根据现实存在的需求和国内外相关技术的研究，本团队设计了水陆两栖勘测云机器蛇，其创新技术具体表现为以下几个方面:

1. 1.螺纹双凹槽防水设计
   本项目接口处防水设计最开始用螺纹拧合技术，但是其导致舵机中心轴偏移。然后，本团队利用单螺纹插销技术，但是其导致了螺纹渗水。之后，本团队利用单凹槽拧合技术，但是其导致了舵机的固定松动。最终，本团队经过严密思考，完成了螺纹双凹槽结构的防水设计。本项目采用刚性关节公头和母头拧合原理，利用凹槽卡紧技术配合螺纹旋转卡死，形成 双重凹槽防水结构，外部附加螺纹，可有效实现防水功能。

   
   

2. 2.从动轮式行进技术
   不同于传统常见的驱动轮行进技术，从动轮可解决驱动轮所带来的电量消耗过大、防水功能差等问题，更加贴近仿生功能。对于陆上平原草地等起伏不大的地形，可使用从动轮行进技术实现蛇体和地面的恒距悬浮，避开坎坷的路面，扩大机器蛇的适用范围。

   
   

3. 3.融合控件交互窗口
   LabVIEW 上位机交互软件融合 多种显示控件窗口。 多仪表盘面板可显示蛇体姿态信息、轨迹等运动信息，GPS 定位窗口可显示水陆两栖勘测云机器蛇的位置信息，图像回传窗口可显示主动光源双目摄像头拍摄画面数据，利用 深度信息和 三维重建图像算法，在环境重建面板搭建三维模型，增强操作人员人机交互友好性，方便其随时查看回传数据。

   
   

4. 4.VR 三维建模技术
   蛇头搭载自选择性主动光源双目摄像头，根据作业需求调整光源亮度，拍摄回传深度图像。经上位机图像回传窗口显示后，本项目可通过计算机图形学，利用 基于图像建模和 基于几何建模相结合的混合 VR 环境建模方法，改善临场感，提高模拟环境模型的自主性，同时配合 VR 虚拟现实眼镜，进行三维虚拟现实沉浸式勘测，增强人机交互的实时性、便利性、可视化。

   
   

5. 5.关节快速成型技术
   蛇体刚性关节由 3D 打印技术完成。本团队使用三维建模软件 Pro/E、3ds Max构建关节立体模型，经切片后采用 3D 打印技术快速成型， 缩短模型检验矫正周期， 降低生产成 本，适用于蛇体关节模型频繁修改的情况。

   
   

6. 6.云端互联
   SSH 协议作为远程登录会话和为其他网络服务提供安全性的协议，可实现PC 端到云端的远程连接，并访问或上传所需数据，云端对上传数据进行 分类存储、 分区调用，嵌入式系统 NI MyRIO 借助 MySQL 实现云端互联。与此同时，本团队借助云计算平台，托管处理海量传回信息，方便开发人员分析运行日志。

   
   

7. 7.单元模块化
   针对传统的机器蛇，大多数设计人员将其固化为一体，不可拆卸，这样虽然能完成防水密闭性检验，提高系统的鲁棒性，但对于日常维护改进难以进行。
   本项目采用单元模块化设计， 刚性关节与柔性关节交替组合，配合 螺纹双凹槽设计和接口螺旋设计，有效解决了防水和拆卸问题，增强整体稳定性和可升级维护性。
   

   
   

8. 8.IDT WP3W-RK 无线充电模块 模块
   本项目利用 IDT WP3W-RK 无线充电模块技术对蛇体电池进行便捷充电。水陆两栖勘测云机器蛇的单元模块中安装 IDT WP3W-RK 无线充电模块接收装置，结合 RC 振荡、滤波电路和稳压模块，对电磁感应电动势进行滤波稳压等操作，为作品的充电提供便利。

   
   

