一種定航和線控一體的六自由度水下機(jī)器人

趙澤鵬　魏平　周宏偉　萬紫晶

摘 要：為滿足探測復(fù)雜水下環(huán)境情況的需要以及進(jìn)一步提高水下機(jī)器人自動(dòng)化的程度，研究了基于LabVIEW控制機(jī)器人航行的方法以及利用陀螺儀和數(shù)字增量PID算法使機(jī)器人連續(xù)按多個(gè)規(guī)定航向航行的方法，設(shè)計(jì)了一款中型遙控/自主水下機(jī)器人。對(duì)其外形和結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)，機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)和螺旋槳布置方式獨(dú)特，采用水滴形外殼和矢量推進(jìn)的方式，水中阻力小，實(shí)現(xiàn)高航速、六自由度靈活運(yùn)動(dòng)。通過實(shí)際驗(yàn)證，證明基于上述研究制得的機(jī)器人實(shí)體線控操作靈敏度很高，能在較小的偏差范圍內(nèi)按規(guī)定航向航行。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；定向航行；陀螺儀；PID

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）07-0059-02

1 引言

我國的水下機(jī)器人技術(shù)已有二十多年歷史，相對(duì)于一些發(fā)達(dá)國家，我國水下機(jī)器人起步較晚。水下機(jī)器人按特點(diǎn)可分為兩類：遙控水下機(jī)器人（ROV）和自主水下機(jī)器人（AUV）。ROV可操作性強(qiáng)，具備水下作業(yè)能力；AUV可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行自主探測，無需人為干預(yù)，但很難完成水下作業(yè)。筆者研制的這款機(jī)器人集合了AUV和ROV的特點(diǎn)，是一種中型的遙控/自主水下機(jī)器人（ARV），既能完成自主航行的任務(wù)，又具有很強(qiáng)的可操作性。機(jī)器前端裝有云臺(tái)，上有聲吶、攝像頭等探測設(shè)備，可用于水下環(huán)境監(jiān)測、勘查，需要時(shí)可加裝機(jī)械臂，進(jìn)行打撈作業(yè)，還可以用在軍事上，加裝超空泡射槍，用于水下獵雷滅雷和反蛙人。以上的這些應(yīng)用，都要求機(jī)器人具有高航速和多自由度，目前較為成熟的產(chǎn)品中，六自由度水下機(jī)器人多為框架式，阻力大，逆流能力差始終無法解決，如常州一粟水下機(jī)器人公司八螺旋槳的EDGE系列。筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人為水滴形，減小了興波阻力和渦流阻力，螺旋槳布置方式特別，提高了航速，以較少的螺旋槳數(shù)量實(shí)現(xiàn)六自由度功能并且便于穩(wěn)定水下航行時(shí)姿態(tài)。

2 結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用雙殼體結(jié)構(gòu)，大大提高了水密性，增加了理論下潛深度，內(nèi)部容積大，為機(jī)器上加裝傳感器和水下作業(yè)設(shè)備提供了便利。機(jī)器艙前端裝有云臺(tái)，上有聲吶和攝像頭，用于探測水下的情況。尾部裝有十字形的尾鰭，穩(wěn)定行進(jìn)的姿態(tài)。機(jī)器人采用五螺旋槳推進(jìn)，其中兩個(gè)螺旋槳與機(jī)器人軸線各成45度角布放在艏部，兩個(gè)矢量螺旋槳放在中部，可與機(jī)器人軸線水平或垂直，尾部螺旋槳水平放置。整體布局如圖1。

2.2 六自由度的運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人中部的兩個(gè)螺旋槳為矢量螺旋槳，有兩種狀態(tài)——螺旋槳軸線與機(jī)器人軸線平行、螺旋槳軸線與機(jī)器人軸線垂直。通過控制不同螺旋槳組合轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人可產(chǎn)生六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)——橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖。

（1）橫蕩：位于艏部的螺旋槳等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，尾部螺旋槳提供和艏部螺旋槳合力方向相同的力，如圖2（a）。（2）縱蕩：位于中部的螺旋槳處于平行狀態(tài)且等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2（b）。（3）垂蕩：位于中部的螺旋槳處于垂直狀態(tài)且等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2（c）。（4）橫搖：位于中部的螺旋槳處于垂直狀態(tài)且等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2（d）。（5）縱搖：位于艏部的螺旋槳等速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，尾部螺旋槳同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)提供和艏部螺旋槳合力方向相同的力，如圖2（e）。（6）艏搖：位于中部的螺旋槳處于平行狀態(tài)且等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2（f）。

3 各軸位移量和姿態(tài)角實(shí)時(shí)顯示功能的實(shí)現(xiàn)

筆者制作的機(jī)器人加裝了AH100B微型航姿參考系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過采集傳感器的數(shù)據(jù)，融合kalman濾波，采用三軸加速度計(jì)和三軸磁傳感器輔助三軸陀螺以及溫度補(bǔ)償?shù)乃惴夹g(shù)，測得實(shí)時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理計(jì)算得出三軸方向的位移量，通過串口將其傳輸至操作臺(tái)，數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)交互界面，對(duì)機(jī)器人的位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體處理方法如下：

