外文翻譯--利用旋轉推進器盤旋的新型水下機器人的發(fā)展（譯文）

1、<p>　　中文3800字，2900單詞，14500英文字符</p><p>　　利用旋轉推進器盤旋的新型水下機器人的發(fā)展</p><p>　　SJ ，SL，JK，JK and TWS</p><p>　　摘要——在水下環(huán)境中，有許多有害的海洋生物，如海星。由潛水員來消除這種生物是 危險和低效的。本文提出了一種新穎的遙控潛水器（ROV）平臺，對于機器人的

2、應用，以捕 捉有害的海洋生物。所提出的水下機器人平臺有 4 個可旋轉推進器來實現(xiàn)懸停運動，克服海 流和機械手的反作用力。提出了設計過程并且基于設計的原形進行了組裝。完成了動態(tài)模型 的推導而且綜合了基于逆推原理的非線性控制器。仿真的結果表明了懸停運動，可以保持靜 態(tài)位置和機器人克服海流運動方向的可能性。</p><p><b>　　Ⅰ介紹</b></p><p>　　

3、許多移動領域的機器人最近被設計為在困難的環(huán)境中開展各種任務。移動領域的機器人 可以幫助工人進行危險的活動。水下對于人類來說是比較困難的環(huán)境。各種水下機器人已經</p><p>　　開發(fā)進行水下的任務，如海洋生態(tài)，深海的勘探，海底的挖掘，以及海底管道的檢驗。 韓國南部的海岸由于海星面臨相當大的麻煩，這是入侵物種而且是驚人的食客。最重要</p><p>　　的是，作為一種非食肉動物，阿穆爾海星

4、，如圖（a）所示，對于貝類造成了顯著破壞。海 星胃口很大，并且有很好的繁殖潛力和再生能力。它在韓國海域不存在自然天敵也是一個突 出的問題。聯(lián)合國（UN）和國際海事組織（IMO）已經把還行列為全球有害生物之一。</p><p>　　水產養(yǎng)殖者和潛水員不斷向消滅海星。一個潛水員一天可以手工采集 100kg 海星，如圖</p><p>　　1（b）所示。然而，這項工作非常辛苦，而且效率低下。水下

5、工作總是會有意外的風險和減</p><p>　　壓病。用潛水器潛水中，一個潛水員利用一個空氣儲蓄器可以下潛 30-40 分鐘和深達 20 的 深度。往往一個水下任務結束后，一些潛水員就會抱怨肌肉骨骼病，皮膚病，和排尿困難的 疾病等。韓國女子潛水魚，“Haenyeo，”屏氣潛水者。一個這樣的潛水員可以在深達 10 米的</p><p>　　水中通過摒住呼吸潛水 1 分鐘。她們都患有慢性頭痛和

6、肌肉骨骼疾病，因為每天都要反復潛</p><p>　　水 5-6 小時[9]。 現(xiàn)有的水下機器人可以被認為是此類人物的替代方法，但是該機器人還沒有進行這類工</p><p>　　作的優(yōu)化。大部分小巧的水下機器人被開發(fā)用作檢查工作，他們的負載較低。執(zhí)行特殊的水 下任務需要懸停能力。海流和機械手的反作用力是主要的障礙。機器人平臺可以在工作區(qū)內 保持運動和方向，避免這些障礙。坂上先生等使用旋轉浮

7、標來控制水下運載機械手。這個系 統(tǒng)只有一個自由度。Doniec 等使用了內置于機器人中的移動電源來控制俯仰角。由于電池重 量的限制它的載荷較低。</p><p>　　本文提出了一種具有 4 個可轉動推進器來同時保持位置和方向的機器人平臺的新穎設</p><p>　　計。對于空間效率，這 4 個推進器位于一個水平面上；海星捕撈的機械手或者一個驅動輪可 以配備在機器平臺的底部或者頂部。完成

