水下蛇形环境勘测机器人

摘要：本文设计了一种可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，主要解决现有无人潜水器不能进行运动姿态调整、续航能力低且功能较为单一的问题。蛇体内部装有的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计可用于实时采集蛇形机器人运动时的加速度大小和方向、转向时的角速度和所处的方位，通过Kalman滤波算法对这九轴数据进行融合，可以得出机器人在行进时较为准确的航向角运动检测和定位功能;蛇体外表面覆盖有柔性太阳能电池板，可在电池电量不足时浮出水面进行充电;蛇体前端的可伸缩式机械臂、旋转钻头和探照灯，可用于水中作业;蛇体内的无线摄像头及多种传感器采集的信息经无线数传模块实时传输至人机界面，人机界面也可以对蛇体进行远程控制。通过人机界面与蛇体之间的交互，可以实现自动跟踪水下物体、显示蛇体运动路径、显示蛇体三维姿态、控制机械臂、图像化显示传感器数据等功能。

引言

在自然界中，生物蛇具有运动方式多变、良好的环境适应性及运动稳定性等典型特点，仿生机械学中模仿生物蛇的蛇形机器，它具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等特性。蛇形机器人是一种高冗余度移动机器人，具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，使得它可以摹仿生物蛇的无肢运动，蛇形机器人的这些特点使得它在复杂的海洋环境勘测中具有广阔的应用前景，如军事侦察、海底矿藏调查、输油管道检查、钻井平台水下结构检修、电缆检查、水下考古、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。

1 系统总体设计

采用STM32作为主控制器，它通过异步串口通讯将控制指令分别传输给16路舵机控制器、无线摄像头、直流电机控制器和探照灯;主控制器与人机界面、十自由度传感器、电量检测模块、温湿度传感器组和体外压力传感器之间实现了数据的双向传输;舵机控制器可发送16路独立的PWM波给舵机，以实现对机器人运动姿态的控制，并与十自由度传感器结合实现了对蛇体的闭环控制。电气系统整体架构如图1所示。

其次，一个重要的作用便是通过异步串口通讯方式实现与iNEMO board的通讯，使用开发板板载的惯性测量传感器，将三轴加速度计、三轴陀螺仪以及由三轴磁力计制作的电子罗盘所得出的数据融合起来，通过Kalman滤波算法克服了加速计在运动情况下的角度不稳定同时也防止了陀螺仪的累积误差，从而可得出相对较为准确的航向角。



2 传感器应用方式

(1)LPS331AP 气压计，用于检测蛇体内部的密闭性，在下水之前，通过人工给蛇体内部增压到一定值停止，观察气压计的读数是否在一定时间内大幅度下降，从而判断蛇体的密闭性。
(2)LSM303DLHC加速计与磁力计和L3GD20陀螺仪，通过LSM303DLHC三轴加速度计、三轴磁力计以及L3GD20三轴陀螺仪9轴的数据融合得到较为精确的航姿参数：pitch_angular、roll_angular、yaw_angular，并把它们传送给STM32核心控制板，控制板通过接收的参数判断当前蛇体所处的运动姿态，进而对其进行控制。
(3)板载的温度传感器可用于测量蛇体内的温度变换情况。
(4)PH电极传感器，用于测量水中的PH(实际未使用该传感器，该项功能作为保留)。

另外一个作用便是通过无线数传模块把开发板搭载的传感器感知的环境信息以及机器人整体的姿态信息反馈给地面PC控制终端，并实时地把传感器信息显示在基于LabView开发的上位机窗口中，同时上位机窗口中可以选择水蛇运动的模式，包括前行、后退、转弯、上游、下潜、上浮、下沉、调速等，并把控制指令通过无线数传模块传给主控制板。





3 数据融合的理论推导

由加速度计、陀螺仪、磁力计及运算单元构成的航姿参考系统，能够为蛇形机器人提供航向、横滚和侧翻信息，用来为机器人提供准确可靠的姿态与航行信息，其内部对多传感器数据进行融合的航姿解算单元为卡尔曼滤波器。



4 方案设计实现

4.1 摄像头模块                                
               
摄像头拟采用usb 2.4G无线摄像头，独立于主控制板之外，摄像头采集的图像信息直接传给地面控制终端，由专用接收器接收并显示在PC上位机窗口中。





4.2 驱动关节设计

蛇形机器人每个关节处采用两个舵机进行正交连接，实现每个关节2个自由度的控制，使得蛇形机器人能够在三维空间运动，如图2与图3所示。

4.3 供电系统

采用11.1V，4000Mah，20C锂电池组为整个系统供电，为提高机器人的续航能力，采用太阳能电池板通过升压电路对锂电池进行充电，机器人外壳采用透明材料(取自空饮料瓶)，内表面覆盖柔性太阳能电池板，通过多块柔性太阳能电池板串并联可实现对锂电池12V/2W充电，太阳能电池板对锂电池充电时，机器人漂浮在水面上(实际作品未使用太阳能电池板，该项功能保留，待后续开发)。

4. 4 人机界面HMI的开发

这里使用自动化组态软件LabView来开发蛇形机器人的人机界面，其工作流程图如图4所示。





5 测试与验证

5. 1 Maya运动仿真

从整个制作的过程来看，机器人整体的机械结构设计较为复杂，但是最终还是完成了结构的设计、加工与装配。运动姿态在Maya软件上进行了仿真测试，为蛇形机器人的步态设计带来了方便，如图9所示。

5. 2 实验室测试

在Maya软件上实现了蛇形机器人的动态仿真后，在实验室进行了“悬空测试”，验证所设计的步态的可靠性，如图10所示。





5. 3 下水测试

为了进一步验证步态设计的实际可行性以及蛇形机器人的整体防水性，团队进行了一次下水试验。试验结果表明，由于蛇形机器人自身的重力略小于其所能达到的最大浮力，蛇形机器人在水中静止状态下可以实现漂浮，与理论计算结果相符，在水面上的二维蜿蜒步态运动效果较好，如图11所示。





6 总结与展望

6. 1 创新之处

(1)借助于iNEMO board，使得让原本开环的蛇形机器人系统实现了闭环控制，相比于传统各类蛇形机器人的开环控制有了巨大的突破。

(2)正交连接的舵机组成的动力结构实现了机器人的三维运动，使得运动姿态更加丰富，应用领域也会更加广泛。

(3)模块化的蛇形机器人骨架设计思想，使得某一关节出现问题时可以进行独立更换。

(4)基于LabView制作的上位机软件功能强大，实现了各种数据和指令的实时传输以及摄像头捕捉到的视频显示。

6. 2 展望

蛇形机器人是一种新型的仿生物机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个突破，具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。

本文设计的水下蛇形机器人希望将来能够在海洋复杂环境勘测中得到应用，如军事侦察、海底矿藏调查、输油管道检查、钻井平台水下结构检修、电缆检查、水下考古、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。

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