水下蛇形環(huán)境勘測機器人

摘要：本文設計了一種可閉環(huán)控制的多功能水中蛇形機器人，主要解決現有無(wú)人潛水器不能進(jìn)行運動(dòng)姿態(tài)調整、續航能力低且功能較為單一的問(wèn)題。蛇體內部裝有的三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計可用于實(shí)時(shí)采集蛇形機器人運動(dòng)時(shí)的加速度大小和方向、轉向時(shí)的角速度和所處的方位，通過(guò)Kalman濾波算法對這九軸數據進(jìn)行融合，可以得出機器人在行進(jìn)時(shí)較為準確的航向角運動(dòng)檢測和定位功能;蛇體外表面覆蓋有柔性太陽(yáng)能電池板，可在電池電量不足時(shí)浮出水面進(jìn)行充電;蛇體前端的可伸縮式機械臂、旋轉鉆頭和探照燈，可用于水中作業(yè);蛇體內的無(wú)線(xiàn)攝像頭及多種傳感器采集的信息經(jīng)無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)時(shí)傳輸至人機界面，人機界面也可以對蛇體進(jìn)行遠程控制。通過(guò)人機界面與蛇體之間的交互，可以實(shí)現自動(dòng)跟蹤水下物體、顯示蛇體運動(dòng)路徑、顯示蛇體三維姿態(tài)、控制機械臂、圖像化顯示傳感器數據等功能。

引言

　　在自然界中，生物蛇具有運動(dòng)方式多變、良好的環(huán)境適應性及運動(dòng)穩定性等典型特點(diǎn)，仿生機械學(xué)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(dòng)機器人，具有多于確定機器人空間位置和姿態(tài)所需的自由度，使得它可以摹仿生物蛇的無(wú)肢運動(dòng)，蛇形機器人的這些特點(diǎn)使得它在復雜的海洋環(huán)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(lǐng)域。

1 系統總體設計

　　采用STM32作為主控制器，它通過(guò)異步串口通訊將控制指令分別傳輸給16路舵機控制器、無(wú)線(xiàn)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(shí)現了數據的雙向傳輸;舵機控制器可發(fā)送16路獨立的PWM波給舵機，以實(shí)現對機器人運動(dòng)姿態(tài)的控制，并與十自由度傳感器結合實(shí)現了對蛇體的閉環(huán)控制。電氣系統整體架構如圖1所示。

　　其次，一個(gè)重要的作用便是通過(guò)異步串口通訊方式實(shí)現與iNEMO board的通訊，使用開(kāi)發(fā)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(pán)所得出的數據融合起來(lái)，通過(guò)Kalman濾波算法克服了加速計在運動(dòng)情況下的角度不穩定同時(shí)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(guò)人工給蛇體內部增壓到一定值停止，觀(guān)察氣壓計的讀數是否在一定時(shí)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(guò)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(guò)接收的參數判斷當前蛇體所處的運動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)而對其進(jìn)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(shí)際未使用該傳感器，該項功能作為保留)。

　　另外一個(gè)作用便是通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊把開(kāi)發(fā)板搭載的傳感器感知的環(huán)境信息以及機器人整體的姿態(tài)信息反饋給地面PC控制終端，并實(shí)時(shí)地把傳感器信息顯示在基于LabView開(kāi)發(fā)的上位機窗口中，同時(shí)上位機窗口中可以選擇水蛇運動(dòng)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(lái)為機器人提供準確可靠的姿態(tài)與航行信息，其內部對多傳感器數據進(jìn)行融合的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

4 方案設計實(shí)現

4.1 攝像頭模塊