CN108928450B - 一种多足机器人水下飞行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多足机器人水下飞行方法，其中多足机器人包括主体结构、左侧第一至第三机械足、右侧第一至第三机械足、控制系统、电池组、螺旋桨推进器和滑行板；该多足机器人通过机械足驱动电机旋转使机械足合并组成完整的滑翔翼，在螺旋桨推动器和滑行板的作用下实现行走和水下飞行两种模式的自如切换，并且具有自适应能力，能够自主控制在最优节电模式下工作；该方法具备作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样的优点，在近海平台基座巡检的过程中既可以通过爬行近距离多方位观测，又可以通过水下飞行模式方便的切换作业地点，因此该项目的探索研究对于近海平台巡检具有重要意义。

Description

一种多足机器人水下飞行方法

技术领域

本发明为涉及海洋与航行领域，为一种具有行走和水下飞行双模式切换的多足机器人水下飞行方法。

背景技术

随着我国海洋强国战略的不断推进，对海洋资源的不断开发，海洋石油钻井平台的数量也飞速增长。目前我国正在服役的海洋平台有160多座，其中大约有30％在役的近海平台进入老龄化，对这些平台基座裂纹与腐蚀状态的定期巡检可以在确保安全的情况下延长5-10年服役期，产生高达数十亿元的经济效益。

现有的海洋平台基座巡检一般是依靠潜水员，成本高且安全性较低。传统的遥控水下机器人(ROV)在水中航行，操控方便，且其发展已较为成熟，是目前进行近海平台基座巡检的主要工具，但其效果往往不尽人意。海底地形崎岖不平且环境复杂多变，存在着大量的淤泥、岩石，传统的ROV无法近距离多方位对海底设施进行巡检，由于近海海水能见度低，ROV巡检的准确性不足；在近海浪和流作用剧烈，其运动性能易受影响；近海海底有大量的海洋沉积物和海洋生物，ROV在运动过程中螺旋桨和脐带缆容易被水草等海洋植物缠绕，影响其巡检效果。人们迫切需要一种可以在崎岖的海底、滩涂、淤泥灵活稳定运动的特种机器人来完成近海平台基座的巡检。

相比于传统ROV，以多足爬行为主要运动模式的多足机器人具备紧贴地面运动的能力，可以近距离多方位观察海底平台基座裂纹与腐蚀状态，巡检的准确性有很大提高，且多足机器人机体形状扁平，不易受浪和流的影响。

而多足机器人可以通过同一套机械结构变形实现行走和水下飞行两种模式下的外形转换，螺旋桨推进器和滑行板又进一步控制多足机器人的水下飞行，这样多足机器人可以自如地在海面或海底进行巡检。

发明内容

本发明为一种多足机器人水下飞行方法，该方法分为三个步骤，分别为多足机器人结构设定、多足机器人外形变换和多足机器人水下飞行，多足机器人水下飞行方法的具体步骤如下：

一、多足机器人结构设定：

多足机器人包括主体结构、左侧第一至第三机械足、右侧第一至第三机械足、控制系统、电池组、螺旋桨推进器和滑行板；

主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为多足机器人的主体支撑与连接结构；

多足机器人左右两侧对应的机械足具有相同的基本结构，即每个机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，所有第三足节上都安装有传感器，驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，足节皆由高强度轻质材料构成，第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，第二足节上皆有一个轴孔；第三足节在每个机械足最外侧，与第三驱动电机固定，第三驱动电机的输出轴在水平方向上与第二足节的轴孔串联，第二足节与第二驱动电机固定，第二驱动电机的输出轴在水平方向上与第一足节的水平方向轴孔串联，第一足节的竖直方向轴孔与第一驱动电机串联，第一驱动电机固定在主体结构上；

控制系统安装在主体结构的内部，包括中央处理器、信号接收器和作动器，中央处理器与信号接收器通过无线通讯相连，信号接收器内嵌在作动器上，作动器分别与螺旋桨推进器和滑行板相连；

