[硕士论文精品]两栖多足机器人通讯定位及相关技术研究

哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要本论文来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研究一。以建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、并具有两栖环境下活动能力的小型移动机器人平台为目标，对两栖仿多足机器人的机械结构、基于DSP的控制系统、水陆两栖环境下通讯及定位系统、定位算法和相关硬件设计方面做了以下研究首先，作者对国内外多足步行仿生机器人的研究情况进行了分析，尤其是多足机器人的机械结构进行研究，根据两栖多足机器人工作环境的需要，从仿生设计思想出发，对机器人进行合理的自由度布置。设计出具有姿态可变、适应水下环境能力强、电机布置结构紧凑的两栖多足机器人机械样机。、针对此机器人的两栖工作环境，提出了两栖多足机器人的总体通讯技术方案，并分别对陆地及水下两种环境的通讯技术进行研究，分析了常见的陆地及水下通讯技术的优缺点，得出适用于两栖多足机器人的无线及水声通讯技术，并提出了相应算法。从机器人的特点出发，结合分层递阶控制思想，进行了基于TMS320F2812的通讯系统模块硬件设计，CAN总线接口模块的软硬件设计，GPS信号接收系统的软硬件设计等，对系统中的其它模块也作了相应的研究。研究了多足机器人的定位技术，提出了基于GPS的绝对定位技术和基于码盘的陆地相对定位技术相结合的总体定位方案。并对水下水声通讯技术进行研究，分别提出了针对GPS信号处理和水声定位的相应算法。设计出基本的软硬件结构。关键词两栖多足机器人水声通讯；绝对定位；相对定位；超声波测距哈尔滨工程大学硕学位论文ABSTRACTTHERESEARCHISSUPPORTEDBYPROJECTOFBIOLOGICALLYINSPIREDCRABLIKEDAMPHIBIOUSROBOTSTUDYWHICHISFUNDEDBYNSFCNATIONALNATURALSCIENCEFOUNDATIONOFCHINAINORDERTOESTABLISHASMALLSIZEDMOBILEROBOTWHICHISHIGHLYADAPTTOCOMPLEXTERRAIN，HIGHLYRELIABLEANDCAPABLEOFMODNGINAMPHIBIOUSENVIRONMENT,THERESEARCHESONMECHANICALSTRUCTURE，CONTROLSYSTEMBASEDONDSP,AMPHIBIOUSCOMMUNICATIONANDPOSITIONSYSTEM，POSITIONALGORITHMANDRELATEDHARDWARE。DESIGNAREPRESENTEDINTHEDISSERTATIONTHESESTUDIESARCPRESENTEDASFOLLOWSFIRSTLY,THISPAPERANALYSESTHERESEARCHOFMULTILEGGEDBIONICROBOTSATHOMEANDABOARD，WHICHPRIMARILYFOCUSESONTHEMECHANICALDESIGNACCORDINGTOTHEWORKENVIRONMENT，THEDOFSOFTHEROBOTALEDESIGNEDAPPROPRIATELYBASEDONTHETHEORYOFBIONICDESIGNTHEMECHANICALSTRUCTUREISMADEOUTWHICHENSURCSTHETRANSFORMABLEGESTURE，STRONGUNDERWATERADAPTABILITYANDCOMPACTMOTORARRANGEMENTOFTHEROBOTCONSIDERINGITSAMPHIBIOUSWORKINGENVIRONMENT，THEGENERALCOMMUNICATIONSCHEMEOFTHEAMPHIBIOUSMULTILEGGEDROBOTISPROVIDED，INWHICHTERRESTRIALANDSUBMARINEC呷MUNICATIONTECHNOLOGIESAREDISCUSSEDAFTERANALYZINGTHEMERITSANDDRAWBACKSOFALLKINDSOFTERRESTRIALANDSUBMARINECOMMUNICATIONTECHNOLOGIES，ALLAPPROPRIATECOMMUNICATIONSYSTEMISPROVIDEDFORTHEROBOTASWELLASCORRESPONDINGALGORITHMSCOMBININGTHEFEATURESOFTHEROBOTANDMULTILEVELHIERARCHICALCONTROLTHEORY,THECONTROLSYSTEMINCLUDINGCOMMUNICATIONMODULEBASEDONTMS320F28L2，HARDWAREANDSORWARE。