解決了防水和拆卸問題，增強整體穩定性和可升級維護性。
   

   
   

8. 8.IDT WP3W-RK 無線充電模塊 模塊
   本項目利用 IDT WP3W-RK 無線充電模塊技術對蛇體電池進行便捷充電。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，結合 RC 振蕩、濾波電路和穩壓模塊，對電磁感應電動勢進行濾波穩壓等操作，為作品的充電提供便利。

   
   

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

   圖 1.1 主要系統功能架構

   1.5.1 勘測狹窄路徑
   本項目體積較小，可應用于穿越狹窄路徑，進行路徑的搜尋工作。其具有加速度、磁強計等多種傳感器，可進行自身姿態信息的采集和回傳，在 嵌入式系統板 板 NI myRIO 平臺上通過 PID 算法進行處理，產生相應的數據反饋， 微控制器STM32 進行舵機組的規律控制，及時調節自身狀態和運動模式，從而適應狹窄路徑的搜尋工作。
   大多數陸地行進方式都是由與地面摩擦提供的反作用力來完成行進動作，本團隊考慮到所設計的系統關節主要由 3D 打印的關節構成，耐磨性不夠，伸縮運動或直線運動步態容易造成 3D 打印的蛇體磨損而破壞其防水性，難以適應摩擦頻繁的地域。因此，本團隊 在剛性有輪關節上設計八個輪槽，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生摩擦力，從而推動蛇形機器人蜿蜒爬行，進行狹窄路徑的探索。
   蛇體的 防水結構保證其可在泥濘環境下進行作業，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境下進行具體路徑的確定。
   1.5.2 管道內部的勘測
   由于管道內壁附有液體、不確定的阻礙多，水陸兩棲的行進功能可適應該種潮濕多阻礙的環境，而 主動光源雙目攝像頭可以在 陰暗的管道中進行照明并拍攝圖像，從而回傳至上位機，操作人員可利用上位機進行管道內部的勘測，執行相應作業。
   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，大量采集到的傳感器參數通過嵌入式系統 NI myRIO 回傳上位機 PC 進行處理，通過開發 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境情況，從而下達下一步指令。
   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 多個儀表盤協同合作，能夠及時顯示各種傳感器的回傳參數信息，方便操作人員及時發現并查看異常管道。主動光源雙目攝像頭可實現在陰暗環境下對光線亮度的調整，并結合雙目攝像頭拍攝管道圖像，操作人員可根據采集的圖像進行客觀分析，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。
   1.5.3 淺水監測
   蛇體利用 3D 打印技術搭建，同時配以 鋼圈軟管，從而使得水陸兩棲勘測云機器蛇可進行淺水作業。淺水亮度較暗，可利用主動光源進行亮度的調節，雙目攝像頭可進行水下環境的拍攝，蛇體搭載的多種傳感器可將其相關參數回傳至 LabVIEW 人機交互軟件，利用云端互聯，將相應數據上傳至云，實現資源的共享和數據的海量存儲。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合，通過Azure云來開發實現蛇形機器人與云端的數據交換處理功能。在實際操作設計時，通過搭建編譯環境，將主控設備與云端服務器互服務器互聯實現數據傳輸功能，完成蛇體回傳數據的服務管理，并為用戶提供訪問接口。云端記錄淺水環境參數，從而生成日志，方便操作人員查看。
   1.5.4 水陸偵查
   在現代戰爭和國防保護中，水陸環境的偵查占據重要地位。隱蔽的偵查和水陸環境照片的獲取可幫助工作人員構建 三維模型，分析相關形勢，進而制定合理的作戰規劃。
   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；兩棲的運動結構和防水設計使得一套設備可應用于多種使用場景， 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，應用模型分割、實例化、紋理映射技術進行模型處理后，操作人員可得到蛇體所處環境的三維建模圖，便于其把握整體環境進行相關作業。同時，回傳的雙目視覺畫面可配合 VR 眼鏡以虛擬現實視角進行作業。借助虛擬現實偵查,操作人員在一定程度上能改善任務執行的質量，提高工作效率。
   