电池组安装在主体结构的内部，作为电源给多足机器人中的所有驱动电机供电；

螺旋桨推进器，分别安装在多足机器人每一侧的第三机械足的第二足节上；

滑行板包括翼面和四个连杆，安装在多足机器人的主体结构下方，四个连杆分别为两个前推杆和两个后推杆，前推杆安装在翼面前端两侧，后推杆安装在翼面后端两侧；

多足机器人通过主体结构、左侧第一至第三机械足、右侧第一至第三机械足、螺旋桨推进器和滑行板之间的硬件配合与控制系统的软件配合，机电一体化，为下述多足机器人的外形变换和水下飞行提供基础；

二、多足机器人外形变换：

多足机器人有两个运动模式，分别为：行走模式和水下飞行模式；

多足机器人初始外形设定为左侧和右侧第一至第三机械足各自处于展开状态，用于行走模式；当切换成水下飞行模式时，第三驱动电机和第二驱动电机带动对应的输出轴在水平方向上旋转，使得处于行走模式的多足机器人每一侧的第一至第三机械足伸展到水平位置，第一驱动电机带动对应的输出轴在竖直方向上旋转，使前三个机械足并拢到一起形成一个板状结构，板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个机械足上的每一个足节都是对称翼形结构的一部分，对称翼形结构可以减小多足机器人处于水下飞行模式时的阻力；

三、多足机器人水下飞行：

当控制系统的中央处理器发出指令让多足机器人从行走模式切换到水下飞行模式时，控制系统的信号接收器接收到指令并触发作动器，作动器开始动作使得主体结构上的滑行板伸展到最大位置与海底接触，然后螺旋桨推进器开始工作推动多足机器人向前加速滑行，直至多足机器人离开海底开始上升；在向上航行过程中，滑行板的前推杆收缩和后推杆伸展使滑行板产生向上的升力，多足机器人向上爬升，在向下航行过程中，滑行板的前推杆伸展和后推杆收缩使滑行板产生向下的升力，多足机器人向下俯冲；

同时，传感器、控制系统、滑行板和螺旋桨推进器相互协作，根据水下压强与阻力的变化，对处于水下飞行模式中的多足机器人进行自适应控制，使得多足机器人在最佳节电模式下进行工作，达到节能环保的目的，具体实施方法如下：

(1)第三足节上的所有六个传感器感知水下压强与阻力，并将压强与阻力数据通过信号接收器传递给控制系统的中央处理器；

(2)中央处理器对接收到的压强与阻力数据进行加权回归分析；首先中央处理器计算压强与阻力之间的高斯核函数，得出压强与阻力的权重关系，高斯核函数的计算公式如下：

其中p＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆}为水下压强数据集，p₁,p₂,p₃为多足机器人左侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下压强值，p₄,p₅,p₆为多足机器人右侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下压强值，为压强数据集中六个水下压强值的平均值，f＝{f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆}为水下阻力数据集，f₁,f₂,f₃为多足机器人左侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下阻力值，f₄,f₅,f₆为多足机器人右侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下阻力值，为阻力数据集中六个水下阻力值的平均值，k为权重值，exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数，ω为高斯核函数，为和的高斯核函数；

其次，中央处理器进行回归函数计算，得到压强与阻力综合影响因子，压强与阻力综合因子为一个综合考量海上压强与阻力对多足机器人运行状态影响大小的数值，压强与阻力综合影响因子的计算公式如下：

其中p为水下压强数据集，f为水下阻力数据集，为和的高斯核函数，λ为回归系数，一般取0.4～0.8，‖‖₂为二范数运算符，argmin为当函数取得其最小值时所有自变量的集合，z为压强与阻力综合影响因子；

(3)压强与阻力综合影响因子与多足机器人的运行速度之间存在反比关系，中央处理器将压强与阻力综合影响因子通过信号接收器传给滑行板与螺旋桨推进器上的作动器，作动器调整动作来改变多足机器人的速度，使得多足机器人处于最佳节电模式；

并且，多足机器人还能通过左右两个螺旋桨推进器的差速旋转进行方向的调整，最终多足机器人可以进行完整的包括速度控制和方向控制的水下飞行。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例：本发明为一种多足机器人水下飞行方法，该方法分为三个步骤，分别为多足机器人结构设定、多足机器人外形变换和多足机器人水下飞行。