9. 9.GPS 定位模块
   全球定位系统是一个精密复杂的系统，但本项目在蛇体搭载的基于GlobalTech Gms-u1LPGPS 模块的 PmodGPS 可实 实 现图形化的蛇体定位，人机交
   互软件 LabVIEW 定位窗口显示蛇体位置信息，进而可得到其方位、运动速度等信息，有利于操作人员监测蛇体位置，提高其操作的可靠性。

   图 1.1 主要系统功能架构

   1.5.1 勘测狭窄路径
   本项目体积较小，可应用于穿越狭窄路径，进行路径的搜寻工作。其具有加速度、磁强计等多种传感器，可进行自身姿态信息的采集和回传，在 嵌入式系统板 板 NI myRIO 平台上通过 PID 算法进行处理，产生相应的数据反馈， 微控制器STM32 进行舵机组的规律控制，及时调节自身状态和运动模式，从而适应狭窄路径的搜寻工作。
   大多数陆地行进方式都是由与地面摩擦提供的反作用力来完成行进动作，本团队考虑到所设计的系统关节主要由 3D 打印的关节构成，耐磨性不够，伸缩运动或直线运动步态容易造成 3D 打印的蛇体磨损而破坏其防水性，难以适应摩擦频繁的地域。因此，本团队 在刚性有轮关节上设计八个轮槽，将 从动轮均匀外嵌入轮槽有效抬高了蛇体，能够避开陆地的小起伏。运动时，其借助固定在蛇体表面的轮子使蛇体纵向和横向与地面产生摩擦力，从而推动蛇形机器人蜿蜒爬行，进行狭窄路径的探索。
   蛇体的 防水结构保证其可在泥泞环境下进行作业，保障电气连接的可靠性和可控性。水陆两栖勘测云机器蛇可在上位机的控制下利用 主动光源双目摄像头进行图像的拍摄，并且回传至上位机在 LabVIEW 人机交互软件界面上显示，帮助操作人员在狭窄崎岖的地形环境下进行具体路径的确定。
   1.5.2 管道内部的勘测
   由于管道内壁附有液体、不确定的阻碍多，水陆两栖的行进功能可适应该种潮湿多阻碍的环境，而 主动光源双目摄像头可以在 阴暗的管道中进行照明并拍摄图像，从而回传至上位机，操作人员可利用上位机进行管道内部的勘测，执行相应作业。
   蛇体搭载了 加速度磁强计、陀螺仪等多种传感器，可实时采集到蛇体加速度，俯仰角，偏角等参数，大量采集到的传感器参数通过嵌入式系统 NI myRIO 回传上位机 PC 进行处理，通过开发 LabVIEW 人机交互界面控件，操作人员可及时了解蛇体运动状况和周围环境情况，从而下达下一步指令。
   本项目利用人机交互软件 LabVIEW 编写上位机人机交互界面，通过 多个仪表盘协同合作，能够及时显示各种传感器的回传参数信息，方便操作人员及时发现并查看异常管道。主动光源双目摄像头可实现在阴暗环境下对光线亮度的调整，并结合双目摄像头拍摄管道图像，操作人员可根据采集的图像进行客观分析，从而得到泄露点和破损处的位置信息，观察管道杂物的形态。
   1.5.3 浅水监测
   蛇体利用 3D 打印技术搭建，同时配以 钢圈软管，从而使得水陆两栖勘测云机器蛇可进行浅水作业。浅水亮度较暗，可利用主动光源进行亮度的调节，双目摄像头可进行水下环境的拍摄，蛇体搭载的多种传感器可将其相关参数回传至 LabVIEW 人机交互软件，利用云端互联，将相应数据上传至云，实现资源的共享和数据的海量存储。云被誉为“第三次 IT浪潮”将水陆两栖勘测蛇形机器人与云结合，通过Azure云来开发实现蛇形机器人与云端的数据交换处理功能。在实际操作设计时，通过搭建编译环境，将主控设备与云端服务器互服务器互联实现数据传输功能，完成蛇体回传数据的服务管理，并为用户提供访问接口。云端记录浅水环境参数，从而生成日志，方便操作人员查看。
   1.5.4 水陆侦查
   在现代战争和国防保护中，水陆环境的侦查占据重要地位。隐蔽的侦查和水陆环境照片的获取可帮助工作人员构建 三维模型，分析相关形势，进而制定合理的作战规划。
   水陆两栖勘测云机器蛇能够通过前端 主动光源双目摄像头拍摄图像，利用其体积小的特点提高隐蔽性。 仿生蛇形的前行方式降低了噪声，克服了被水草缠绕的困难，提高了可靠性；两栖的运动结构和防水设计使得一套设备可应用于多种使用场景， 降低了勘测侦查的成本。
   与此同时，常见的单目摄像头采集的图像信息较少，难以获得深度信息进行三维建模。蛇体搭载的主动光源双目摄像头可将拍摄的画面回传至上位机人机交互界面，上位机通过 图像建模算法，应用模型分割、实例化、纹理映射技术进行模型处理后，操作人员可得到蛇体所处环境的三维建模图，便于其把握整体环境进行相关作业。同时，回传的双目视觉画面可配合 VR 眼镜以虚拟现实视角进行作业。借助虚拟现实侦查,操作人员在一定程度上能改善任务执行的质量，提高工作效率。
   