DESIGNOFCANBUSANDOTHERMODULESISDESIGNEDINADDITION，THEPOSITIONSYSTEMINTEGRATINGABSOLUTEPOSITIONBASEDONGPSANDRELATIVEPOSITIONBASEDONCODEDISKSISSUGGESTEDFURTHERMORE，UNDERWATERACOUSTICCOMMUNICATIONTECHNOLOGYISSTUDIED，SUGGESTINGRELATED哈尔滨工程大学硕士学位论文ALGORITHMFORGPSSIGNALPROCESSANDACOUSTICLOCATIONALSOTHEHARDWAREANDSOFTWAREARESTUDIEDKEYWORDSAMPHIBIOUSMULTILEGGEDROBOT；ACOUSTICCOMMUNICATION；ABSOLUTEPOSITION；RELATIVEPOSITION；ULTRASONICDISTANCEMEASUREMENT哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字型堕圣日期哪年3月6日哈尔滨T程大学硕士学位论文第1章绪论11课题研究的背景及意义仿生学BIONICS是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用N1。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航空航天、星际探索、军事侦察与攻击、水下地下管道探测与维修、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里工作。人们要求机器人不仅要适应原来结构化的、已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境。除了传统的设计方法，人们也把目光对准了生物界，力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中，这就是仿生学在机器人科学中的应用睇1。相对于其它运动形式的机器人而言，多足机器人的足式运动具有优优越的灵活性，能适应各种复杂地形，其具备良好的应用价值，不但可以应用于矿山采矿、消防及营救、建筑施工等行业，还可用于核能工业、星球表面探测、水下环境考察、水雷排除等特殊作业任务。本课题来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机械人基础技术研究“。两栖多足多足机器人模仿的生物原形是海蟹，因为海蟹具有良好的海浪、海流适应性，特别是浅滩冲浪能力和隐蔽性都比较突出。适合在不平底质、岩石、浅滩、大浪、强海流区域生活、工作，并具有良好的运动性能。我们通过对仿螃蟹的多足步行机器人的研究，建立一个具有多冗余自由度的八足步行机器人，它可以在两栖环境下自由行走，并可以携带一些导航设备、传感器、工具、机械手等，完成一些特定任务，具有广阔的应用前景。哈尔滨工程大学硕士学位论文开展两栖多足多足机器人研究意义重大1通过对具有两栖活动能力的螃蟹仿生学原理研究，获得适应复杂地形地貌的高效率多足步行机器人的建模方法；2通过对螃蟹的机械结构仿生，为研究高效的两栖多足机器人运动机理，解决两栖多足机器人在浅海环境中运动的高效性、耐波性等问题，为建立高效的具有两栖环境运动能力的微小型爬行机器人平台奠定基础；3通过对生物体对环境适应能力的研究和分析，建立基于环境适应行为的智能运动控制策略。对于跟踪国际先进技术，为水下科学考察、海底探矿等领域的新型机器人的开发打下理论基础9删。12国外多足机器人发展概况121国外多足步行机器人研究现状美国的国防高级研究项目代理部CDEFENSEADVNC,EDRESEARCHPROJECISAGENCY,DARPA资助了很多以军用目标为背景的多足仿生机器人研究项目。在DARPA资助下，美国海军与马萨产品公司和波士顿的东北大学联合进行的一项研究，针对有海流和涌浪的浅水区域的清除水雷作业而设计的两类仿生机器人，一种是仿八目鳗的浮游机器人，另一种是仿龙虾的多足步行机器人。两种机器人可以相互配图1,1机器鳗与机器龙虾协合，完成排雷作业，如图11所示刚。其中机器作捧雷示意图鲠进行水域里的探雷作业，而机器龙虾则在海底进行水雷搜索和引爆的作业。机器龙虾如图12所示，是一种八足水下步行机器人。它包括4X8英寸的壳体，壳体由8条3自由度腿驱动，能够浮游与爬行，头部装有2个钳子，起到波动控制舵的作用，尾部图12LOBSTEF机器龙虾哈尔滨工程大学硕士学位论文伸出8英寸长的水流动力控制平面来保持稳定。机器龙虾靠8条腿行走，每条腿以3个关节为基础进行基本的动作，关节的动作采用肌肉型驱动器用形状记忆合金镍钛诺做成的力可恢复型人造肌肉，采用基于神经元环路的控制器来控制。该控制罂采用了一套决定机器龙虾行为的行为库，行为库是基于国绕决定机器龙虾行动的一组状态变量而组织的命令。同时它也能承载用于销毁水雷的传感罂和少量炸药。为了对付岸边的水雷，美国罗克威尔公司及玲机器人公司在DARPA资助下研制了一种名叫“水下自主行走装置”AUTONOMOUSLEGGEDUNDERWATERVEHICLEALUV的机器人”，如图13所示，它是仿造蟹的外形制造的，它抗撞击，电子部件全部包在防水的体腔中，每条足有两个自由度，决定了它具有两栖运动性能。这种机器蟹可以隐藏在海浪下面，在水中行走，图13ALUV机器蟹“ARIEL”迅速通过岸边的浪区。