假設(shè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系為OXYZ，機(jī)器人上的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系為oxyz。陀螺儀測得的x，y，z軸方向加速度ax，ay，az，y軸方向航向角α，x軸方向橫搖角β，z軸方向的縱搖角γ，采用微分思想，計(jì)算第i段時(shí)間間隔dt中的位移，各段時(shí)間位移進(jìn)行累加。

將動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)坐標(biāo)系——加速度依次進(jìn)行航向變換、縱搖變換和橫搖變換。

依次循環(huán)迭代即可得出基準(zhǔn)坐標(biāo)系各軸方向的位移。計(jì)算出的位移量和測出的橫搖、縱搖、艏搖角度值實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)交互界面。

4 不同操作模式實(shí)現(xiàn)

筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人設(shè)置兩種操作模式—有線操作模式和定向航行模式，為了實(shí)現(xiàn)兩種模式，筆者采用一種單片機(jī)作為下位機(jī)，主要功能為數(shù)據(jù)計(jì)算、與上位機(jī)通信、向舵機(jī)螺旋槳發(fā)送pwm控制信號(hào)等，采用LabVIEW作為上位機(jī)，主要功能為數(shù)據(jù)計(jì)算、與下位機(jī)通信、人機(jī)交互等。

筆者采用RS485串口通信方式來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，定義了三個(gè)幀頭，7D、7E和7F，其中7D用于下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，將機(jī)器人測得和計(jì)算的各軸位移和角度傳回；7E用于定向航行時(shí)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，給機(jī)器人設(shè)定定向航行的時(shí)間、航向；7F用于線控時(shí)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，將控制指令傳給機(jī)器人。定義的字符串及其控制的部位如下：

7D ① ② ③ ④ ⑤ ⑥

7E ⑦ ⑧

7F ⑨ ⑩

①：橫搖角；②：縱搖角；③：航向角；④：X軸位移；⑤：Y軸位移；⑥：Z軸位移；⑦：定向航行時(shí)間；⑧：定向航行航向；⑨：左艏部螺旋槳占空；⑩：右艏部螺旋槳占空比；：左中部螺旋槳占空比；：右中部螺旋槳占空比；：尾部螺旋槳占空比；：云臺(tái)舵機(jī)占空比；：左中部舵機(jī)占空比；：右中部舵機(jī)占空比。

4.1 有線操作模式

當(dāng)處于有線操作模式時(shí)，五個(gè)螺旋槳全部工作，可完成六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)不同的按鍵，上位機(jī)引用不同的字符向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)值，從而控制機(jī)器人和云臺(tái)的不同運(yùn)動(dòng)。

4.2 定向航行模式

該模式應(yīng)用了數(shù)字PID算法，由于機(jī)器人裝有十字尾鰭和底部擋板，航行時(shí)橫搖角很小，加之處于該模式時(shí)螺旋槳的分布不便于進(jìn)行橫搖運(yùn)動(dòng)，故PID算法只對(duì)航向角和縱搖角進(jìn)行調(diào)控，而不對(duì)橫搖角作用。

應(yīng)用數(shù)字PID增量算法控制自主航行的原理圖如圖3。

穩(wěn)定縱搖角也應(yīng)用上述原理，給定的縱搖角為定值0，達(dá)到自主航行時(shí)的穩(wěn)定姿態(tài)的目的。

4.3 模式的切換

上位機(jī)給操作手柄設(shè)置了線控和定向航行的一鍵切換的按鍵，方便兩種模式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)手柄按鈕Z>0，下位機(jī)用幀頭7F帶的字符串，此時(shí)機(jī)器處于線控模式；當(dāng)Z<0，下位機(jī)用幀頭7E帶的字符串，此時(shí)機(jī)器處于定向航行模式。

5 分析驗(yàn)證

筆者對(duì)機(jī)器人實(shí)體主要做了定向航行準(zhǔn)確度驗(yàn)證。

筆者規(guī)劃了兩個(gè)連續(xù)航向（45度轉(zhuǎn)成135度）來驗(yàn)證定向航行的準(zhǔn)確度，為測試系統(tǒng)抗干擾能力，在第二個(gè)航向人為改變其航向角，結(jié)果如圖4，機(jī)器人的實(shí)際航向角基本與規(guī)定航向角吻合，受到干擾后，調(diào)控較快。

6 結(jié)語

筆者制作的這款水下機(jī)器人優(yōu)化了外形，減小了行進(jìn)的阻力，提高航速。螺旋槳布置方式獨(dú)特，自由度高達(dá)六個(gè)，更加靈活。設(shè)定了兩種航行模式，方便針對(duì)不同水下環(huán)境進(jìn)行模式切換，能實(shí)時(shí)顯示水下的位置和姿態(tài)，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，自主航行準(zhǔn)確度較高，下一步改進(jìn)通過位移量設(shè)定來控制自主航行時(shí)的轉(zhuǎn)向，能夠使機(jī)器人按連續(xù)規(guī)定的航跡航行。

參考文獻(xiàn)

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