2.1 系统设计理念
本项目以蛇体结构采用 从动轮式结构与蛇形仿生结构相结合的形式，以嵌入式系统 NI myRIO 控制为核心，云计算和互联网为扩展平台，进行传感器数据的处理和分布式计算。

水陆两栖勘测云机器蛇的主控制板以嵌入式系统 NI myRIO 为核心，以专为要求 高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的拥有 ARM Cortex-M3 内核的微控制器 STM32 为从机，使用 图形化编辑语言——G 语言编写框图形式程序的 LabVIEW 平台为交互软件，通过无线遥控手柄或 PC 上位机发送指令进行水陆两栖勘测云机器蛇运动状态的切换。此外，蛇体搭载多种 传感器采集环境参数，利用基于 GlobalTech Gms-u1LPGPS 模块的 PmodGPS 定位模块来获取蛇体相应的位置信息，并且将其返回至 LabVIEW，在控件面板端进行显示，用户连接登录云端，即可实现数据的云储存分析计算，此项设计便于工作者观测与分析环境性质。

本项目的外形设计理念主要体现在：

采用3D 打印技术完成蛇体的主要结构，降低了成本；采用从动轮式结构和蛇形仿生结构相结合的创意，实现机器蛇既能在陆地上 S 型行进也能在水中上浮下潜；设计出一种 螺纹双凹槽与螺旋拧合相结合的关节拼接方式，降低了蛇体在液体环境下渗液的风险。在功能设计理念方面：首先，蛇体搭载 主动光源的双目摄像头，可实现无昼夜限制的视频图像采集；另外，在数据回传方面，采用云计算技术，搭建数据库，实现数据的云端存储、调用和处理。再者，在供电设计方面，采用较大容量的 动力锂电池提供充足动力，并且利用蛇体搭载 IDT WP3W-RK 无线充电模块 装置，可使充电更加便利，解决有线充电带来的漏水以及充电不便的弊端。

本项目团队采用多种传感器、GPS 定位装置、IDT WP3W-RK 无线充电模块装置以及双目摄像头等元件集成模块，设计了一套集水陆两栖运动，环境参数采集回传、深度图像二次开发、VR 虚拟现实体验、云平台互联共享资源、IDTWP3W-RK 无线充电模块等功能于一体的水陆两栖勘测云机器蛇，可为一线勘测工作人员的工作提供便利。