首先对多足机器人进行结构设定。多足机器人包括主体结构、左侧第一至第三机械足、右侧第一至第三机械足、控制系统、电池组、螺旋桨推进器和滑行板。

主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为多足机器人的主体支撑与连接结构，本实施例中，该材料为7075t6铝镁合金，该合金强度高、耐腐蚀，并且具有很好的稳定性，适合在海上这种具有较多变化因素的环境中使用。

多足机器人左右两侧对应的机械足具有相同的基本结构，每个机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，所有第三足节上都安装有传感器，驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，足节皆由高强度轻质材料构成，第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，第二足节上皆有一个轴孔；第三足节在每个机械足最外侧，与第三驱动电机固定，第三驱动电机的输出轴在水平方向上与第二足节的轴孔串联，第二足节与第二驱动电机固定，第二驱动电机的输出轴在水平方向上与第一足节的水平方向轴孔串联，第一足节的竖直方向轴孔与第一驱动电机串联，第一驱动电机固定在主体结构上。

控制系统安装在主体结构的内部，包括中央处理器、信号接收器和作动器，中央处理器与信号接收器通过无线通讯相连，信号接收器内嵌在作动器上，作动器分别与螺旋桨推进器和滑行板相连，中央处理器采用英特尔i5-7000CPU，它有6.0MB的高速缓存，它将指令发送给信号接收器，信号接收器再将指令传递给作动器，使作动器发生动作。

螺旋桨推进器，分别安装在多足机器人每一侧的第三机械足的第二足节上。

滑行板包括翼面和四个连杆，安装在多足机器人的主体结构下方，四个连杆分别为两个前推杆和两个后推杆，前推杆安装在翼面前端两侧，后推杆安装在翼面后端两侧。

电池组采用6s4p高倍率锂电池，为水下机器人定制电池，使用24节9CLGHE4的18640电芯能够达到40a的持续放电不发热，有很好的续航和防水能力，能够电源给多足机器人中的驱动电机供电。

接着，对多足机器人进行外形变换。多足机器人有两个运动模式，分别为：行走模式和水下飞行模式。多足机器人初始外形设定为左侧和右侧第一至第三机械足各自处于展开状态，用于行走模式。通过第三、第二驱动电机带动对应的输出轴在水平方向上旋转，使得处于行走模式的多足机器人每一侧的第一至第三机械足伸展到水平位置，通过第一驱动电机带动对应的输出轴在竖直方向上旋转，使前三个机械足并拢到一起形成一个板状结构，板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个机械足上的每一个足节都是对称翼形结构的一部分，对称翼形结构用于多足机器人的水下飞行模式，从而减小多足机器人处于水下飞行模式时的阻力。

最后多足机器人切换至水下飞行模式进行工作。具体方法为：当控制系统的中央处理器发出指令让多足机器人从行走模式切换到水下飞行模式时，控制系统的信号接收器接收到指令并触发作动器，作动器开始动作使得主体结构上的滑行板伸展到最大位置与海底接触，然后螺旋桨推进器开始工作，使得多足机器人向前加速滑行，直至多足机器人离开海底开始上升；在向上航行过程中，通过滑行板的前推杆收缩和后推杆伸展使滑行板产生向上的升力，使得多足机器人向上爬升，在向下航行过程中，通过滑行板的前推杆伸展和后推杆收缩使滑行板产生向下的升力，使得多足机器人向下俯冲。

同时，还可以根据水下压强与阻力的变化，对处于水下飞行模式中的多足机器人进行自适应控制，使得多足机器人在最佳节电模式下进行工作，达到节能环保的目的，具体实施方法如下：

首先，第三足节上的所有六个传感器感知水下压强与阻力，并将压强与阻力数据通过信号接收器传递给控制系统的中央处理器，中央处理器i5-7000CPU将该数据储存在它的DDR4 2400 4G内存上。其中六个传感器为SIN-P300扩散硅压力变送器传感器，它具有较高的灵敏度与自校正功能，并且不易受外界环境干扰，适合本发明所处海上具有间歇性较大波浪与腐蚀的恶劣工作环境。

