空水兩棲子母系統(tǒng)設(shè)計與研究

馬躍，李潔，唐雪，蔣海洋，王葉文

(西南科技大學(xué)四川省特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)重點實驗室，四川綿陽，621000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)之后海洋問題日益顯得突出，領(lǐng)土爭端、資源勘探、海洋污染、溫室效應(yīng)等問題已經(jīng)成為困擾人們的熱點問題，迫切需要具有在復(fù)雜環(huán)境搜尋功能的機(jī)器人系統(tǒng)。相比于單種機(jī)器人平臺，兩棲機(jī)器人具有靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)、多功能運動模式等技術(shù)優(yōu)勢，在目前機(jī)器人作業(yè)環(huán)境日益多元化和復(fù)雜化的情況下具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)外兩棲機(jī)器人的研究多采用變換推進(jìn)方式實現(xiàn)水空工作模式切換，但大多機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于工作環(huán)境要求較高。一款由哈爾濱工業(yè)大學(xué)[1]設(shè)計的動璞明輪式兩棲機(jī)器人，采用在橡膠輪胎內(nèi)側(cè)加上璞板的方式讓機(jī)器人在水中也具有前進(jìn)能力。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，具有很強(qiáng)的實用性，但因其兩個運動方式同時進(jìn)行，動力浪費嚴(yán)重，續(xù)航能力不足。哈佛大學(xué)在2015年設(shè)計研發(fā)了一款水空兩棲仿昆蟲機(jī)器人Robobee[2]，采用撲翼方式提供在水空流體中航行的動力，在水中和空中都具有較好的俯仰控制[3]，并具有較好的自主航行能力。但該機(jī)器人系統(tǒng)的供電系統(tǒng)具有較大的問題，不能長時間的處于工作狀態(tài)。

基于以上研究和問題，我們探索出一套空水結(jié)構(gòu)與子母協(xié)作的機(jī)器人系統(tǒng)，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、靈活性高、工作時間長等優(yōu)勢特點，可解決當(dāng)前單種機(jī)器人在水、陸、空三域搜尋定位的靈活性差、適應(yīng)性弱和多功能運動模式受限等問題，為國家公共安全的監(jiān)測、預(yù)警與應(yīng)急處理提供應(yīng)用理論和技術(shù)儲備[4]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

空水兩棲子母系統(tǒng)的設(shè)計分為子體系統(tǒng)和母體系統(tǒng)兩部分。母機(jī)器人采用水上浮球輪式機(jī)器人，主要實現(xiàn)水上和陸地運動，可提供大容量電源，為子機(jī)器人的續(xù)航時間提供了保障。由車艙、浮輪、主控裝置、推進(jìn)裝置、釋放裝置、氣漲裝置、傳感器裝置、定位及通信裝置等部分構(gòu)成。

子體系統(tǒng)為水空可變結(jié)構(gòu)飛行器，主體為呈圓盤形的多自由度兩棲飛行器，用于滿足低空及淺域的探測，采用空中固定旋翼式螺旋槳加水中涵道式螺旋槳形式推進(jìn)。系統(tǒng)硬件包括控制器、空中與水下動力系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、姿態(tài)測量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等模塊。

子系統(tǒng)與母系統(tǒng)配合，組成一個工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、活動范圍大、便于使用等諸多優(yōu)勢的空水兩棲子母搜尋定位系統(tǒng)。

2 運動控制器設(shè)計及仿真

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

空水兩棲機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括機(jī)身、涵道推進(jìn)器及旋翼裝置三部分。其機(jī)身由機(jī)身底座和機(jī)身頂蓋通過螺釘緊固連接，并構(gòu)成一完整的碟形機(jī)身[5]；其涵道推進(jìn)器設(shè)置于機(jī)身外圍，對稱安裝于機(jī)身左右兩端面，并通過舵機(jī)臂與機(jī)身內(nèi)部的防水舵機(jī)相連；機(jī)身表面開設(shè)六大通孔作為旋翼裝置的旋翼域，且分別穿過通孔中心設(shè)置徑向機(jī)軸，徑向機(jī)軸中部開設(shè)電機(jī)槽，電機(jī)槽內(nèi)部安裝防水無刷電機(jī)，螺旋槳即安裝于防水無刷電機(jī)上方[6]。其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 空水兩棲機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 運動學(xué)及動力學(xué)模型

空水兩棲機(jī)器人在空中和水下的運動過程中，會受到很多因素的影響，為了便于建立空水兩棲機(jī)器人的運動數(shù)理模型[7]，做出如下假設(shè):

