一種定航和線控一體的六自由度水下機器人

趙澤鵬　魏平　周宏偉　萬紫晶

摘 要：為滿足探測復雜水下環境情況的需要以及進一步提高水下機器人自動化的程度，研究了基于LabVIEW控制機器人航行的方法以及利用陀螺儀和數字增量PID算法使機器人連續按多個規定航向航行的方法，設計了一款中型遙控/自主水下機器人。對其外形和結構布局進行了規劃設計，機器人外形結構和螺旋槳布置方式獨特，采用水滴形外殼和矢量推進的方式，水中阻力小，實現高航速、六自由度靈活運動。通過實際驗證，證明基于上述研究制得的機器人實體線控操作靈敏度很高，能在較小的偏差范圍內按規定航向航行。

關鍵詞：水下機器人；定向航行；陀螺儀；PID

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0059-02

1 引言

我國的水下機器人技術已有二十多年歷史，相對于一些發達國家，我國水下機器人起步較晚。水下機器人按特點可分為兩類：遙控水下機器人（ROV）和自主水下機器人（AUV）。ROV可操作性強，具備水下作業能力；AUV可在一定范圍內進行自主探測，無需人為干預，但很難完成水下作業。筆者研制的這款機器人集合了AUV和ROV的特點，是一種中型的遙控/自主水下機器人（ARV），既能完成自主航行的任務，又具有很強的可操作性。機器前端裝有云臺，上有聲吶、攝像頭等探測設備，可用于水下環境監測、勘查，需要時可加裝機械臂，進行打撈作業，還可以用在軍事上，加裝超空泡射槍，用于水下獵雷滅雷和反蛙人。以上的這些應用，都要求機器人具有高航速和多自由度，目前較為成熟的產品中，六自由度水下機器人多為框架式，阻力大，逆流能力差始終無法解決，如常州一粟水下機器人公司八螺旋槳的EDGE系列。筆者設計的機器人為水滴形，減小了興波阻力和渦流阻力，螺旋槳布置方式特別，提高了航速，以較少的螺旋槳數量實現六自由度功能并且便于穩定水下航行時姿態。

2 結構及運動情況

2.1 結構設計

筆者設計的機器人采用雙殼體結構，大大提高了水密性，增加了理論下潛深度，內部容積大，為機器上加裝傳感器和水下作業設備提供了便利。機器艙前端裝有云臺，上有聲吶和攝像頭，用于探測水下的情況。尾部裝有十字形的尾鰭，穩定行進的姿態。機器人采用五螺旋槳推進，其中兩個螺旋槳與機器人軸線各成45度角布放在艏部，兩個矢量螺旋槳放在中部，可與機器人軸線水平或垂直，尾部螺旋槳水平放置。整體布局如圖1。

2.2 六自由度的運動

機器人中部的兩個螺旋槳為矢量螺旋槳，有兩種狀態——螺旋槳軸線與機器人軸線平行、螺旋槳軸線與機器人軸線垂直。通過控制不同螺旋槳組合轉動，機器人可產生六個自由度的運動——橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖。

（1）橫蕩：位于艏部的螺旋槳等速反向轉動，尾部螺旋槳提供和艏部螺旋槳合力方向相同的力，如圖2（a）。（2）縱蕩：位于中部的螺旋槳處于平行狀態且等速同向轉動，如圖2（b）。（3）垂蕩：位于中部的螺旋槳處于垂直狀態且等速同向轉動，如圖2（c）。（4）橫搖：位于中部的螺旋槳處于垂直狀態且等速反向轉動，如圖2（d）。（5）縱搖：位于艏部的螺旋槳等速同向轉動，尾部螺旋槳同向等速轉動提供和艏部螺旋槳合力方向相同的力，如圖2（e）。（6）艏搖：位于中部的螺旋槳處于平行狀態且等速反向轉動，如圖2（f）。

3 各軸位移量和姿態角實時顯示功能的實現

筆者制作的機器人加裝了AH100B微型航姿參考系統，該系統通過采集傳感器的數據，融合kalman濾波，采用三軸加速度計和三軸磁傳感器輔助三軸陀螺以及溫度補償的算法技術，測得實時的姿態數據，數據經處理計算得出三軸方向的位移量，通過串口將其傳輸至操作臺，數據顯示在人機交互界面，對機器人的位置實時監控，具體處理方法如下：