紧接着，中央处理器对接收到的压强与阻力数据进行加权回归分析，首先通过计算压强与阻力之间的高斯核函数，得出压强与阻力的权重关系，高斯核函数的计算公式如下：

其中p＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆}为水下压强数据集，p₁,p₂,p₃为多足机器人左侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下压强值，p₄,p₅,p₆为多足机器人右侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下压强值，为压强数据集中六个水下压强值的平均值，f＝{f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆}为水下阻力数据集，f₁,f₂,f₃为多足机器人左侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下阻力值，f₄,f₅,f₆为多足机器人右侧第一至第三机械足第三足节上传感器接收到的水下阻力值，为阻力数据集中六个水下阻力值的平均值，k为权重值，exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数，ω为高斯核函数，为和的高斯核函数；

然后，通过回归函数计算，得到压强与阻力综合影响因子，压强与阻力综合因子为一个综合考量海上压强与阻力对多足机器人运行状态影响大小的数值，压强与阻力综合影响因子的计算公式如下：

其中p为水下压强数据集，f为水下阻力数据集，为和的高斯核函数，λ为回归系数，一般取0.4～0.8，‖‖₂为二范数运算符，argmin为当函数取得其最小值时所有自变量的集合，z为压强与阻力综合影响因子；

最后，压强与阻力综合影响因子与多足机器人的运行速度之间存在反比关系，中央处理器将压强与阻力综合影响因子通过信号接收器传给滑行板与螺旋桨推进器上的作动器，作动器开始调整动作，进而改变多足机器人的速度，使得多足机器人处于最佳节电模式。

同时，该多足机器人还能通过左右两个螺旋桨推进器的差速旋转进行方向的调整进而多足机器人可以进行完整的水下飞行。

本发明的有益成果在于：多足机器人通过控制系统、滑行板和螺旋桨推进器的联合控制，实现行走模式和水下飞行模式的自如切换；同时，第三足节上传感器感知水下压强与阻力，并将压强与阻力数据通过信号接收器传递给控制系统的中央处理器，中央处理器进行回归分析最后将结果传至作动器，这样该多足机器人能够在自适应调节运行速度，达到最佳节电模式，从而具有更好的环保和经济效益。该项目的探索研究对于近海平台巡检具有重要意义。

Claims (1)

1.一种多足机器人水下飞行方法，其特征在于：所述方法分为三个步骤，分别为多足机器人结构设定、多足机器人外形变换和多足机器人水下飞行；

所述多足机器人水下飞行方法的具体步骤如下：

一、多足机器人结构设定：

所述多足机器人包括主体结构、左侧第一至第三机械足、右侧第一至第三机械足、控制系统、电池组、螺旋桨推进器和滑行板；

所述主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为所述多足机器人的主体支撑与连接结构；

所述多足机器人左右两侧对应的所述机械足具有相同的基本结构，即每个所述机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与所述驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，所有所述第三足节上都安装有传感器，所述驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，所述足节皆由所述高强度轻质材料构成，所述第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，所述第二足节上皆有一个轴孔；所述第三足节在每个所述机械足最外侧，与所述第三驱动电机固定，所述第三驱动电机的输出轴在水平方向上与所述第二足节的所述轴孔串联，所述第二足节与所述第二驱动电机固定，所述第二驱动电机的输出轴在水平方向上与所述第一足节的所述水平方向轴孔串联，所述第一足节的所述竖直方向轴孔与所述第一驱动电机串联，所述第一驱动电机固定在所述主体结构上；

所述控制系统安装在所述主体结构的内部，包括中央处理器、信号接收器和作动器，所述中央处理器与所述信号接收器通过无线通讯相连，所述信号接收器内嵌在所述作动器上，所述作动器分别与所述螺旋桨推进器和所述滑行板相连；

所述电池组安装在所述主体结构的内部，作为电源给所述多足机器人中的所有所述驱动电机供电；

所述螺旋桨推进器，分别安装在所述多足机器人每一侧的所述第三机械足的所述第二足节上；

所述滑行板包括翼面和四个连杆，安装在所述多足机器人的所述主体结构下方，所述四个连杆分别为两个前推杆和两个后推杆，所述前推杆安装在所述翼面前端两侧，所述后推杆安装在所述翼面后端两侧；

