一种六自由度水下机器人
赵泽鹏 魏平 周宏伟 万紫晶
摘 要：为满足探测复杂水下环境情况的需要以及进一步提高水下机器人自动化的程度，研究了基于LabVIEW控制机器人航行的方法以及利用陀螺仪和数字增量PID算法使机器人连续按多个规定航向航行的方法，设计了一款中型遥控/自主水下机器人。对其外形和结构布局进行了规划设计，机器人外形结构和螺旋桨布置方式独特，采用水滴形外壳和矢量推进的方式，水中阻力小，实现高航速、六自由度灵活运动。通过实际验证，证明基于上述研究制得的机器人实体线控操作灵敏度很高，能在较小的偏差范围内按规定航向航行。
关键词：水下机器人；定向航行；陀螺仪；PID
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0059-02
1 引言
我国的水下机器人技术已有二十多年历史，相对于一些发达国家，我国水下机器人起步较晚。水下机器人按特点可分为两类：遥控水下机器人（ROV）和自主水下机器人（AUV）。ROV可操作性强，具备水下作业能力；AUV可在一定范围内进行自主探测，无需人为干预，但很难完成水下作业。笔者研制的这款机器人集合了AUV和ROV的特点，是一种中型的遥控/自主水下机器人（ARV），既能完成自主航行的任务，又具有很强的可操作性。机器前端装有云台，上有声呐、摄像头等探测设备，可用于水下环境监测、勘查，需要时可加装机械臂，进行打捞作业，还可以用在军事上，加装超空泡射枪，用于水下猎雷灭雷和反蛙人。以上的这些应用，都要求机器人具有高航速和多自由度，目前较为成熟的产品中，六自由度水下机器人多为框架式，阻力大，逆流能力差始终无法解决，如常州一粟水下机器人公司八螺旋桨的EDGE系列。笔者设计的机器人为水滴形，减小了兴波阻力和涡流阻力，螺旋桨布置方式特别，提高了航速，以较少的螺旋桨数量实现六自由度功能并且便于稳定水下航行时姿态。
2 结构及运动情况
2.1 结构设计
笔者设计的机器人采用双壳体结构，大大提高了水密性，增加了理论下潜深度，内部容积大，为机器上加装传感器和水下作业设备提供了便利。机器舱前端装有云台，上有声呐和摄像头，用于探测水下的情况。尾部装有十字形的尾鳍，稳定行进的姿态。机器人采用五螺旋桨推进，其中两个螺旋桨与机器人轴线各成45度角布放在艏部，两个矢量螺旋桨放在中部，可与机器人轴线水平或垂直，尾部螺旋桨水平放置。整体布局如图1。
2.2 六自由度的运动
机器人中部的两个螺旋桨为矢量螺旋桨，有两种状态——螺旋桨轴线与机器人轴线平行、螺旋桨轴线与机器人轴线垂直。通过控制不同螺旋桨组合转动，机器人可产生六个自由度的运动——横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇。
（1）横荡：位于艏部的螺旋桨等速反向转动，尾部螺旋桨提供和艏部螺旋桨合力方向相同的力，如图2（a）。（2）纵荡：位于中部的螺旋桨处于平行状态且等速同向转动，如图2（b）。（3）垂荡：位于中部的螺旋桨处于垂直状态且等速同向转动，如图2（c）。（4）横摇：位于中部的螺旋桨处于垂直状态且等速反向转动，如图2（d）。（5）纵摇：位于艏部的螺旋桨等速同向转动，尾部螺旋桨同向等速转动提供和艏部螺旋桨合力方向相同的力，如图2（e）。（6）艏摇：位于中部的螺旋桨处于平行状态且等速反向转动，如图2（f）。
3 各轴位移量和姿态角实时显示功能的实现
笔者制作的机器人加装了AH100B微型航姿参考系统，该系统通过采集传感器的数据，融合kalman滤波，采用三轴加速度计和三轴磁传感器辅助三轴陀螺以及温度补偿的算法技术，测得实时的姿态数据，数据经处理计算得出三轴方向的位移量，通过串口将其传输至操作台，数据显示在人机交互界面，对机器人的位置实时监控，具体处理方法如下：