假設基準坐標系為OXYZ，機器人上的動態坐標系為oxyz。陀螺儀測得的x，y，z軸方向加速度ax，ay，az，y軸方向航向角α，x軸方向橫搖角β，z軸方向的縱搖角γ，采用微分思想，計算第i段時間間隔dt中的位移，各段時間位移進行累加。

將動態坐標系轉換為基準坐標系——加速度依次進行航向變換、縱搖變換和橫搖變換。

依次循環迭代即可得出基準坐標系各軸方向的位移。計算出的位移量和測出的橫搖、縱搖、艏搖角度值實時顯示在人機交互界面。

4 不同操作模式實現

筆者設計的機器人設置兩種操作模式—有線操作模式和定向航行模式，為了實現兩種模式，筆者采用一種單片機作為下位機，主要功能為數據計算、與上位機通信、向舵機螺旋槳發送pwm控制信號等，采用LabVIEW作為上位機，主要功能為數據計算、與下位機通信、人機交互等。

筆者采用RS485串口通信方式來實現上位機與下位機的通信，定義了三個幀頭，7D、7E和7F，其中7D用于下位機向上位機發送數據，將機器人測得和計算的各軸位移和角度傳回；7E用于定向航行時上位機向下位機發送數據，給機器人設定定向航行的時間、航向；7F用于線控時上位機向下位機發送數據，將控制指令傳給機器人。定義的字符串及其控制的部位如下：

7D ① ② ③ ④ ⑤ ⑥

7E ⑦ ⑧

7F ⑨ ⑩

①：橫搖角；②：縱搖角；③：航向角；④：X軸位移；⑤：Y軸位移；⑥：Z軸位移；⑦：定向航行時間；⑧：定向航行航向；⑨：左艏部螺旋槳占空；⑩：右艏部螺旋槳占空比；：左中部螺旋槳占空比；：右中部螺旋槳占空比；：尾部螺旋槳占空比；：云臺舵機占空比；：左中部舵機占空比；：右中部舵機占空比。

4.1 有線操作模式

當處于有線操作模式時，五個螺旋槳全部工作，可完成六個自由度的運動。根據不同的按鍵，上位機引用不同的字符向下位機發送相應的數值，從而控制機器人和云臺的不同運動。

4.2 定向航行模式

該模式應用了數字PID算法，由于機器人裝有十字尾鰭和底部擋板，航行時橫搖角很小，加之處于該模式時螺旋槳的分布不便于進行橫搖運動，故PID算法只對航向角和縱搖角進行調控，而不對橫搖角作用。

應用數字PID增量算法控制自主航行的原理圖如圖3。

穩定縱搖角也應用上述原理，給定的縱搖角為定值0，達到自主航行時的穩定姿態的目的。

4.3 模式的切換

上位機給操作手柄設置了線控和定向航行的一鍵切換的按鍵，方便兩種模式的轉換。當手柄按鈕Z>0，下位機用幀頭7F帶的字符串，此時機器處于線控模式；當Z<0，下位機用幀頭7E帶的字符串，此時機器處于定向航行模式。

5 分析驗證

筆者對機器人實體主要做了定向航行準確度驗證。

筆者規劃了兩個連續航向（45度轉成135度）來驗證定向航行的準確度，為測試系統抗干擾能力，在第二個航向人為改變其航向角，結果如圖4，機器人的實際航向角基本與規定航向角吻合，受到干擾后，調控較快。

6 結語

筆者制作的這款水下機器人優化了外形，減小了行進的阻力，提高航速。螺旋槳布置方式獨特，自由度高達六個，更加靈活。設定了兩種航行模式，方便針對不同水下環境進行模式切換，能實時顯示水下的位置和姿態，通過大量實驗驗證，自主航行準確度較高，下一步改進通過位移量設定來控制自主航行時的轉向，能夠使機器人按連續規定的航跡航行。

參考文獻

[1]徐明釗，于海濤，楊春，等.基于陀螺儀和碼盤的自主定位機器人系統[J].兵工自動化，2016，35（10）：60-63.

[2]王航宇，王士杰，等.艦載火控原理[M].北京：國防工業出版社，2006.