2.2 系统整体架构

图 2.1 系统整体架构

本项目选用嵌入式系统对蛇体进行控制，融合云计算和 VR 三维建模的多层次系统架构实现对后期数据处理。在系统控制方面，以嵌入式系统 NI myRIO 为核心板，操作人员可使用无线遥控手柄，对安装有无线接收模块的 NI myRIO 主控板进行远距离遥控，或者直接依靠上位机交互软件 LabVIEW，以无线局域网或串行实时连接的方式，将经交互软件编译解析后的控制指令固化至嵌入式系统 NI myRIO 主机，产生时序响应，并由专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARMCortex-M3 内核的微控制器 STM32 进行 PWM 脉宽调制，控制蛇体运动模式的规律切换，同时，其内部搭载的传感器也可在交互软件上进行实时显示。在算法方面，本团队利用 Kalman 滤波算法融合处理传感器数据，通过此，操作人员可得到基准校正后的蛇体姿态和运动状态，其次，主控制板可根据回传数据进行基于比例、积分、微分控制算法的 PID 闭环控制算法（如图 2.2），这使操作人员可据此调节蛇体基准运动偏移和姿态漂移，增强蛇体运动的鲁棒性和反馈机制。

图 2.2 PID 控制前面板

在视频图像采集方面，本项目采用蛇头主动光源双目摄像头实时拍摄环境图像，利用 图像识别和跟踪技术，完成摄像头对环境中某些特定需求目标的选择性识别和跟踪拍摄，多角度获取其形态特点、运动状况等信息。此外，主机对所拍摄环境图像进行处理后，将其共享至云端或由蛇尾天线回传至 PC 上位机。经由压缩解压、滤波去噪、图像数字化等图像处理技术后，上位机对其通过交互软件LabVIEW 可实现低延迟分屏区分显示，同时，操作者可通过佩戴 VR 眼镜获得沉浸式勘测，提高作业人员的工作效率和工作质量。除此之外，本项目采用 螺纹双凹槽和外端螺旋接口结构的 防水设计，安装IDT WP3W-RK 无线充电模块接收器模块，可拓展作品的运动范围，满足蛇体充电便利的需求，从而为操作人员提供更优选择。

图 2.7 NI myRIO 主控制板

图 2.8 STM32 从控制板

图2.9IDT WP3W-RK 无线充电模块模块

实验室测试
本项目先采用三维软件 Pro/E 进行仿真模拟测试，再采用“悬空测试”的方式（如图 4.1 所示），将蛇体用弹簧悬高。团队成员利用 PC 上位机发送控制指令，观察蛇体的三维空间运动形态，并且不断调整舵机控制软件中动作组的各占空比，进行实时观察，校正蛇体运动后的存储动作组，生成动作序列并下载至主控制板。此测试结果证明了仿生运动方式的可行性（如图 4.2 所示）。

图 4.1 实验室“悬空测试”

图 4.2 三维软件仿生运动测试

4.2 陆地测试
本团队将陆地运动测试分为 局部陆地测试和 整机陆地测试。局部测试是选取作品中两节关节，将其拼接后由微控制器 STM32 输出两路独立脉宽调制波进行控制，观察两关节摆动幅度是否符合运动行波规律要求（如图 4.3 所示）。局部测试结果较成功，两舵机可正常扭动，摆幅符合要求，符合测试扭动规律的要求。

图 4.3 局部陆地测试

整机陆地测试是通过调通上位机人机交互软件 LabVIEW 和无线遥控手柄与嵌入式系统 NI myRIO 的无线方式通信，借助 PC 上位机与无线遥控手柄，将控制指令发送至蛇体，微控制器 STM32 产生 16 路独立的 PWM 波，从而实现蛇体的整机行波摆动测试。本项目团队按照预设的校正摆动规律，观测蛇体从动轮式前进结果。

测试结果：
（1）可实现按预设值控制舵机摆动规律，摆角可控范围测试为 60°—120°，实际摆动速度设置符合预设值，约 0.5sec/60°；
（2）蛇体可在草地、泥土道路、硬化路面中缓慢前行（如图 4.4、图 4.5、图 4.6所示），符合预期陆地行进效果。

图 4.4 草地行进测试

图 4.5 泥土道路行进测试

图 4.6 硬化路面测试

由于内容较多具体的测试请查看附件

水陆两栖勘测云机器蛇说明书.pdf

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