（1）空水兩棲機(jī)器人為剛體，不易形變；

（2）空水兩棲機(jī)器人的重心與機(jī)體坐標(biāo)系原點相重合；

（3）空水兩棲機(jī)器人呈完全均勻?qū)ΨQ。

由歐拉角定義，機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系原點重合，地面坐標(biāo)系可經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn)得到機(jī)體坐標(biāo)系[8]，設(shè)飛行器相對地面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的歐拉角為橫滾角φ、俯仰角θ和偏航角ψ。

首先，繞Z軸旋轉(zhuǎn)ψ，X轉(zhuǎn)到X'，Y轉(zhuǎn)到Y(jié)'，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為RZ,ψ。其次，繞Y'軸旋轉(zhuǎn)θ，X'轉(zhuǎn)到X''，Z轉(zhuǎn)到Z'，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為RY,θ。最后，繞X''軸旋轉(zhuǎn)φ，Y'轉(zhuǎn)到Y(jié)''，Z'轉(zhuǎn)到Z''，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為RX,φ。

則當(dāng)機(jī)體坐標(biāo)系下各位置量已知時，則可根據(jù)上述規(guī)則，將其轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下：

將上式等式兩邊的位置量對時間求導(dǎo)，可得線速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。同時，根據(jù)歐拉角定義橫滾角φ、俯仰角θ和偏航角ψ，進(jìn)行微分幾何推導(dǎo)可得到角速度的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中u、v、w分別表示機(jī)體沿X、Y、Z軸平動時的線速度，p、q、r分別表示機(jī)體圍繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動時的角速度。將式（3）和式（4）聯(lián)立可得到空水兩棲機(jī)器人的運動學(xué)方程，如式（5）所示 ：

空水兩棲機(jī)器人的運動可以簡化為平動和轉(zhuǎn)動，平動方程滿足牛頓第二運動定律，轉(zhuǎn)動方程滿足歐拉定理。六自由度機(jī)器人動力學(xué)方程可如下式所表達(dá)：

2.3 控制器設(shè)計

本系統(tǒng)的控制器設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)對空水兩棲機(jī)器人的位置和姿態(tài)進(jìn)行控制，而運行環(huán)境的不確定性以及存在的外界干擾等都會增加控制的復(fù)雜度。所以控設(shè)計采用了經(jīng)典的PID控制模型[9]，在被控對象的模型有較多不確定性因素和外界干擾環(huán)境干擾的情況下，同樣適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好?？刂破魇褂么塒ID控制的方法，將空水兩棲機(jī)器人的控制算法分成兩個回路，構(gòu)成外環(huán)位置控制回路和內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制回路，空水兩棲機(jī)器人控制模型框圖如圖2所示。

圖2 控制器設(shè)計框圖

控制器的被控對象為機(jī)體位置坐標(biāo)，初始輸入為預(yù)設(shè)位置坐標(biāo)，輸出目前位置坐標(biāo)，兩坐標(biāo)的偏差值作為反饋信號，使得對機(jī)體方向和姿態(tài)進(jìn)行控制完成當(dāng)前位置的修正。

2.4 控制器仿真

為了驗證理論上控制器的相應(yīng)性能，在MATLAB里建立了相應(yīng)的仿真模型并對其進(jìn)行了相應(yīng)的仿真驗證[10]，系統(tǒng)位置及姿態(tài)仿真結(jié)果如圖3所示，可知控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差基本為零，同時系統(tǒng)反應(yīng)速度較快，控制器控制機(jī)體x、y、z方向上的位置與姿態(tài)，從初始狀態(tài)到達(dá)預(yù)設(shè)位置經(jīng)過10s～20s即可到達(dá)穩(wěn)定。

圖3 空水兩棲機(jī)器人xyz方向位置及姿態(tài)仿真曲線圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套水空結(jié)構(gòu)與子母協(xié)作的機(jī)器人系統(tǒng)，分別進(jìn)行了母體和子體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟硬件系統(tǒng)設(shè)計，并且進(jìn)行了空水兩棲機(jī)器人運動模型建立和控制器的設(shè)計與分析[11]，最后結(jié)合仿真結(jié)果對整個控制器的運動控制性能進(jìn)行了驗證。解決了當(dāng)前單種機(jī)器人在水、陸、空三域搜尋定位的靈活性差、適應(yīng)性弱和多功能運動模式受限等問題，為國家公共安全的監(jiān)測、預(yù)警與應(yīng)急處理提供應(yīng)用理論和技術(shù)儲備。