2.1 系統設計理念
本項目以蛇體結構采用 從動輪式結構與蛇形仿生結構相結合的形式，以嵌入式系統 NI myRIO 控制為核心，云計算和互聯網為擴展平臺，進行傳感器數據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 NI myRIO 為核心，以專為要求 高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的擁有 ARM Cortex-M3 內核的微控制器 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 上位機發送指令進行水陸兩棲勘測云機器蛇運動狀態的切換。此外，蛇體搭載多種 傳感器采集環境參數，利用基于 GlobalTech Gms-u1LPGPS 模塊的 PmodGPS 定位模塊來獲取蛇體相應的位置信息，并且將其返回至 LabVIEW，在控件面板端進行顯示，用戶連接登錄云端，即可實現數據的云儲存分析計算，此項設計便于工作者觀測與分析環境性質。

本項目的外形設計理念主要體現在：

采用3D 打印技術完成蛇體的主要結構，降低了成本；采用從動輪式結構和蛇形仿生結構相結合的創意，實現機器蛇既能在陸地上 S 型行進也能在水中上浮下潛；設計出一種 螺紋雙凹槽與螺旋擰合相結合的關節拼接方式，降低了蛇體在液體環境下滲液的風險。在功能設計理念方面：首先，蛇體搭載 主動光源的雙目攝像頭，可實現無晝夜限制的視頻圖像采集；另外，在數據回傳方面，采用云計算技術，搭建數據庫，實現數據的云端存儲、調用和處理。再者，在供電設計方面，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，設計了一套集水陸兩棲運動，環境參數采集回傳、深度圖像二次開發、VR 虛擬現實體驗、云平臺互聯共享資源、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 系統整體架構

圖 2.1 系統整體架構

本項目選用嵌入式系統對蛇體進行控制，融合云計算和 VR 三維建模的多層次系統架構實現對后期數據處理。在系統控制方面，以嵌入式系統 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 主控板進行遠距離遙控，或者直接依靠上位機交互軟件 LabVIEW，以無線局域網或串行實時連接的方式，將經交互軟件編譯解析后的控制指令固化至嵌入式系統 NI myRIO 主機，產生時序響應，并由專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的 ARMCortex-M3 內核的微控制器 STM32 進行 PWM 脈寬調制，控制蛇體運動模式的規律切換，同時，其內部搭載的傳感器也可在交互軟件上進行實時顯示。在算法方面，本團隊利用 Kalman 濾波算法融合處理傳感器數據，通過此，操作人員可得到基準校正后的蛇體姿態和運動狀態，其次，主控制板可根據回傳數據進行基于比例、積分、微分控制算法的 PID 閉環控制算法（如圖 2.2），這使操作人員可據此調節蛇體基準運動偏移和姿態漂移，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境圖像，利用 圖像識別和跟蹤技術，完成攝像頭對環境中某些特定需求目標的選擇性識別和跟蹤拍攝，多角度獲取其形態特點、運動狀況等信息。此外，主機對所拍攝環境圖像進行處理后，將其共享至云端或由蛇尾天線回傳至 PC 上位機。經由壓縮解壓、濾波去噪、圖像數字化等圖像處理技術后，上位機對其通過交互軟件LabVIEW 可實現低延遲分屏區分顯示，同時，操作者可通過佩戴 VR 眼鏡獲得沉浸式勘測，提高作業人員的工作效率和工作質量。除此之外，本項目采用 螺紋雙凹槽和外端螺旋接口結構的 防水設計，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。團隊成員利用 PC 上位機發送控制指令，觀察蛇體的三維空間運動形態，并且不斷調整舵機控制軟件中動作組的各占空比，進行實時觀察，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關節，將其拼接后由微控制器 STM32 輸出兩路獨立脈寬調制波進行控制，觀察兩關節擺動幅度是否符合運動行波規律要求（如圖 4.3 所示）。局部測試結果較成功，兩舵機可正常扭動，擺幅符合要求，符合測試扭動規律的要求。

圖 4.3 局部陸地測試

整機陸地測試是通過調通上位機人機交互軟件 LabVIEW 和無線遙控手柄與嵌入式系統 NI myRIO 的無線方式通信，借助 PC 上位機與無線遙控手柄，將控制指令發送至蛇體，微控制器 STM32 產生 16 路獨立的 PWM 波，從而實現蛇體的整機行波擺動測試。本項目團隊按照預設的校正擺動規律，觀測蛇體從動輪式前進結果。

測試結果：
（1）可實現按預設值控制舵機擺動規律，擺角可控范圍測試為 60°—120°，實際擺動速度設置符合預設值，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），符合預期陸地行進效果。

圖 4.4 草地行進測試

圖 4.5 泥土道路行進測試

圖 4.6 硬化路面測試

由于內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