两栖多足机器人通讯定位及相关技术研究--毕业设计论文.pdf
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1、删炒剃 分类号: 工学硕士学位论文 密级: 编号: 两栖多足机器人通讯定位 及相关技术研究 硕士研究生: 指导教师: 学位级别: 学科、专业: 所在单位: 论文提交日期: 论文答辩日期: 学位授予单位: 刘德峰 郭黎滨教授 工学硕士 机械制造及其自动化 机电工程学院 2 0 0 8 年2 月 2 0 0 8 年3 月 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本论文来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研 究一。以建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、并具有两栖环境下活动 能力的小型移动机器人平台为目标,对两栖仿多足机器人的机械结构、基 于D S P 的控制系统、水陆两栖环
2、境下通讯及定位系统、定位算法和相关硬 件设计方面做了以下研究: 首先,作者对国内外多足步行仿生机器人的研究情况进行了分析,尤 其是多足机器人的机械结构进行研究,根据两栖多足机器人工作环境的需 要,从仿生设计思想出发,对机器人进行合理的自由度布置。设计出具有 姿态可变、适应水下环境能力强、电机布置结构紧凑的两栖多足机器人机 械样机。 、 针对此机器人的两栖工作环境,提出了两栖多足机器人的总体通讯技 术方案,并分别对陆地及水下两种环境的通讯技术进行研究,分析了常见 的陆地及水下通讯技术的优缺点,得出适用于两栖多足机器人的无线及水 声通讯技术,并提出了相应算法。 从机器人的特点出发,结合分层递阶控制
3、思想,进行了基于 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的通讯系统模块硬件设计,C A N 总线接口模块的软硬件设计, G P S 信号接收系统的软硬件设计等,对系统中的其它模块也作了相应的研 究。 研究了多足机器人的定位技术,提出了基于G P S 的绝对定位技术和基于 码盘的陆地相对定位技术相结合的总体定位方案。并对水下水声通讯技术 进行研究,分别提出了针对G P S 信号处理和水声定位的相应算法。设计出基 本的软硬件结构。 关键词:两栖多足机器人:水声通讯;绝对定位;相对定位;超声波测距 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 A b s t r a c t T h er e s e a r
4、c hi ss u p p o r t e db yp r o j e c to f B i o l o g i c a l l yI n s p i r e dC r a b l i k e d A m p h i b i o u sR o b o tS t u d y w h i c hi sf u n d e db yN S F C ( N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c e F o u n d a t i o no fC h i n a ) I no r d e rt oe s t a b l i s has m a l l s i z e
5、dm o b i l er o b o tw h i c hi s h i g h l ya d a p tt oc o m p l e xt e r r a i n ,h i g h l yr e l i a b l ea n dc a p a b l eo fm o d n gi n a m p h i b i o u se n v i r o n m e n t , t h er e s e a r c h e so nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ,c o n t r o l s y s t e mb a s e do nD S P , a
6、m p h i b i o u sc o m m u n i c a t i o na n dp o s i t i o ns y s t e m , p o s i t i o na l g o r i t h ma n dr e l a t e dh a r d w a r e 。d e s i g na r ep r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n T h e s es t u d i e sa r cp r e s e n t e da sf o l l o w s F i r s t l y , t h i sp a p e
7、ra n a l y s e st h er e s e a r c ho fm u l t i - l e g g e db i o n i cr o b o t sa t h o m ea n da b o a r d ,w h i c h p r i m a r i l y f o c u s e so nt h em e c h a n i c a l d e s i g n A c c o r d i n gt ot h ew o r ke n v i r o n m e n t ,t h eD O F so ft h er o b o t a l ed e s i g n e d
8、a p p r o p r i a t e l yb a s e do nt h et h e o r yo fb i o n i cd e s i g n T h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei s m a d eo u tw h i c he n s u r c st h et r a n s f o r m a b l e g e s t u r e ,s t r o n gu n d e r w a t e r a d a p t a b i l i t ya n dc o m p a c tm o t o ra r r a n g e m