当风浪太大时，它可以将脚埋入泥沙中，通过振动，甚至可将整个身子都隐藏在泥沙中。ALUV长约56CM，重104KG，包括一个317KG重的压载物。为了携带传感器，它的脚比较大，便于发现目标。当它遇到水雷时，就把它抓住，然后等待近海登陆艇上的控制中心的命令。一旦收到信号，这个小东西就会自己爆炸，同时引爆水雷。技术人员还打算使机器蟹之间可以进行通信联络，从而提高扫雷的效率。DARPA所资助的类似项目还有ROBOT系列仿生机器人，它是美国CASEWESTCA“NRESERVEUNIVETSITYCWR学在美国军方的国防高级研究项目代理部DARPA、国家宇航局NASA海军研究中心共同资助开发的一种高机动性仿蟑螂六足步行机器人，该机器人由微型气缸驱动的24个关节使整个机器人具有行走和跳越的能力，并能基于力图14美国仿嶂螂机器哈尔滨工程大学硕士学位论文除了前面提到的以军事应用为目标的多足仿生机器人以外，还有众多的研究机构从事多足仿生步行机器人的研究。也有一些有代表性的倒子。比如前面提到的TRI州型四足步行机器人【州141嘲如图16所示能够以稳定的方式在不平的地面行走，可以以非接触方式绕过地面上的障碍，能够向任何方向运动。新西兰的坎特伯雷大学UNIVENITYOFCANTEDY在2000年底研制成功了一种微型伺服电机驱动的六足步行机器人，它以竹节虫为生物模拟对象设计了这种具有全方位步态的步行机器人如图17所示”。该机器人共有六条三关节的步行足，单个关节由一台功率为10W的MAXON电机驱动通过齿轮箱减速输出45NM的扭矩。每条步图17六足机器人HAMLET行足端部装有一个框架应变结构的三雏力传感器，并使用碳纤维包覆的保护鞘对接触地面的足端进行保护。该机器人采用二级分布式控制框架，硬件部分采用了集成了2个1MS320C“芯片的集成控制板卡对关节驱动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。该机器人尺寸为60MM500MM400MM，重127K8，能以0盘N，S的平均速度在复杂地形中自主行走运动，图18SPID矗MT八足步行机器人并具有越障能力。美国国家航空和宇宙航行2006年开发了一种命名为SPIDE衄UT的八足蜘蛛机器人，如图18所示。它可以利用自身的八个爪子轻易分解600磅重的物体，从而避免太空垃圾损害太空船的外壳。它也能在空间站外表自由行走，也可趴在航天器表面，完成检查、修理等任务”1。哈尔滨工程大学硕学位论文122国内多足仿生机器人发展现状国内对多足步行机器人的研究在上个世纪八十年代末九十年代初起步。北京航空航天大学于上个世纪九十年代初研制过一台仿牲畜的四足步行机器人，它采用液压驱动，每足有二个自由度，总重约2000KG。中国科学院沈阳自动化研究所也开展了这个领域的研究工作，它与长春光机所于1989年3月共同研制了海蟹号六足步行机器人明。它采用的是极坐标的具有25个自由度的六足机构，潜深300M，重1500KG。清华大学在1990年研制出了一台全方位四足步行机器人，在此样机基础上做了直走，横走各种步态和转弯等各种实验研究例。上海交通大学的马培荪等人研制了一种形状记忆合金丝驱动的微小型六足机器人，它的行走机构重14189，平均行走速度为1MMS，采用45V电源，控制系统简单、小巧、轻便。上海交通大学还研制出了一种仿哺乳动物的关节式四足步行机器人“JN八踟III”，它能以对角线步态步态行走，它在足底加了PVDF测力传感器，在上位机中利用模糊神经网络系统对力反馈信息进行处理，调整步行参数，提高了步行的稳定性口11。燕山大学、北京航空航天大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所等对多足步行机器人的有关理论做过深入的研究。在国家自然科学基金项目的资助下，哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所进行了两栖仿生机械蟹基础技术的研究阎，已经制作了四型仿螃蟹八足步行机器人样机。构建了两栖多足机器人从方案设计到控制框架的所有基础工作；研究了多足机器人单足周期运动规律提出了适合两栖多足机器人单足运动路线规划方法；从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。13两栖环境下通讯及定位技术概述因两栖多足机器人工作环境的特殊性，对通讯技术要求比较高，大致可分为水下通讯和陆地无线通讯两部分。光与电磁波在海水中的传播衰减很大，无法用在中等以上距离的信息传递，而水声通信是以声波在水中传递信息的方式进行的通信，它的最高作用6哈尔滨二程大学硕士学位论文IIIIII|I鼍I宣IIIMILIINFII7IIIII宣II宣置I葺I暑一距离可达到10L洫。水声是当前水下通信唯一可选择的有效手段一因为声波的衰减相对小得多。但水声信道是一个十分复杂的多径传输的信道；再加上它的环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输的时延大等。这诸多不利因素加剧了抗多径干扰的困难，实现误码率低，数据率高的水声通信是很困难的。水下机器人要进行通信，也必然要以水声作为其通信手段，对水声通信和水声网进行深入了解是非常必要的。定位问题是移动机器人导航的最基本环节。