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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