一种摆式球形水下机器人水底滚动特性分析.docx

? ? 一种摆式球形水下机器人水底滚动特性分析 ? ? 李艳生，孙汉旭，贾庆轩，张延恒，褚明 ? 一种摆式球形水下机器人水底滚动特性分析 李艳生1, 2，孙汉旭1，贾庆轩1，张延恒1，褚明1 (1. 北京邮电大学自动化学院，北京，100876；2. 重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆，400065) 为了更加深入的掌握BYSQ-2球形水下机器人水底滚动特性，在建立机器人水底滚动方程基础之上，分析得出机器人质量和电机转速也会对机器人的水底滚动产生影响。搭建该种水下机器人水底仿真环境平台和虚拟样机，通过对比在不同质量和电机转速下的仿真结果，得出该种球形水下机器人水底滚动的波动特点，并且增加机器人的质量和降低电机的转速，会有效的提高机器人在水底滚动的稳定性。 球形机器人；无人水下航行器；水底滚动；虚拟仿真 无人水下机器人(autonomous underwater vehicles, AUV)已经在民用领域、工业领域和科学研究领域中广泛应用，近年来又在军用领域得到重视。美国海军针对无人水下航行器的优势，制定了9类使命任务，并且充分肯定了以潜艇携带水下航行器的优点[1?2]。球形机器人成功着落在水底，可以利用自身装载的传感器就可以近距离的对水底生物环境进行考察，拍摄水底地貌和获取水文信息等[3?4]。球形机器人在水底有时需要偏离原来的着陆位置，进行短距离移动。通过启动螺旋桨使机器人上浮，然后控制运动到预定地点进行着底运动的方式对于短距离的移动过于繁琐。本文研究的运动灵活的球形水下机器人BYSQ-2，在水底探测方面具有很大的优势，能够以滚动的方式进行姿态调整和位置变换。本文设计方案中的球形机器人通过重摆的重力矩来驱动球形机器人进行姿态调整和向前滚动。段海庆等[5?6]对水下机器人进行水底探测时的欠驱动控制与水底地形跟踪控制进行了深入研究。郑一力等[7?8]对球形机器人在陆地滚动的特性进行了分析，尤其是球形机器人重摆的稳定性。为了更加深入的掌握该种球形水下机器人在硬质平坦水底姿态变换和水底滚动情况，本文作者首先建立了球形机器人在水底的滚动数学模型，导出球形机器人的质量参数和重摆电机的转动速度对机器人在水底滚动有重要影响。然后在建立机器人水底滚动的Adams虚拟样机仿真模型的基础上，对球形机器人在水底滚动的特性和影响因素进行了充分的仿真分析和总结。 1 机器人实物样机 BYSQ-2水下机器人与陆地球形机器人[6]有很大相似之处，机器人长轴与推进螺旋桨轴心共线，长轴电机可以用来调整横滚角度。机器人短轴轴线与长轴轴线垂直，短轴电机用来调整机器人俯仰角度。机器人内部控制电路和驱动电机全部密封在一个圆形玻璃纤维球壳内，其物理样机实物如图1所示。 图1 机器人的样机和模型 表1 物理参数 2 水底滚动数学模型 在水底环境下，球形机器人的滚动速度受到的水阻力不可忽略，并且由于水的浮力影响，机器人的对水底的压力会减小，从而降低球壳与水底的摩擦 力[9?10]。对球形水下机器人进行水底运动分析，首先要建立动力学模型来确定研究参数，本方案中的球形水下机器人系统在水底滚动时，以球壳为研究对象的受力示意图如图2所示。 图2 球壳受力示意图 图2所示半径为的球形机器人在水底向前以角速度向前滚动时的受力情况，在球壳与水底接触点处，水底对球壳有摩擦力和支持力的作用，同时也受到周围流体对球壳的水阻力D和浮力的作用。机器人系统内部重摆机构也会对机器人施加水平分力F，竖直分力F和转动力矩，同时机器人自身的球壳部分结构也受到重力作用。根据力学平衡和牛顿欧拉定理，可以得到球形机器人在水底滚动的球壳力学方程： 同理，对整个球形机器人系统水底运动受力分析，除了球壳部分外，还要对内部重摆驱动机构进行受力分析[11?12]，以重摆为研究对象的受力分析如图3所示。 图3 重摆受力示意图 Fig. 3 Force diagrams of heavy pendulums 式(1)和(2)中的水平分力F和，竖直分力F和，转动力矩和为成对出现的作用力与反作用力，根据牛顿第三定律可以得到这3对力和力矩分别对应大小相等。将重摆机构的力学方程带入球壳力学程，消去相互作用力可得如下方程组： (3) 球形机器人在水底滚动状态时的质量与悬浮状态时的配平质量差Δ和摩擦力又可表示为 球形机器人在水底滚动时，其驱动力矩是通过重摆电机驱动重摆的摆动，反作用力矩驱动球壳滚动，实质上可以看作机器人的滚动运动函数是电机转动的函数。电机转动角度与重摆摆角和机器人滚动速度之间建立的约束关系为 (5) 将式(5)代入方程(3)得球形机器人水底滚动力学方程： 从上面的方程可以看出球形水下机器人在水底滚动和姿态调整，不但与重摆驱动电机的转动角度变化过程有关，而且还和球形机器人的配平质量Δ有关。显然，对球形机器人水底运动规律