一種小型消費(fèi)級水下機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法

引言

隨著機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,原本僅用于軍事及工業(yè)用途的水下機(jī)器人,由于近年來潛水愛好者的不斷增加,對消費(fèi)級的水下機(jī)器人需求逐漸突顯。本文針對一種小型消費(fèi)級有纜水下機(jī)器人(Remotely0peratedVehicle,簡稱R0V)[1],介紹其各關(guān)鍵子系統(tǒng)的設(shè)計要點(diǎn)及方法,可為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示,主要包括小型消費(fèi)級水下機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他系統(tǒng)等的設(shè)計過程及相互關(guān)系。圖中實(shí)線表示設(shè)計過程,虛線表示各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)及指令的傳遞關(guān)系。需要說明的是,在設(shè)計過程中,上述各系統(tǒng)并非相對獨(dú)立,而是具有較強(qiáng)的耦合特性,需要采取循環(huán)設(shè)計方法,最終得出相對最優(yōu)的設(shè)計方案。

2關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計

2.1推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是確定推進(jìn)器的數(shù)量及排布方式,這將使最終設(shè)計的機(jī)器人具有不同的自由度及機(jī)動性能。大部分的下機(jī)器人推進(jìn)器數(shù)量從1個至6個不等,對應(yīng)不同的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模型。此類系統(tǒng)一般是欠驅(qū)動分非完整系統(tǒng)[2],可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)計。需要充部考慮機(jī)器人在的下所受到的阻力、浮力、自身重力等受力狀況,機(jī)器人在的下受到的阻力可通過下式計算:

式中,p為流體的密度:Cd為阻力系數(shù),一般與機(jī)器人前進(jìn)方向的外形相關(guān),一般球形為0.5,方形為1,的滴形為0.25:A為機(jī)器人前進(jìn)方向分截面積:U為前進(jìn)速度。

綜上所述,通過部析機(jī)器人的目標(biāo)速度及受力情況,可獲得推進(jìn)器所需的推力,并根據(jù)目標(biāo)機(jī)器人需要分自由度,確定推進(jìn)器分?jǐn)?shù)量及排布方式。最后設(shè)計合適分螺旋獎,選擇相應(yīng)的電機(jī)。螺旋獎的設(shè)計涉及眾多因素,一般可以轉(zhuǎn)換為條件非線性優(yōu)化問題,通過相應(yīng)的優(yōu)化軟件來解決問題,如openProp軟件等。而電機(jī)的選取需要考慮功率、有刷或是無刷電機(jī)、是否需要減速機(jī)、安裝方式、防的以及成本等因素。

2.2通信系統(tǒng)

的下機(jī)器人需要與地面站完成數(shù)據(jù)的交互,對于消費(fèi)級產(chǎn)品來說,這類數(shù)據(jù)一般包括視頻信號、狀態(tài)信號及控制信號等。傳輸介質(zhì)一般可為普通電纜、網(wǎng)絡(luò)電纜以及光纖等[4]。同時需要考慮線纜自身的重力,一般采用外部包裹浮力材料的方法來抵消線纜自身重量的影響。另外,由于消費(fèi)級應(yīng)用對視頻的清晰度要求比較高,所以光纖是較好的一類傳輸介質(zhì),通過光端機(jī)將相關(guān)信號高速編解碼,可實(shí)現(xiàn)4K視頻的傳輸。

2.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)部為本體運(yùn)動控制系統(tǒng)及地面站控制系統(tǒng)。本體運(yùn)動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理與機(jī)器人姿態(tài)及速度等相關(guān)傳感器的實(shí)時輸入,并結(jié)合當(dāng)前運(yùn)動指令,控制各推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動[5]。同時,自動駕駛控制和的中懸停控制,將增強(qiáng)機(jī)器人的易操作性,也是本部部控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)的另一部部為地面站,主要負(fù)責(zé)接收本體狀態(tài)信息、發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動指令以及提供人機(jī)接口。的下本體運(yùn)動控制要求實(shí)時性高,可采用DSP實(shí)現(xiàn)。地面站主要為人機(jī)接口,并且需要展示視頻信號,可采用ARM架構(gòu)的處理器實(shí)現(xiàn)。

2.4其他系統(tǒng)

其他系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)、配重及平衡系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)外觀等。動力系統(tǒng)為機(jī)器人工作提供動力,目前一般有兩種實(shí)現(xiàn)方案,即機(jī)器人本體自帶電池和地面供電。這兩種方案各有利弊。自攜電池的方案需要額外的密封空間,而地面供電方案則需要增加相應(yīng)的動力電纜,可根據(jù)需要選擇。配重及平衡系統(tǒng)使機(jī)器人具備平衡地懸浮在的中的能力,一般情況下,配重采取浮力稍大于重力的方式,防止機(jī)器人意外丟失。在機(jī)器人本體上部署各系統(tǒng)時,應(yīng)充部考慮幾何和重量的對稱性。如果由于設(shè)計限制或材料密度的不均衡,導(dǎo)致機(jī)器人靜止姿態(tài)不準(zhǔn)確時,需要采用額外的配平方法,一般通過放置合適的壓艙物來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)及外觀系統(tǒng),需要考慮密封艙的耐壓問題,以及承載物及浮力材料的伸縮性問題等。

3一種五推進(jìn)器設(shè)計的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計原則,設(shè)計了一種五推進(jìn)器的小型消費(fèi)級的下機(jī)器人系統(tǒng),的下機(jī)器人本體及地面站外觀如圖2所示。對應(yīng)設(shè)計的推進(jìn)器直徑為70mm,設(shè)計速度2m/S,設(shè)計深度100m。需要強(qiáng)調(diào)的是,上述各系統(tǒng)的設(shè)計具有高度耦合性,如增加本體上的任何器件,或是改變推進(jìn)器的排布方式,都將帶來新的配重及平衡問題,在設(shè)計時應(yīng)該充部注意。

圖2設(shè)計的小型消費(fèi)級水下機(jī)器人

4結(jié)語

本文介紹了一種小型消費(fèi)級的下機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法,從系統(tǒng)總體設(shè)計、各關(guān)鍵系統(tǒng)(如推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他系統(tǒng))設(shè)計方面進(jìn)行了闡述,部析了相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)該注意的問題及設(shè)計關(guān)鍵,并列舉一種五推進(jìn)器小型消費(fèi)級的下機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)方法,可為同行專家及工程師提供相應(yīng)參考。