自主移动机器人只有准确地知道其自身的位置、工作空间中障碍物的位置以及障碍物的运动情况，才能安全有效地进行运动。所以，自主移动机器人的自身定位问题就显得尤为重要，是其最重要的能力之一。两栖多足机器人定位是确定其在导航环境中所处位置的过程。具体来说，是机器人位置的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，产生更加准确的对机器人当前位置的估计。131两栖多足机器人的关键技术1建模问题仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗余度或超冗余度机器人。结构负载，运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。2控制优化问题机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂大系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于组分之和“，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。3信息融合问题在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。7哈尔滨工程大学硕七学位论文4机构设计问题合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。5通讯及导航定位问题在两栖多足机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心。导航是指机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。14本文的主要内容本论文主要完成以下几方面的内容1总结前几型机器人结构上存在的问题和缺陷，对两栖多足机器人进行合理的自由度布置，设计具有姿态可变、适应水下环境能力强，涡轮蜗杆能够实现关节自锁，电机布置结构紧凑，重量分配集中于身体中心的两栖多足机器人机械样机。2从控制系统的特点出发，结合分层递阶控制思想，进行基于TMS320F2812的通讯系统模块硬件设计，CAN总线接口模块的软硬件设计，GPS信号接收系统的软硬件设计等，对系统中的其它模块也进行相应的研究。3提出两栖多足机器人的总体通讯技术方案，并分别对陆地及水下两种环境的通讯技术进行研究，分析陆地及水下通讯技术的优缺点，得出适用于两栖多足机器人的无线及水声通讯方案。4研究多足机器人的定位技术，提出基于GPS的绝对定位技术和基于码盘的陆地相对定位技术相结合的总体定位方案。提出两栖多足机器人的GPS信号处理和水声定位的相应算法，设计基本的软硬件结构，并对GPS信号进行仿真分析。8哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章两栖多足机器人总体设计21引言两栖多足机器人作为步行机器人的一种，如何最大程度地模仿大自然中的生物蟹原型，并对两栖多足机器人优化设计是研究小组不断努力奋斗的目标。两栖多足机器人的研究已经经历了四型的实验尝试，在保留前四型机器人机构设计优点的同时，机器人小组对已有四型两栖多足机器人存在的问题，设计出了第五型机器人。第五型机器人机构设计的优点为模块化可调保护电机结构设计、复合步行足执行特定任务、增加减震抗震模块，减少步行足落地时的冲击、具有自翻转能力、提高机器人的耐波性；并优化了控制系统的硬件结构和机器人在未知环境下的定位及导航系统。22前四型两栖多足机器人概述哈尔滨工程大学水下作业技术及装备实验室针对仿螃蟹的多足机器人开始研究始于1999年，2003年在国家自然科学基金项目“两栖仿生机械蟹基础技术研究立项，结题之后又得到国家相关科研部门的资助。研究所经过多年对两栖多足机器人的研究，现已设计制作了五型两栖多足机器人。其中前四型机器人样机已制作成功，并通过了相关部门的验收。221第一型两栖多足机器人样机图21是第一型两栖多足机器人的虚拟样机和实验样机【刀1，该样机具有8条步行足，每条步行足有三个关节，各个关节采用锥齿轮结构传动，选用瑞士MAXON公司的REMAX26和REMAX22系列直流伺服电机作为各转动关节的驱动元件，整个机器人结构非常紧凑，主控系统采用DSP芯片嵌入式分层控制。9。一坚I鎏；堡奎兰堡圭兰堡垒兰。图21第一型两栖多足机器人样机20012003年第一型两栖多足机器人是一种基于仿生设计理念的机器人，设计时遵循“行为仿生，突出功能”的原则。在机械设计方面尽量做到机械结构的紧凑。以达到在实现功能的基础上使样机小型化的目标。为了减轻整体的重量，两栖多足机器人机械本体尽可能采用轻质铝合金材料做框架，并在躯体上预设安装空间及安装孔，以便于控制电路、传感器、电源模块等设备的安装。考虑到外形封装的需要，并兼顾到仿生物蟹外形的特点，在整体上采用扁平结构，具体设计参数如下总体高度H20012LN；纵向长度L300MM；横向宽度B450蛐；步行足长度K315MM躯体离地高度HB40150MM。