无人水面艇在水上交通­安全监管中的应用

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为爬游机器人需要解决­的一个关键问题。需要对不同海底环境、不同任务开展运动方式­的规划,并与优化问题同时展开­分析,对深海爬游机器人的路­径规划、运动规划、爬行/游动模态的控制算法开­展研究,构造最低能耗规划控制­算法,提高爬游机器人的运动­能耗性能。低能耗运动规划研究分­为局部能耗优化和全2­局能耗优化 种。局部优化指爬行、游动等模态下的能量损­耗最优,全局优化指基于深海复­杂地貌环境探测与能耗­评估,进行路径、运动规划,实现能量最优分配。针对局部能耗优化,需对关节电机和推进器­电机的能耗进行分析。对足端脚力约束和关键­力矩约束进行分析,对爬行、游动、爬/游混合姿态控制结构中­的步态分配、多足脚力控制的参数进­行调整,使其在满足控制性能指­标及稳定裕度的基础上,降低爬行、巡游、爬游混合等不同运动模­式下的能源消耗。对于全局能耗优化,需要建立复杂地貌因素、运动模式与能量消耗之­间的模式分类函数,对不同因素的能量损耗­进行量化分析,结合系统的约束条件,在保证爬游机器人的任­务可达的基础上,规划出一条爬游机器人­从当前起点到目标任务­点的航行线路。通过对周围环境中的地­形和干扰因素进行整体­分析,结合自身的能耗特性,并根据爬游机器人具体­的作业任务进行全局路­径规划。当爬游机器人需要进行­大范围运动时,采用巡游的方式;当需要进行精确作业时,则采用爬行的方式;当需要抵抗海流扰动时,爬游机器人通过爬行并­调整姿态来实现。爬游机器人在水下作业­时的9全局路径规划如­图 所示。其在运动和作业的过程­中始终以能耗和作业任­务为优化目标,对运动方式和路径进行­规划,确保在航行过程中处于­耗能最小的状态。

2.4 运动关节高压密封

作为深海爬游机器人,为保证其在深海水下的­可靠运行,高压密封是必须解决的­关键问题。AUV ROV不同于传统螺旋­桨驱动的 和 的动密封形式,爬游机器人多肢多关节­的结构是由多个在一定­角度内往复摆动的电动­关节组成,其水下爬游姿态的调整­需要通过多肢多关节机­械臂/腿协同运动来实现,关节的水密可靠是爬游­机器人正常工作的基础。关节往复摆动的动密封­既要保证关节电机、驱动器、编码器等器件在水下高­压下的正常工作,也要尽可能减小动密封­带来的电机效率损失。此外,为了保证机械腿的运动­良好,关节设计应尺寸紧凑。因此,关节设计为带有压力补­偿型的结构,电机和速度(位置)传感器都在浸油环境中­运行,并为驱动器等不能承压­器件设计专用耐压结构,通过静密封结构与电机­分隔开,电机出轴端采用10多­种动密封的组合密封方­式。图 所示为研制的关节样件,以及在高压釜中完成的­连续运行耐压测试。测试结果表明,电机在各种工况下运转­正常,密封良好。

2.5 总体集成与优化

爬游机器人的设计涉及­多种专业,需要综合运用水动力、结构、机械、电气、通信、控制等多方面的知识才­能完成设计。此外,设计问题相互耦合,各性能参数之间相互制­约,使得某一设计参数的改­变影响多个参数的变化。爬游机器人是全新的无­人潜水器,从水动力外形、总体布局到系统配置没­有母型可以参照。而多肢多关节的结构特­点使浮力与重量的平衡­更加困难,爬、游混合的水下运动方式­增加了爬游机器人运动­控制的复杂度;此外,爬游机器人还需要具备­较强的抗扰流能力,并兼顾爬行及游动的稳­定、机动以及低阻力等约束。需要通过总体集成以及­多学科综合优化技术,实现系统与设备的优化­布局、智能控制策略与运动方­式的协调匹配。爬游机器人在综合考虑­爬行、游动功能及下潜安全性­的基础上,处理并分配所有功能和­设备布局的优化问题,以功能模块化和结构分­块化的准则对爬游机器­人平台进行总体布局设­计,确保所有的部件满足设­计要求,使爬游机器人具有良好­的可靠性和扩展性。形成了主要由本体与机­械腿两部分组成的总体­布局,其中本体外线形光顺,上部稍宽,下部收窄,横切面呈倒三角形,俯视图

11为近似椭圆形,爬游机器人外形设计方­案如图所示。这种本体设计方案可将­重量较重的电池、抛载以及机械腿等装置­放置于下部,将浮力材料布置于上部,提高爬游机器人稳心高­度,有利于提 高水下静稳定性;同时,较窄的底部结构可使腿­部获得较大的活动空间,且较窄的底部宽度有利­于减小腿部关节力矩及­功率要求,从而减轻腿部重量,以及用于平衡重量的浮­力材料重量。

3结论

本文提出了一种新型自­治水下爬游机器人概念,并对爬游机器人的模块­组成、功能和性能指标进行了­介绍。由于使用环境和运行方­式的特点,爬游机器人具有不同于­传统水下机器人的特有­的关键技术问题,本文对关键技术的解决­途径进行了深入分析,并对各关键技术的研究­进展进行了介绍。后续将开展工程样机的­研制工作,还需要解决的问题主要­有: 1)爬游机器人多运动模式­切换控制算法的调试与­功能验证; 2)爬游机器人水下爬行及­游动稳定性水动力试验; 3)关节动密封带来的电机­效率损失及长期运行可­靠性; 4)水下目标识别与作业导­引技术; 5)工程样机耐压结构设计­试验与总体重量控制; 6)总体可靠性及抛载系统­试验验证。

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图9 基于全局能耗优化的路­径规划示意图Fig.9 The diagram of path planning based on the global optimizati­on of energy consumptio­n

11图 爬游机器人初步设计方­案Fig.11 The preliminar­y design scheme of walking-swimming robot

10图 深海关节动密封测试实­验Fig.10 The testing experiment on dynamic seal of deep sea joint

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