所述多足机器人通过所述主体结构、所述左侧第一至第三机械足、所述右侧第一至第三机械足、所述螺旋桨推进器和所述滑行板之间的硬件配合与所述控制系统的软件配合，机电一体化，为下述所述多足机器人的外形变换和水下飞行提供基础；

二、多足机器人外形变换：

所述多足机器人有两个运动模式，分别为：行走模式和水下飞行模式；

所述多足机器人初始外形设定为所述左侧和右侧第一至第三机械足各自处于展开状态，用于所述行走模式；当切换成所述水下飞行模式时，所述第三驱动电机和所述第二驱动电机带动对应的所述输出轴在水平方向上旋转，使得处于所述行走模式的所述多足机器人每一侧的所述第一至第三机械足伸展到水平位置，所述第一驱动电机带动对应的所述输出轴在竖直方向上旋转，使前三个所述机械足并拢到一起形成一个板状结构，所述板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个所述机械足上的每一个所述足节都是所述对称翼形结构的一部分，所述对称翼形结构可以减小所述多足机器人处于所述水下飞行模式时的阻力；

三、多足机器人水下飞行：

当所述控制系统的所述中央处理器发出指令让所述多足机器人从所述行走模式切换到所述水下飞行模式时，所述控制系统的所述信号接收器接收到所述指令并触发所述作动器，所述作动器开始动作使得所述主体结构上的所述滑行板伸展到最大位置与海底接触，然后所述螺旋桨推进器开始工作推动所述多足机器人向前加速滑行，直至所述多足机器人离开海底开始上升；在向上航行过程中，所述滑行板的所述前推杆收缩和所述后推杆伸展使所述滑行板产生向上的升力，所述多足机器人向上爬升，在向下航行过程中，所述滑行板的所述前推杆伸展和所述后推杆收缩使所述滑行板产生向下的升力，所述多足机器人向下俯冲；

同时，所述传感器、所述控制系统、所述滑行板和所述螺旋桨推进器相互协作，根据水下压强与阻力的变化，对处于所述水下飞行模式中的所述多足机器人进行自适应控制，使得所述多足机器人在最佳节电模式下进行工作，达到节能环保的目的，具体实施方法如下：

(1)所述第三足节上的所有六个所述传感器感知水下压强与阻力，并将所述压强与阻力数据通过所述信号接收器传递给所述控制系统的所述中央处理器；

(2)所述中央处理器对接收到的所述压强与阻力数据进行加权回归分析；首先所述中央处理器计算所述压强与所述阻力之间的高斯核函数，得出所述压强与所述阻力的权重关系，所述高斯核函数的计算公式如下：

其中p＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆}为所述水下压强数据集，p₁,p₂,p₃为所述多足机器人左侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下压强值，p₄,p₅,p₆为所述多足机器人右侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下压强值，为所述压强数据集中六个所述水下压强值的平均值，f＝{f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆}为所述水下阻力数据集，f₁,f₂,f₃为所述多足机器人左侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下阻力值，f₄,f₅,f₆为所述多足机器人右侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下阻力值，为所述阻力数据集中六个所述水下阻力值的平均值，k为权重值，exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数，ω为所述高斯核函数，为和的所述高斯核函数；

其次，所述中央处理器进行回归函数计算，得到压强与阻力综合影响因子，所述压强与阻力综合因子为一个综合考量海上所述压强与所述阻力对所述多足机器人运行状态影响大小的数值，所述压强与阻力综合影响因子的计算公式如下：

其中p为所述水下压强数据集，f为所述水下阻力数据集，为和的高斯核函数，λ为回归系数，一般取0.4～0.8，‖‖₂为二范数运算符，argmin为当函数取得其最小值时所有自变量的集合，z为所述压强与阻力综合影响因子；

(3)所述压强与阻力综合影响因子与所述多足机器人的运行速度之间存在反比关系，所述中央处理器将所述压强与阻力综合影响因子通过所述信号接收器传给所述滑行板与所述螺旋桨推进器上的所述作动器，所述作动器调整动作来改变所述多足机器人的速度，使得所述多足机器人处于所述最佳节电模式；

并且，所述多足机器人还能通过左右两个所述螺旋桨推进器的差速旋转进行方向的调整，最终所述多足机器人可以进行完整的包括速度控制和方向控制的水下飞行。