222第二型两栖多足机器人样机圈22是第二型两栖多足机器人样机设计情况，机器人步行足的各个关节采用比较经济的位置伺服舵机为关节驱动电机，根关节的传动方式采用绳轮结构，前后摆腿关节采用电机减速器输出轴直接驱动，最末关节的侧行摆腿电机采用曲柄摇杆机构，主控系统采用TI公司的2000系列DSP作为主控芯片，负责步态生成以及24路PWM信号发生。电源采用72V2000MAH镍氢电池组供电。该机器人没有配备传感器，可以在没有障碍物的平地行走，其行走方式完全靠红外线遥控，以双四足步态为基础，通过遥控调用不同的哈尔滨工程大学硕士学位论文步态程序，一共可以实现多达14种步态，该机样机是两栖多足机器人设计的一个初探，并为后续的两栖多足机器人步态研究奠定了基础洲。图22第二型两栖多足机器人样机200年32004223第三型两栖多足机器人样机第三型两栖多足机器人是在第二型两栖多足机器人的基础上设计的，其外形和功能以三疣梭子蟹为生物原型，共有八条步行足，每条步行足有三个驱动关节，根部选用了力矩更大的舵机，传动方式除了最末关节的侧行摆腿关节改用了绳轮传动方式外，其余关节传动方式同第二型两栖多足机器人，机器人共有二十四个驱动关节，由二十四台伺服电机驱动，形成二十四个自由度。图23是第三型两栖多足机器人样机的实物图片，其结构、尺寸比例均按照仿生学原理进行设计。第三型两栖多足机器人采用DSP进行控制，模拟海蟹的多种步态，能够实现灵活的前行、侧行、左右转弯、后退等十四个动作。步行足配有十六只力传感器，来感知外部环境。检测足尖落地和步行足是否碰到障碍物等信息，为步行足的路径规划提供信息。系统的硬件构架采用嵌入式结构，以ARM系统、DSP芯片作为机器人的核心控制器，完成复杂运动的规划和协调任务的运算。该系统采用红外线遥感、力觉传感器、视觉等传感罂，运用多传感器信息融合技术，实时辨别外界环境，使机器蟹具有较高的智能性。能够实现在沙滩、平地、草地等环境前进、后退、左右侧行及任意位置、任意角度、任意方向转弯等。机器蟹利用红外线遥感控制，LL具有一定的越障能力和爬坡能力嗍。图23第三型两栖多足机器人样机20042005年第三型两栖多足机器人步行足通过直流减速电机和皮带轮分剐作为动力装置和传动装置来对足部进行驱动。每条腿由的三个电机和两副带轮装置组成。224第四型两栖多足机器人样机该两栖多足机器人样机外形采用仿河蟹生物结构，具有8支步行足，在前几型机器人的基础上，机械结构进行了较大的改进，功能也较为完善。图244是HO，E建立的样机的具体三维结构图，步行足结构如图2AB所示。第四型两栖多足机器人各关节传动改用了有自锁能力的大斜齿轮类蜗轮蜗杆传动，机器人设计有专用的电机伺服系统、声纳环传感器信息处理系统、三轴陀螺传感器信息处理系统和变结构力觉传感器信息处理系统。泌蚓R1氏A虚拟样机图B单步行足结构图图24第四型两栖多足机器人虚拟样机20052006年最终加工完成的两栖多足机器人原理样机如图25所示，其电源尺寸为150MMX60MMX20MM，控制电路板的总体尺寸为140MMX90MMX40MM。为12圜扩渊嘲哈尔滨工程大学硕士学位论文了方便实时了解机器蟹样机的各种信息，以及根据其反馈信息修改其运动参数，在其控制系统中增加了一个液晶显示模块。而且无线通讯模块中需要使用到天线，针对两栖多足机器人的研究目的和任务，又增加一个摄像头实时反馈外界环境信息。原理样机本体结构最终尺寸为550MMX400MMX250RAM，其中躯体部分尺寸为288MMX242MMXL82RAML”J。A样机实物图B密封后的两栖多足机器人图25第四型两栖多足机器人样机第四型两栖多足机器人制作完成后进行了整体软质橡胶密封处理，使其具有两牺环境下的运动能力。针对第四型两栖多足机器人进行了样机关节传动性能、驱动性能和整体运动性能的实验基础上，进行了大量的陆地、水中的行走、爬坡、越障、触障反射试验，这些实验在验证了前面所述的两栖运动机理的同时，对建立机器蟹反射控制模型、细化控制参数，起到了决定性的作用，并得到了一些有益的结论。23可变姿态两栖多足机器人机构设计231可变姿态两栖多足机器人样机通过长期仔细观察生物蟹的生活习性，得出的结论是当生物蟹在陆地上行走时，采用的是高姿态行走方式，如图26所示。这种行走姿态有利于在陆地上高速行进并且步态变换灵活，能够方便的越过障碍物。而当生物蟹在水中游动时，其游动的姿态可称为宽姿态，腿部与身体基本上在同一平面上，呈扁平状，如图27所示。这种姿态有利于螃蟹在水中游动，在减小游动阻力的同时还有能够抵抗水流将其掀翻的优点。图26陆地行走的高姿态生物蟹图27水下游动的宽姿态海蟹根据已有的生物螃蟹仿生学理论，在前几型两栖多足机器人机构设计的基础上设计出由直流电机巧妙布置，并通过涡轮蜗杆与锥齿轮相结合的传动箱传动，从而免除行走中需克服大腿电机重力做无用功的模块化结构，再用此模块化结构配合直齿圆柱齿轮及蜗杆涡轮机构设计的具有可变姿态，能够良好适应水陆两栖环境下游动和行走并具有自翻转能力的仿生物螃蟹八足步行机器人。八足步行机器人具有8条步行足，其中有六条普通步行足，另两条步行足为多功能复合足。可变姿态两栖多足机器人虚拟样机如图28所示。其姿态转变过程是由外部传感器感知环境，并通过控制身体内部直流电机带动左右旋涡轮蜗杆，同时调节各个关节的角度实现的。A陆地行走姿态B水下宽姿态图28可变姿态两栖多足机器人虚拟样机哈尔滨下程大学硕士学位论文24可变姿态两栖多足机器人机械本体设计可变姿态两栖多足机器人机械本体包括两条模块化复合步行足、六条模块化步行足、机器人躯干等，整个机器人步行足及复合足放射性布置于机器人躯干上。