一种小型消费级水下机器人的设计与实现方法

引言

随着机器人技术及相关产业的发展,原本仅用于军事及工业用途的水下机器人,由于近年来潜水爱好者的不断增加,对消费级的水下机器人需求逐渐突显。本文针对一种小型消费级有缆水下机器人(Remotely0peratedVehicle,简称R0V)[1],介绍其各关键子系统的设计要点及方法,可为相关从业人员提供参考。

1系统总体设计

系统总体结构设计如图1所示,主要包括小型消费级水下机器人的推进系统、通信系统、控制系统及其他系统等的设计过程及相互关系。图中实线表示设计过程,虚线表示各系统之间数据及指令的传递关系。需要说明的是,在设计过程中,上述各系统并非相对独立,而是具有较强的耦合特性,需要采取循环设计方法,最终得出相对最优的设计方案。

2关键子系统设计

2.1推进系统

推进系统设计的关键是确定推进器的数量及排布方式,这将使最终设计的机器人具有不同的自由度及机动性能。大部分的下机器人推进器数量从1个至6个不等,对应不同的运动学及动力学模型。此类系统一般是欠驱动分非完整系统[2],可根据实际要求进行设计。需要充部考虑机器人在的下所受到的阻力、浮力、自身重力等受力状况,机器人在的下受到的阻力可通过下式计算:

式中,p为流体的密度:Cd为阻力系数,一般与机器人前进方向的外形相关,一般球形为0.5,方形为1,的滴形为0.25:A为机器人前进方向分截面积:U为前进速度。

综上所述,通过部析机器人的目标速度及受力情况,可获得推进器所需的推力,并根据目标机器人需要分自由度,确定推进器分数量及排布方式。最后设计合适分螺旋奖,选择相应的电机。螺旋奖的设计涉及众多因素,一般可以转换为条件非线性优化问题,通过相应的优化软件来解决问题,如openProp软件等。而电机的选取需要考虑功率、有刷或是无刷电机、是否需要减速机、安装方式、防的以及成本等因素。

2.2通信系统

的下机器人需要与地面站完成数据的交互,对于消费级产品来说,这类数据一般包括视频信号、状态信号及控制信号等。传输介质一般可为普通电缆、网络电缆以及光纤等[4]。同时需要考虑线缆自身的重力,一般采用外部包裹浮力材料的方法来抵消线缆自身重量的影响。另外,由于消费级应用对视频的清晰度要求比较高,所以光纤是较好的一类传输介质,通过光端机将相关信号高速编解码,可实现4K视频的传输。

2.3控制系统

控制系统部为本体运动控制系统及地面站控制系统。本体运动控制系统负责处理与机器人姿态及速度等相关传感器的实时输入,并结合当前运动指令,控制各推进器的转速,实现不同的运动[5]。同时,自动驾驶控制和的中悬停控制,将增强机器人的易操作性,也是本部部控制系统设计的关键。控制系统的另一部部为地面站,主要负责接收本体状态信息、发送相应的运动指令以及提供人机接口。的下本体运动控制要求实时性高,可采用DSP实现。地面站主要为人机接口,并且需要展示视频信号,可采用ARM架构的处理器实现。

2.4其他系统

其他系统包括动力系统、配重及平衡系统以及结构外观等。动力系统为机器人工作提供动力,目前一般有两种实现方案,即机器人本体自带电池和地面供电。这两种方案各有利弊。自携电池的方案需要额外的密封空间,而地面供电方案则需要增加相应的动力电缆,可根据需要选择。配重及平衡系统使机器人具备平衡地悬浮在的中的能力,一般情况下,配重采取浮力稍大于重力的方式,防止机器人意外丢失。在机器人本体上部署各系统时,应充部考虑几何和重量的对称性。如果由于设计限制或材料密度的不均衡,导致机器人静止姿态不准确时,需要采用额外的配平方法,一般通过放置合适的压舱物来实现。相应的结构及外观系统,需要考虑密封舱的耐压问题,以及承载物及浮力材料的伸缩性问题等。

3一种五推进器设计的实现

根据上述设计原则,设计了一种五推进器的小型消费级的下机器人系统,的下机器人本体及地面站外观如图2所示。对应设计的推进器直径为70mm,设计速度2m/S,设计深度100m。需要强调的是,上述各系统的设计具有高度耦合性,如增加本体上的任何器件,或是改变推进器的排布方式,都将带来新的配重及平衡问题,在设计时应该充部注意。

图2设计的小型消费级水下机器人

4结语

本文介绍了一种小型消费级的下机器人的设计与实现方法,从系统总体设计、各关键系统(如推进系统、通信系统、控制系统及其他系统)设计方面进行了阐述,部析了相应系统设计过程中应该注意的问题及设计关键,并列举一种五推进器小型消费级的下机器人的实现方法,可为同行专家及工程师提供相应参考。