水下蛇形環境勘測機器人

引言

在自然界中，生物蛇具有運動方式多變、良好的環境適應性及運動穩定性等典型特點，仿生機械學中模仿生物蛇的蛇形機器，它具有結構合理、控制靈活、性能可靠、可擴展性強等特性。蛇形機器人是一種高冗余度移動機器人，具有多于確定機器人空間位置和姿態所需的自由度，使得它可以摹仿生物蛇的無肢運動，蛇形機器人的這些特點使得它在復雜的海洋環境勘測中具有廣闊的應用前景，如軍事偵察、海底礦藏調查、輸油管道檢查、鉆井平臺水下結構檢修、電纜檢查、水下考古、海上養殖及江河水庫的大壩檢查等領域。

1 系統總體設計

采用STM32作為主控制器，它通過異步串口通訊將控制指令分別傳輸給16路舵機控制器、無線攝像頭、直流電機控制器和探照燈：主控制器與人機界面、十自由度傳感器、電量檢測模塊、溫濕度傳感器組和體外壓力傳感器之間實現了數據的雙向傳輸：舵機控制器可發送16路獨立的PWM波給舵機，以實現對機器人運動姿態的控制，并與十自由度傳感器結合實現了對蛇體的閉環控制。電氣系統整體架構如圖l所示。

其次，一個重要的作用便是通過異步串口通訊方式實現與iNEMOboard的通訊，使用開發板板載的慣性測量傳感器，將三軸加速度計、三軸陀螺儀以及由三軸磁力計制作的電子羅盤所得出的數據融合起來，通過Kalman濾波算法克服了加速計在運動情況下的角度不穩定同時也防止了陀螺儀的累積誤差，從而可得出相對較為準確的航向角。

2 傳感器應用方式

（1）LPS331AP氣壓計，用于檢測蛇體內部的密閉性，在下水之前，通過人工給蛇體內部增壓到一定值停止，觀察氣壓計的讀數是否在一定時間內大幅度下降，從而判斷蛇體的密閉性。

（2）LSM303DLHC加速計與磁力計和L3GD20陀螺儀，通過LSM303DLHC三軸加速度計、三軸磁力計以及L3GD20三軸陀螺儀9軸的數據融合得到較為精確的航姿參數：pitch_angular. roll_angular. yaw_angular，并把它們傳送給STM32核心控制板，控制板通過接收的參數判斷當前蛇體所處的運動姿態，進而對其進行控制。

（3）板載的溫度傳感器可用于測量蛇體內的溫度變換情況。

（4）PH電極傳感器，用于測量水中的PH（實際未使用該傳感器，該項功能作為保留）。

另外一個作用便是通過無線數傳模塊把開發板搭載的傳感器感知的環境信息以及機器人整體的姿態信息反饋給地面PC控制終端，并實時地把傳感器信息顯示在基于L abView開發的上位機窗口中，同時上位機窗口中可以選擇水蛇運動的模式，包括前行、后退、轉彎、上游、下潛、上浮、下沉、調速等，并把控制指令通過無線數傳模塊傳給主控制板。

3 數據融合的理論推導

由加速度計、陀螺儀、磁力計及運算單元構成的航姿參考系統，能夠為蛇形機器人提供航向、橫滾和側翻信息，用來為機器人提供準確可靠的姿態與航行信息，奠內部對多傳感器數據進行融合的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

4 方案設計實現

4.1 攝像頭模塊

攝像頭擬采用usb 2.4G無線攝像頭，獨立于主控制板之外，攝像頭采集的圖像信息直接傳給地面控制終端，由專用接收器接收并顯示在PC上位機窗口中。

4.2 驅動關節設計

蛇形機器人每個關節處采用兩個舵機進行正交連接，實現每個關節2個自由度的控制，使得蛇形機器人能夠在三維空間運動，如圖2與圖3所示。

4.3 供電系統

采用11.1V，4000Mah，20C鋰電池組為整個系統供電，為提高機器人的續航能力，采用太陽能電池板通過升壓電路對鋰電池進行充電，機器人外殼采用透明材料（取自空飲料瓶），內表面覆蓋柔性太陽能電池板，通過多塊柔性太陽能電池板串并聯可實現對鋰電池12V/2W充電，太陽能電池板對鋰電池充電時，機器人漂浮在水面上（實際作品未使用太陽能電池板，該項功能保留，待后續開發）。

4.4 人機界面HMI的開發

這里使用自動化組態軟件LabView來開發蛇形機器人的人機界面，其工作流程圖如圖4所示。

5 測試與驗證

5.1 Maya運動仿真

從整個制作的過程來看，機器人整體的機械結構設計較為復雜，但是最終還是完成了結構的設計、加工與裝配。運動姿態在Maya軟件上進行了仿真測試，為蛇形機器人的步態設計帶來了方便，如圖9所示。

5.2 實驗室測試

在Maya軟件上實現了蛇形機器人的動態仿真后，在實驗室進行了“懸空測試”，驗證所設計的步態的可靠性，如圖10所示。

5.3 下水測試

為了進一步驗證步態設計的實際可行性以及蛇形機器人的整體防水性，團隊進行了一次下水試驗。試驗結果表明，由于蛇形機器人自身的重力略小于其所能達到的最大浮力，蛇形機器人在水中靜止狀態下可以實現漂浮，與理論計算結果相符，在水面上的二維蜿蜒步態運動效果較好，如圖11所示。

6 總結與展望

6.1 創新之處

（1）借助于iNEMO board，使得讓原本開環的蛇形機器人系統實現了閉環控制，相比于傳統各類蛇形機器人的開環控制有了巨大的突破。

（2）正交連接的舵機組成的動力結構實現了機器人的三維運動，使得運動姿態更加豐富，應用領域也會更加廣泛。

（3）模塊化的蛇形機器入骨架設計思想，使得某一關節出現問題時可以進行獨立更換。

（4）基于LabView制作的上位機軟件功能強大，實現了各種數據和指令的實時傳輸以及攝像頭捕捉到的視頻顯示。

6.2 展望

蛇形機器人是一種新型的仿生物機器人，與傳統的輪式或兩足步行式機器人不同的是，它實現了像蛇一樣的“無肢運動”，是機器人運動方式的一個突破，具有結構合理、控制靈活、性能可靠、可擴展性強等優點。

本文設計的水下蛇形機器人希望將來能夠在海洋復雜環境勘測中得到應用，如軍事偵察、海底礦藏調查、輸油管道檢查、鉆井平臺水下結構檢修、電纜檢查、水下考古、海上養殖及江河水庫的大壩檢查等領域。