假设基准坐标系为OXYZ，机器人上的动态坐标系为oxyz。陀螺仪测得的x，y，z轴方向加速度ax，ay，az，y轴方向航向角α，x轴方向横摇角β，z轴方向的纵摇角γ，采用微分思想，计算第i段时间间隔dt中的位移，各段时间位移进行累加。
将动态坐标系转换为基准坐标系——加速度依次进行航向变换、纵摇变换和横摇变换。
依次循环迭代即可得出基准坐标系各轴方向的位移。计算出的位移量和测出的横摇、纵摇、艏摇角度值实时显示在人机交互界面。
4 不同操作模式实现
笔者设计的机器人设置两种操作模式—有线操作模式和定向航行模式，为了实现两种模式，笔者采用一种单片机作为下位机，主要功能为数据计算、与上位机通信、向舵机螺旋桨发送pwm控制信号等，采用LabVIEW作为上位机，主要功能为数据计算、与下位机通信、人机交互等。
笔者采用RS485串口通信方式来实现上位机与下位机的通信，定义了三个帧头，7D、7E和7F，其中7D用于下位机向上位机发送数据，将机器人测得和计算的各轴位移和角度传回；7E用于定向航行时上位机向下位机发送数据，给机器人设定定向航行的时间、航向；7F用于线控时上位机向下位机发送数据，将控制指令传给机器人。定义的字符串及其控制的部位如下：
7D ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
7E ⑦ ⑧
7F ⑨ ⑩
①：横摇角；②：纵摇角；③：航向角；④：X轴位移；⑤：Y轴位移；⑥：Z轴位移；⑦：定向航行时间；⑧：定向航行航向；⑨：左艏部螺旋桨占空；⑩：右艏部螺旋桨占空比；：左中部螺旋桨占空比；：右中部螺旋桨占空比；：尾部螺旋桨占空比；：云台舵机占空比；：左中部舵机占空比；：右中部舵机占空比。
4.1 有线操作模式
当处于有线操作模式时，五个螺旋桨全部工作，可完成六个自由度的运动。根据不同的按键，上位机引用不同的字符向下位机发送相应的数值，从而控制机器人和云台的不同运动。
4.2 定向航行模式
该模式应用了数字PID算法，由于机器人装有十字尾鳍和底部挡板，航行时横摇角很小，加之处于该模式时螺旋桨的分布不便于进行横摇运动，故PID算法只对航向角和纵摇角进行调控，而不对横摇角作用。
应用数字PID增量算法控制自主航行的原理图如图3。
稳定纵摇角也应用上述原理，给定的纵摇角为定值0，达到自主航行时的稳定姿态的目的。
4.3 模式的切换
上位机给操作手柄设置了线控和定向航行的一键切换的按键，方便两种模式的转换。当手柄按钮Z>0，下位机用帧头7F带的字符串，此时机器处于线控模式；當Z<0，下位机用帧头7E带的字符串，此时机器处于定向航行模式。
5 分析验证
笔者对机器人实体主要做了定向航行准确度验证。
笔者规划了两个连续航向（45度转成135度）来验证定向航行的准确度，为测试系统抗干扰能力，在第二个航向人为改变其航向角，结果如图4，机器人的实际航向角基本与规定航向角吻合，受到干扰后，调控较快。
6 结语
笔者制作的这款水下机器人优化了外形，减小了行进的阻力，提高航速。螺旋桨布置方式独特，自由度高达六个，更加灵活。设定了两种航行模式，方便针对不同水下环境进行模式切换，能实时显示水下的位置和姿态，通过大量实验验证，自主航行准确度较高，下一步改进通过位移量设定来控制自主航行时的转向，能够使机器人按连续规定的航迹航行。
参考文献
[1]徐明钊，于海涛，杨春，等.基于陀螺仪和码盘的自主定位机器人系统[J].兵工自动化，2016，35（10）：60-63.
[2]王航宇，王士杰，等.舰载火控原理[M].北京：国防工业出版社，2006.