9、 e n to ft h er o b o t C o n s i d e r i n g i t s a m p h i b i o u sw o r k i n ge n v i r o n m e n t ,t h eg e n e r a l c o m m u n i c a t i o ns c h e m eo ft h ea m p h i b i o u sm u l t i l e g g e dr o b o ti sp r o v i d e d ,i n w h i c ht e r r e s t r i a la n ds u b m a r i n ec 呷m
10、u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e d A f t e r a n a l y z i n gt h em e r i t sa n dd r a w b a c k so fa l l k i n d so ft e r r e s t r i a la n d s u b m a r i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ,a l la p p r o p r i a t ec o m m u n i c a t i o ns y s
11、t e m i sp r o v i d e df o rt h er o b o ta sw e l la sc o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m s C o m b i n i n gt h ef e a t u r e so ft h er o b o ta n dm u l t i l e v e lh i e r a r c h i c a lc o n t r o l t h e o r y , t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o
12、n m o d u l eb a s e do n T M S 3 2 0 F 2 8l2 ,h a r d w a r ea n ds o R w a r e 。d e s i g no fC A Nb u sa n do t h e rm o d u l e si s d e s i g n e d I na d d i t i o n ,t h ep o s i t i o ns y s t e mi n t e g r a t i n ga b s o l u t ep o s i t i o nb a s e do n G P Sa n dr e l a t i v ep o s i
13、 t i o nb a s e do nc o d ed i s k si ss u g g e s t e d F u r t h e r m o r e , u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e d ,s u g g e s t i n gr e l a t e d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a l g o r i t h mf o rG P Ss i g n a lp r o c e s sa n da c o u s t i cl o c
14、 a t i o n A l s ot h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r es t u d i e d K e y w o r d s :a m p h i b i o u sm u l t i l e g g e dr o b o t ;a c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ;a b s o l u t e p o s i t i o n ;r e l a t i v ep o s i t i o n ;u l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e
15、 m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导 下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) :型堕圣 日期:哪年3 月6 日 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 仿生学( B i o n i c s ) 是2 0 世纪6 0 年代出现的一门综合性
16、边缘科学,- 它由 生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成,通过学习、模仿、复制 和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制,来改进现有的或创造 新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学将有关生物学原理应用到对工程 系统的研究与设计中,尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动 作用n 1 。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来,向 航空航天、星际探索、军事侦察与攻击、水下地下管道探测与维修、疾病检 查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展,未来的机器人将在 人类不能或难以到达的已知或未知环境里工作。人们要求机器人不仅要适应 原来结构化的、已知的环境,更要