机器人由两条多功能复合步行足和六条普通步行足并联构成，两条多功能复合足分别为剪刀手和抓取机械手。足尖安装有三维力觉传感器，用于检测步行足的受力情况，为机器人可靠行走提供反馈信息。腿部采用扁平设计，有利于减小在水中游动时所受到的阻力。本设计的优点在于机械结构姿态可变、适应水下环境能力强，安装方便，涡轮蜗杆能够实现关节自锁，这样机器人在静止时就不需要电机继续工作而保持站立姿态，大大提高了两栖多足机器人的野外续航能力。241单向输入双向输出的涡轮蜗杆传动设计足式机器人相对于轮式机器人最大的优点是能够适应复杂的路况。其驱动方式可以多种多样，并且各有优缺点，如何根据两栖多足机器人的工作环境选择来选择驱动与传动方式是非常重要的。常见的仿生机器人关节传动方式有第三型两栖多足机器人采用的绳轮传动方式口丌，西班牙AUTOMATICCONTROLDEPARTMENT研制的“SIL04”四足机器人的关节传动方式即采用了蜗轮蜗杆方式田1等。前几型两栖多足机器人腿部电机都是采用串联布置，不可避免的缺点是摆动腿部运动的同时，需克服腿部电机重力做无用功。安装困难精度差、电机输出没有自锁等缺点而产生的。本机构由电机J电机固定架、涡轮蜗杆机构、锥齿轮变向机构、电位计、码盘、涡轮蜗杆箱体等组成。其优点是电机布置设计紧凑，大腿及腿根部电机不同于常见的串联布置方式，两个电机紧密布置于机器人躯体内部，重量集中。而且避免了常规布置方式需克服腿部电机重力做功的缺点，使机器人腿部活动更灵活便单向输入双向输出的涡轮蜗杆传动机构如图29所示。电机固定架、根部及大腿电机、齿轮变向箱体如图210所示。芝至耋三耋銮翟老薹鲨吝图29单向输入双向输出的传动机构图210单向输入双向输出虚拟图单向输入双向输出的涡轮蜗杆传动机构的原理为抬腿电机和摆动腿电机按照同一方向布置于电机固定架上，通过涡轮蜗杆与锥齿轮变向箱体来实现抬高和摆动两个方向的输出。本设计的优点在于结构相对简单、易装配、电机布置结构紧凑、重量分配集中于身体中心，为两栖多足机器人更好的适应两栖环境提供了有利保障。242可变姿态躯体架结构设计两栖多足机器人的躯体是连接蟹足、承载能源和控制系统的本体，由于布置方式的多样化，两栖多足机器人的外形、行走策略、稳定性将会有较大的差异。野生状态下的生物蟹在陆地行走和水下游动所采用的姿态并不相同。在进入水中后，为了减小水中游动阻力，生物蟹所采用的是宽姿态，故此根据仿生学原理，进行设计机器蟹躯体，如图211所示。图21L可变姿态躯体架结构可变姿态躯体架结构包括总体机械框架、电机固定架、姿态调节电机、直齿圆柱齿轮组、涡轮蜗杆固定架、左旋涡轮、右旋涡轮及涡轮杆等部件组成。其工作原理是；姿态调节电机驱动与电机轴同联的直齿圆柱齿轮转动，带动与蜗杆轴固联的大圆柱齿轮转动，从而带动左、右涡轮转动，来实现机器人整条腿部以涡轮轴为中心进行转动调节机器人姿态。243适于两栖环境生存的扁平腿部设计在可变姿态两栖多足机器人机械本体设计过程中，充分考虑了两栖多足机器人在水下环境生存所带来的不同于陆地环境的影响因素，并通过观察生物螃蟹腿部结构，可以得到的结论是生物蟹之所以能够非常好的适应陆地和水下环境。其最大的优点是扁平呈流线型的躯体及腿部结构。这种结构能够最大限度的减小螃蟹在水中游动所受到的阻力，扁平的腿部类似于船桨，倾斜的扁平腿部有利于增大游动效率。根据以上分析，考虑到根部电机的布置问题，采用蜗轮蜗杆减速方式，使电机体与蟹足共面，整体呈扁平状，按仿生学原理进行蟹足的合理布局，为能够适应水下生存带来了方便。如图212为可变姿态两栖多足机器人双腿设计图。扁平腿部设计的另一个优点是机器人的各个关节活动范围相对前几型机器人大幅度增大，转动角度达到180。，为自翻转提供了条件。哈尔滨工程大学硕士学位论文器人足端设计上增加了减震模块，它由两级弹簧减震，在其前端安装有三维力传感器，可实时检测机械人步行足受力情况。它可以减轻步行足落地时的冲击，有效的保护了机器人的各个传动部件。减震缓冲器安装示意图如图213所示。L琏接限位块；2一级弹簧；3连接螺丝4滑块5二级弹簧；6滑缸7滑块体；8螺丝；9三维力传感器；10螺丝；图213减震缓冲器安装示意图244可变姿态两栖多足机器人复合足结构设计可变姿态两栖多足机器人两条复合式步行足是为机器人执行特定环境下的特定任务而设计的，此步行足兼有行走、抓取和剪断的功能。械螃人复合足与两栖多足机器人普通步行足结构的三个模块化结构安装完全相同，不同的是将普通步行足最前端的减震缓冲器换成具有抓取或剪断功能的机械手。其中一条步行足前端为抓取机械手图214另一条步行足前端为剪刀手图215。两个步行足相互配合可完成指令要求的一些特定任务。机械手如图214所示，驱动电机1安装在机械支架2上，机械支架2通过螺丝与模块化传动结构电机后端连接，丝杠8一端通过销3与驱动电机1输出轴同联，另一端通过轴承搭接在支撑轴6上，中间穿过滑轴4，滑轴4幕。；玺鎏王墨銮茎鎏圭兰丝耋圣。副1电机；2支架；3销；4滑轴；5轴；6支撑轴；7手指；8丝杠；9轴图214抓取机械手机械机构中间为一个螺母，丝杠8的转动可以带动滑轴4上下运动，滑轴4同时穿过机械支架2一字形滑槽和两个手指7的一字形滑槽，滑轴4的上下运动就会带动两个手指7的张开与闭合，达到抓取货物的功能。