基于STM32控制器和慣性測量傳感器實現(xiàn)多功能水中蛇形機(jī)器人的設(shè)計

作者：王新懷，李小雙，何偉鍵，黃子明，黃原成，金杰

本文設(shè)計了一種可閉環(huán)控制的多功能水中蛇形機(jī)器人，主要解決現(xiàn)有無人潛水器不能進(jìn)行運動姿態(tài)調(diào)整、續(xù)航能力低且功能較為單一的問題。蛇體內(nèi)部裝有的三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計可用于實時采集蛇形機(jī)器人運動時的加速度大小和方向、轉(zhuǎn)向時的角速度和所處的方位，通過Kalman濾波算法對這九軸數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可以得出機(jī)器人在行進(jìn)時較為準(zhǔn)確的航向角運動檢測和定位功能;蛇體外表面覆蓋有柔性太陽能電池板，可在電池電量不足時浮出水面進(jìn)行充電;蛇體前端的可伸縮式機(jī)械臂、旋轉(zhuǎn)鉆頭和探照燈，可用于水中作業(yè);蛇體內(nèi)的無線攝像頭及多種傳感器采集的信息經(jīng)無線數(shù)傳模塊實時傳輸至人機(jī)界面，人機(jī)界面也可以對蛇體進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。通過人機(jī)界面與蛇體之間的交互，可以實現(xiàn)自動跟蹤水下物體、顯示蛇體運動路徑、顯示蛇體三維姿態(tài)、控制機(jī)械臂、圖像化顯示傳感器數(shù)據(jù)等功能。

引言

在自然界中，生物蛇具有運動方式多變、良好的環(huán)境適應(yīng)性及運動穩(wěn)定性等典型特點，仿生機(jī)械學(xué)中模仿生物蛇的蛇形機(jī)器，它具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特性。蛇形機(jī)器人是一種高冗余度移動機(jī)器人，具有多于確定機(jī)器人空間位置和姿態(tài)所需的自由度，使得它可以摹仿生物蛇的無肢運動，蛇形機(jī)器人的這些特點使得它在復(fù)雜的海洋環(huán)境勘測中具有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事偵察、海底礦藏調(diào)查、輸油管道檢查、鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)檢修、電纜檢查、水下考古、海上養(yǎng)殖及江河水庫的大壩檢查等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

采用STM32作為主控制器，它通過異步串口通訊將控制指令分別傳輸給16路舵機(jī)控制器、無線攝像頭、直流電機(jī)控制器和探照燈;主控制器與人機(jī)界面、十自由度傳感器、電量檢測模塊、溫濕度傳感器組和體外壓力傳感器之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸;舵機(jī)控制器可發(fā)送16路獨立的PWM波給舵機(jī)，以實現(xiàn)對機(jī)器人運動姿態(tài)的控制，并與十自由度傳感器結(jié)合實現(xiàn)了對蛇體的閉環(huán)控制。電氣系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

其次，一個重要的作用便是通過異步串口通訊方式實現(xiàn)與iNEMO board的通訊，使用開發(fā)板板載的慣性測量傳感器，將三軸加速度計、三軸陀螺儀以及由三軸磁力計制作的電子羅盤所得出的數(shù)據(jù)融合起來，通過Kalman濾波算法克服了加速計在運動情況下的角度不穩(wěn)定同時也防止了陀螺儀的累積誤差，從而可得出相對較為準(zhǔn)確的航向角。

2 傳感器應(yīng)用方式

（1）LPS331AP 氣壓計，用于檢測蛇體內(nèi)部的密閉性，在下水之前，通過人工給蛇體內(nèi)部增壓到一定值停止，觀察氣壓計的讀數(shù)是否在一定時間內(nèi)大幅度下降，從而判斷蛇體的密閉性。

（2）LSM303DLHC加速計與磁力計和L3GD20陀螺儀，通過LSM303DLHC三軸加速度計、三軸磁力計以及L3GD20三軸陀螺儀9軸的數(shù)據(jù)融合得到較為精確的航姿參數(shù)：pitch_angular、roll_angular、yaw_angular，并把它們傳送給STM32核心控制板，控制板通過接收的參數(shù)判斷當(dāng)前蛇體所處的運動姿態(tài)，進(jìn)而對其進(jìn)行控制。

（3）板載的溫度傳感器可用于測量蛇體內(nèi)的溫度變換情況。

（4）PH電極傳感器，用于測量水中的PH（實際未使用該傳感器，該項功能作為保留）。

另外一個作用便是通過無線數(shù)傳模塊把開發(fā)板搭載的傳感器感知的環(huán)境信息以及機(jī)器人整體的姿態(tài)信息反饋給地面PC控制終端，并實時地把傳感器信息顯示在基于LabView開發(fā)的上位機(jī)窗口中，同時上位機(jī)窗口中可以選擇水蛇運動的模式，包括前行、后退、轉(zhuǎn)彎、上游、下潛、上浮、下沉、調(diào)速等，并把控制指令通過無線數(shù)傳模塊傳給主控制板。