17、适应未来发展中的非结构化的、未知的环 境。除了传统的设计方法,人们也把目光对准了生物界,力求从丰富多彩的 动植物身上获得灵感,将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机 理和控制的研究中,这就是仿生学在机器人科学中的应用睇1 。 相对于其它运动形式的机器人而言,多足机器人的足式运动具有优优越 的灵活性,能适应各种复杂地形,其具备良好的应用价值,不但可以应用于矿 山采矿、消防及营救、建筑施工等行业,还可用于核能工业、星球表面探测、 水下环境考察、水雷排除等特殊作业任务。 本课题来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机械人基础技术研究“ 。 两栖多足多足机器人模仿的生物原形是海蟹,因为海蟹具有良
18、好的海浪、海 流适应性,特别是浅滩冲浪能力和隐蔽性都比较突出。适合在不平底质、岩 石、浅滩、大浪、强海流区域生活、工作,并具有良好的运动性能。我们通 过对仿螃蟹的多足步行机器人的研究,建立一个具有多冗余自由度的八足步 行机器人,它可以在两栖环境下自由行走,并可以携带一些导航设备、传感 器、工具、机械手等,完成一些特定任务,具有广阔的应用前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 开展两栖多足多足机器人研究意义重大: 1 通过对具有两栖活动能力的螃蟹仿生学原理研究,获得适应复杂地形 地貌的高效率多足步行机器人的建模方法; 2 通过对螃蟹的机械结构仿生,为研究高效的两栖多足机器人运动机 理,解决两栖多足机
19、器人在浅海环境中运动的高效性、耐波性等问题,为建 立高效的具有两栖环境运动能力的微小型爬行机器人平台奠定基础; 3 通过对生物体对环境适应能力的研究和分析,建立基于环境适应行为 的智能运动控制策略。对于跟踪国际先进技术,为水下科学考察、海底探矿 等领域的新型机器人的开发打下理论基础9 删。 1 2 国外多足机器人发展概况 1 2 1 国外多足步行机器人研究现状 美国的国防高级研究项目代理部 C D e f e n s e A d v n c , e d R e s e a r c h P r o j e c I s A g e n c y , D A R P A ) 资助了很多以军用目标为 背
20、景的多足仿生机器人研究项目。 在D A R P A 资助下,美国海军与马萨产 品公司和波士顿的东北大学联合进行的一项 研究,针对有海流和涌浪的浅水区域的清除 水雷作业而设计的两类仿生机器人,一种是 仿八目鳗的浮游机器人,另一种是仿龙虾的 多足步行机器人。两种机器人可以相互配 图1 , 1 机器鳗与机器龙虾协 合,完成排雷作业,如图1 1 所示刚。其中机器 作捧雷示意图 鲠进行水域里的探雷作业,而机器龙虾则 在海底进行水雷搜索和引爆的作业。 机器龙虾如图1 2 所示,是一种八足水下 步行机器人。它包括4 x 8 英寸的壳体,壳体由 8 条3 自由度腿驱动,能够浮游与爬行,头部 装有2 个钳子,起
21、到波动控制舵的作用,尾部 图1 2L o b s t e f 机器龙虾 哈尔滨工程大学硕士学位论文 伸出8 英寸长的水流动力控制平面来保持稳定。机器龙虾靠8 条腿行走,每 条腿以3 个关节为基础进行基本的动作,关节的动作采用肌肉型驱动器( 用 形状记忆合金镍钛诺做成的力可恢复型人造肌肉) ,采用基于神经元环路的控 制器来控制。该控制罂采用了一套决定机器龙虾行为的行为库,行为库是基 于国绕决定机器龙虾行动的一组状态变量而组织的命令。同时它也能承载用 于销毁水雷的传感罂和少量炸药。 为了对付岸边的水雷,美国罗克威尔 公司及玲机器人公司在D A R P A 资助下研 制了一种名叫“水下自主行走装置”
22、 ( A u t o n o m o u s L e g g e d U n d e r w a t e r V e h i c l e A L U V ) 的机器人”,如图1 3 所示,它是仿 造蟹的外形制造的,它抗撞击,电子部件 全部包在防水的体腔中,每条足有两个自 由度,决定了它具有两栖运动性能。这种 机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走, 图1 3A L U V 机器蟹“A r i e l ” 迅速通过岸边的浪区。当风浪太大时,它可以将脚埋入泥沙中,通过振动, 甚至可将整个身子都隐藏在泥沙中。A L U V 长约5 6 c m ,重1 0 4 k g ,包括一个 3 1 7 k g 重
23、的压载物。为了携带传感器,它的脚比较大,便于发现目标。当它 遇到水雷时,就把它抓住,然后等待近海登陆艇上的控制中心的命令。一旦 收到信号,这个小东西就会自己爆炸,同时引爆水雷。技术人员还打算使机 器蟹之间可以进行通信联络,从而提高扫雷的效率。 D A R P A 所资助的类似项目还有 R o b o t 系列仿生机器人,它是美国C a s e W e s t c a “ n R e s e r v e U n i v e t s i t y ( C W R ) 学在 美国军方的国防高级研究项目代理部 ( D A R P A ) 、国家宇航局( N A S A ) 海 军研究中心共同资助开发的一
24、种高机动 性仿蟑螂六足步行机器人,该机器人由 微型气缸驱动的2 4 个关节使整个机器 人具有行走和跳越的能力,并能基于力 图1 4 美国仿嶂螂机器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 除了前面提到的以军事应用为目标的多足仿生机器人以外,还有众多的 研究机构从事多足仿生步行机器人的研究。也有一些有代表性的倒子。比如 前面提到的T r I 州型四足步行机器人【州1 4 1 嘲( 如图1 6 所示) 能够以稳定 的方式在不平的地面行走,可以以非接触方式绕过地面上的障碍,能够向任 何方向运动。 新西兰的坎特伯雷大学( U n i v e n i t yo fC a n t e d y ) 在2 0 0 0 年
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