两个手指7分别通过轴5和轴9安装在机械支架2上。图215为剪刀手的结构设计，基本结构与图214所示机械手相同，不同的是将前端两个手指换作了两片剪刀。两栖多足机器人可通过两条复合足相互配合，完成特定的任务。25两栖多足机器人控制系统功能及结构图215剪刀机械手两栖多足机器人的控制系统涉及到24个步行足电机和一个姿态控制电机的协调控制、GPS及G组变结构力觉传感器的信号采集与处理、三轴位姿陀螺信号采集与处理、两栖多足机器人仿生步态的生成、避障路径规划、人机交互、无线和红外通信的管理等，是一个非常庞大的系统。“分解”与“协调”是大系统控制最基本的设计原则。分级递阶控制的方案被认为是目前实现大系统综合控制的理想方案，它19哈尔滨工稃大学硕十学位论文有分散控制、分布式控制和递阶控制几种形式。第五型机器蟹采用了分级递阶智能控制系统，主控单元与分布式关节驱动单元之间以485总线通信协议进行通信，这种分工明确、能够进行并行处理的分布式结构便于提高运算、执行速度和控制精度，其整体结构如图216所示主控系统包括组织层、协调层、执行层三大部分，组织层负责人机交互、避障策略推算、步态生成等；协调层处于组织层与执行层之间，负责任务协调；执行层主要负责传感器的数据分析、步态生成，其处于控制系统的最底层，任务单一、分工明确，如负责传感器信号采集、处理、精确控制电机等。组织层规划层执行层图216分级递阶控制系统251两栖多足机器人感知模块构成机器人对外界和自身的感知，是机器人分析、决策的根据，拥有更多的传感器将使机器人的环境认知产生根本性变革。然而现有技术下很难在一个对空间、重量、能耗有着严格要求的机器人身上集成更多的传感器，为此从环境的基本认知角度出发，确定了三种必不可少的传感器1相当于生物蟹视觉的两栖超声波阵列传感器外部感知。2具有局部触觉的力传感器本体感知哈尔滨1二程大学硕士学位论文3感知自身位姿的光电编码器、三轴陀螺内部感知和基于全球定位技术GPS的定位模块。252GPS定位方案两栖多足步行机器人在野外进行作业，它必须能够明确自己的准确方位，才能完成一定的任务，否则机器人就是个盲机器人不知道何去何从，机器人就失去了自主性，只能听从人的指令行动。由于机器人有两个方向的加速度传感器，它可以在小范围内精确自己的位置。但这种定位方式不适宜大范围的定位操作，范围越大误差就越大，因此必须有一定的修正措施来时时修正机器人的位置信息，两栖多足机器人采用了GPS定位系统。GPS定位【捌是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。由于步行机器人与轮式机器人在定位技术上存在很大差别。常规的多种定位技术在水下及近海都失去作用，这样对其定位方案提出了更高的要求。分析以上情况，提出了更适合于两栖多足机器人定位的方法一基于GPS与改进测程法相结合的未知室外环境下的定位策略，具体技术将在第四章介绍。26本章小结本章详细介绍了两栖多足人系统的总体设计方案，主要解决了以下几个问题1简要介绍了前四型机器蟹总体设计方案，以及每一型两栖机器蟹所取得的突破和存在的不足。2着重介绍了新型两栖多足机器人机械本体构成以及工作原理，分析了可变姿态机械结构的优缺点，并对单足、复合蟹足的结构以及组成特点进行详细介绍。3从两栖多足机器人的执行任务的角度出发，将控制系统分解成组织层、协调层、执行层三大部分，从而提出了二级递阶控制的总体方案。2L第3章两栖多足机器人通信技术研究31引言两栖多足机器人的工作环境为浅海及野外，实时的反馈工作环境信息是操作人员对其远程控制和保证机器人完成特定作业任务的关键。因两栖多足机器人工作环境的特殊性，对通讯技术要求比较高，大致可分为水下通讯和陆地无线通讯两部分。这也将为即将开展研究的多两栖多足机器人协调合作提供技术储各。通过通信，多机器人系统中各机器人了解其它机器人的意图、目标和动作以及当前环境状态等信息，进而进行有效的磋商，协作完成任务。目前，两栖多足机器人的总体通讯方案采用图31所示。当机器人工作于浅海水域时，海上平台作为数据信息的中转站，通讯方式为无线及水声合作的方法。即空气中数据信息采用无线与海洋平台通讯，而水下采用水声技术与机器人通讯。I图31两栖多足机器人总体通讯方案H，勉哈尔滨工程大学硕十学位论文薯宣宣IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIILLI萱I_32水下通讯技术研究随着人们对海洋研究、开发和利用的需求正在增加，有关研究海洋环境及海洋环境污染状态的技术和监测系统的研究迅速发展。光与电磁波在海水中的传播衰减很大，无法用在中等以上距离的信息传递，而水声通信是以声波在水中传递信息的方式进行的通信，它的最高作用距离可达到LOKM。水声是当前水下通信唯一可选择的有效手段一因为声波的衰减相对小得多。水声信道是一个十分复杂的多径传输的信道，再加上它的环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输的时延大等。这诸多不利因素加剧了抗多径干扰的困难，实现误码率低，数据率高的水声通信是很困难的。水下机器人要进行通信，也必然要以水声作为其通信手段。要为水下机器人设计好的通信方法，对水声通信和水声网进行深入了解是非常必要的。