3 數(shù)據(jù)融合的理論推導(dǎo)

由加速度計、陀螺儀、磁力計及運算單元構(gòu)成的航姿參考系統(tǒng)，能夠為蛇形機(jī)器人提供航向、橫滾和側(cè)翻信息，用來為機(jī)器人提供準(zhǔn)確可靠的姿態(tài)與航行信息，其內(nèi)部對多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

4 方案設(shè)計實現(xiàn)

4.1 攝像頭模塊

攝像頭擬采用usb 2.4G無線攝像頭，獨立于主控制板之外，攝像頭采集的圖像信息直接傳給地面控制終端，由專用接收器接收并顯示在PC上位機(jī)窗口中。

4.2 驅(qū)動關(guān)節(jié)設(shè)計

蛇形機(jī)器人每個關(guān)節(jié)處采用兩個舵機(jī)進(jìn)行正交連接，實現(xiàn)每個關(guān)節(jié)2個自由度的控制，使得蛇形機(jī)器人能夠在三維空間運動，如圖2與圖3所示。

4.3 供電系統(tǒng)

采用11.1V，4000Mah，20C鋰電池組為整個系統(tǒng)供電，為提高機(jī)器人的續(xù)航能力，采用太陽能電池板通過升壓電路對鋰電池進(jìn)行充電，機(jī)器人外殼采用透明材料（取自空飲料瓶），內(nèi)表面覆蓋柔性太陽能電池板，通過多塊柔性太陽能電池板串并聯(lián)可實現(xiàn)對鋰電池12V/2W充電，太陽能電池板對鋰電池充電時，機(jī)器人漂浮在水面上（實際作品未使用太陽能電池板，該項功能保留，待后續(xù)開發(fā)）。

4. 4 人機(jī)界面HMI的開發(fā)

這里使用自動化組態(tài)軟件LabView來開發(fā)蛇形機(jī)器人的人機(jī)界面，其工作流程圖如圖4所示。

5 測試與驗證

5. 1 Maya運動仿真

從整個制作的過程來看，機(jī)器人整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，但是最終還是完成了結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加工與裝配。運動姿態(tài)在Maya軟件上進(jìn)行了仿真測試，為蛇形機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計帶來了方便，如圖9所示。

5. 2 實驗室測試

在Maya軟件上實現(xiàn)了蛇形機(jī)器人的動態(tài)仿真后，在實驗室進(jìn)行了“懸空測試”，驗證所設(shè)計的步態(tài)的可靠性，如圖10所示。

5. 3 下水測試

為了進(jìn)一步驗證步態(tài)設(shè)計的實際可行性以及蛇形機(jī)器人的整體防水性，團(tuán)隊進(jìn)行了一次下水試驗。試驗結(jié)果表明，由于蛇形機(jī)器人自身的重力略小于其所能達(dá)到的最大浮力，蛇形機(jī)器人在水中靜止?fàn)顟B(tài)下可以實現(xiàn)漂浮，與理論計算結(jié)果相符，在水面上的二維蜿蜒步態(tài)運動效果較好，如圖11所示。

6 總結(jié)與展望

6. 1 創(chuàng)新之處

（1）借助于iNEMO board，使得讓原本開環(huán)的蛇形機(jī)器人系統(tǒng)實現(xiàn)了閉環(huán)控制，相比于傳統(tǒng)各類蛇形機(jī)器人的開環(huán)控制有了巨大的突破。

（2）正交連接的舵機(jī)組成的動力結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了機(jī)器人的三維運動，使得運動姿態(tài)更加豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也會更加廣泛。

（3）模塊化的蛇形機(jī)器人骨架設(shè)計思想，使得某一關(guān)節(jié)出現(xiàn)問題時可以進(jìn)行獨立更換。

（4）基于LabView制作的上位機(jī)軟件功能強(qiáng)大，實現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)和指令的實時傳輸以及攝像頭捕捉到的視頻顯示。

6. 2 展望

蛇形機(jī)器人是一種新型的仿生物機(jī)器人，與傳統(tǒng)的輪式或兩足步行式機(jī)器人不同的是，它實現(xiàn)了像蛇一樣的“無肢運動”，是機(jī)器人運動方式的一個突破，具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。

本文設(shè)計的水下蛇形機(jī)器人希望將來能夠在海洋復(fù)雜環(huán)境勘測中得到應(yīng)用，如軍事偵察、海底礦藏調(diào)查、輸油管道檢查、鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)檢修、電纜檢查、水下考古、海上養(yǎng)殖及江河水庫的大壩檢查等領(lǐng)域。

責(zé)任編輯：gt