，水声通信主要受路径丢失、噪声、多径、多普勒传播DOPPLERSPREAD和高的而且可变的传播延迟的影响口。所有这些因素决定了声音信道的时间和空间可变性，并且使可用的水声信道带宽变得有限且更依赖范围和频率。根据传输的范围，水声通信链路的带宽会有显著的变化。表31展示了不同范围水下信道的典型带宽。还可以根据声线的方向把水声链路大致分为垂直的和水平的。如表31所示，它们的传播特性会持续不断的变化，特别是与时间差量TIMEDISPERSION、多径传播和延迟变化相关的特性。以上所述因素的大部分都是由水这一媒介的化学一物理特性带来的，例如温度、盐度、密度，及它们的时空变化带来的。这些变化和信道的声波导向性质WAVEGULDENATUER，导致了声音信道的时空变化。特别是，到目前为止，水平信道在深水和浅水中都比垂直信道变化快的多。表31水声通信链路传输距离和带宽关系表范围KM带宽KHZ1000、小于LLO10025110约等于100112050小于O1大于100哈尔滨丁程大学硕士学何论文33声传播的物理特征由于水声信道是一多路径、时变和色散信道，声波在其中的传播行为十分复杂。其传输带宽比电缆小两个多数量级。声传输数据通讯，在深海广阔的水域对于数据信号的识别较为容易，由于在浅海大陆架尤其是在水深几十米的海区以及沿海的码头、河口及内河中环境条件比较复杂的情况下，声传输的可靠性、准确度受到影响。给我们提出了研究浅海各种物理因系对声传输数据的影响及解决的措施。由于声传播信号多径效应、介质的有规和无规不均匀性，以及边界海面和悔底的粗糙度、海底沉积层及其多层结构以及内渡、潮汐起伏和海面航道等等构成浅海声传播信道的物理要素的诸多影响。致使在实际的工作及试验中，可以很明显地看到，由于多径效应等影响使数据信号难以鉴别。在这种复杂的声场条件下，如何利用声场环境和克服不利因素，经过研究采用的关键技术主要有移频键控技术、自适应频率跟踪技术、数据拆分复接技术和解算技术。34基于DSP的水下通讯控制技术341系统工作原理声传输数据通讯机由水下机和水上机两部分组成。如图32所示，水下机安装在两栖多足机器人上，由微处理机、水声信号发射机和水声换能器组成微处理机将测量传感器或测量设备监测到的数据进行采集并转换成声脉冲信号。再由水声信号发射机通过水声换能器将数据发出，如图33所示，水上机由水声换能器、水声信号接收机和一个信号解算系统微处理机。水声信号接收机通过水声换能器在水下工作的水域接收到水下机发出的数据信号后进行放大和处理，再由信号解算系统微处理机进行数据的信号解调和运算处理。将水下机传输的数据运算处理后进行贮存。R，1RIR1I微处理器H水声信号发射机H水声换能器I图32水下机工作原理框图I水声换能器H水声信号发射机H信号解算系统IIJIJL_J图33水上机工作原理框图24哈尔滨工程大学硕士学位论文水下机通过微处理机可和在水下工作的多种仪器设备联接，两栖多足机器人可自成体系也可以与其他机器人相结合来完成特定任务。使水下机器人形成一个数据通讯网。水上机安装在海洋浮标上接收水下机的数据再通过无线电通讯或卫星通讯将数据转发陆地台站。近几年来，在深海水声信道中，水声MODEM技术满足了人们对通信作用距离远、通信速度快、通信可靠性高等多方面的要求。而在浅海水声信道中，由于多途效应对水声通信的影响，造成信号衰落和码间串扰，误码率大大增加。要降低误码率，通常采取分集接收、差错控制等方法。而分集接收要增加接收系统的复杂性，有时还受到条件的限制难以实现；差错控制虽然可以降低误码率，但要增加冗余，使通讯速率降低。两栖多足机器人通讯系统采用IFJUMPFREQUENCY水声遥控技术，即跳频编码通讯技术，在很大程度上克服了水声信道多途效应对遥控的不良影响。342两栖多足机器人水下通讯控制技术两栖多足机器人水下通讯控制系统主要包括水面的总控制台，以及水下的一或多个子系统如图34。水下子系统的工作状态受控于水面总控制台的水声遥控来进行各级工作，同时又要与水面总控制台保持通讯，并回报自身的工作状态。这就要求2个子系统与水上总控制台的水下通讯具有很高的可靠性及极低的误码率。，圭墨。I_|水下环境，水上平台I7。I。II。J心、水声、I一一J图34两栖多足机器人水下通讯系统一般情况下，通讯方案都是试图通过编码方法来改进通讯质量的，例如调频FM、移频键控FSK、频分复用FDMA、时分复J羽TDMA以及码分复用CDMA等技术。本系统设计了JF跳频码来实现水下的低误码率通讯，属于频分复用技术。哈尔滨工程大学硕士学位论文1水下跳频编码原理本编码原理选用了间隔200HZ的9个频率进行跳频编码，每个编码由不同频率的9个单频填充码元组成，编码总带宽1800HZ。编码频率彳一石，其中厶。一石200HZ，I19，指令码的组成如图35所示。其中，为指令码乃的第J个频率，石石，五石，1J9，互瓦10MS，码长为180MS。TCL图35指令码的组成用如下规则排列FI19编码1种频率在1个指令码中应出现1次且仅出现1次，以利于多途情况下准确识别码元的填充频率，降低误码率；2规定石、正、石为I频段，厶、石、五为II频段，石、石、石为频段，则相邻码元的填充频率应属于不同的频段，同频段的不同频率至少相隔3个码元出现，这样可使相邻码元填充频率间隔较大，以利于在译码过程中自适应滤波器对码元填充频率的识别。设指令码，所，的频率填充顺次为M