8、了模型的動態(tài)推導，并且控制設計是基于非線性系 統(tǒng)。最后，基于設計進行了機器人的相關裝配。</p><p><b>　?、騿栴}定義</b></p><p><b>　　A 工作環(huán)境的情況</b></p><p>　　在韓國的南部海岸，海星生存的海水平均深度是 30 米，并且貝類養(yǎng)殖場的海底相對平</p>&l

9、t;p>　　坦。海流的速度低于 0.5 m/s 并且海水的透光度超過 2.5 米。 阿穆爾海星本身的粘著力很小。它也不能快速移動，因此它會經常利用海流來移動。</p><p>　　由于它們數量巨大，因此會群組式的生存。</p><p><b>　　B 滿足的要求</b></p><p>　　機器人的寬度必須小于 700mm，長度要小于

10、1000mm，并且高度要小于 500mm。為了 在沒有發(fā)射裝置的情況下，可以 2 個人控制機器人，它的重量必須低于 60 千克力</p><p>　?。?kgf=9.8N）。水中的最小負荷是 5 千克力。最小的游泳速度是 1m/s。機器人平臺可以在 工作區(qū)內保持運動和方向，避免水下工作中的海流和機械手的反作用力。</p><p><b>　?、笃脚_設計</b><

11、;/p><p><b>　　A 機構設計</b></p><p>　　如圖 2 所示，我們提出了一種使用 4 個旋轉推進器的新型水下機器平臺。這 4 個推進</p><p>　　器可以沿著如圖 2 中的綠線的軸向旋轉，并且每兩個推進器可以同步旋轉。然后，機器人</p><p>　　平臺可以實現(xiàn)空間的 6 個自由度，如圖 3

12、所示。每一個推進器都可以產生小于 2.2 千克力 的推力。</p><p>　　主體設計成框架結構。框架使用 ABS 聚合物制造而成的，圖中是用藍色表示的。在這 個框架的基礎上，裝備上用有機玻璃做的每個部分。黃色部分的浮標裝在裝置的頂部和底 部，使用高分子聚丙烯（PP）制作的。平臺上面和下面的對接機構部分是用來裝載機械手</p><p>　　或者其他捕撈海星的裝置。整個機器人裝置在 40m

13、 深以內，承受 5 bar 壓力內是防水的。</p><p><b>　　B 電子與通信</b></p><p>　　表 1 總結了水下平臺電子單元的規(guī)格。使用了 12V 和 24V 兩種類型的能源供應。裝置 通過基于電腦端的遙控進行操作控制。推進器的驅動程序和直流伺服電機的驅動程序通過 數模轉換器板進行聯(lián)系。直流電機驅動基于 CAN 總線進行通信。平臺最后的輸入/輸

14、出</p><p>　　（IO 超正析象管）串行物理 232 接口信號轉化成串行物理 485 接口信號，然后通過外部 PC</p><p><b>　　控制器進行通信。</b></p><p>　　這個機器人需要 3 個軸的姿態(tài)控制和關于目標的相對位置作為實際的驅動，因為它可 以由控制者進行手動控制。感覺系統(tǒng)由 IMU 慣性測量單元，測試下潛深

15、度的測壓傳感器， 和兩個照相機。IMU 的輸出顯示了 3 個軸的歐拉角，壓力傳感器給出了深度位置。兩個具 有立體視覺的攝像機是為了通過視覺伺服算法對于機器人的相對位置進行計算。</p><p>　　C 水下機器人平臺的原型</p><p>　　平臺的原型如圖 4（a）進行裝配，在水槽中的工作下潛測試如圖 4（b）所示。表 2 總 結了原型的參數。平臺在空氣中的總重量是 57.1 千克力。平

16、臺浮標在凈水中的浮力設置為</p><p>　　57 千克力。整個機器人被設計成近中性浮力。如果體框架結構是附加于連接推進器中心的 對角線的交叉點上的，那么重心和浮心與最開始的體框架架構的幾乎一致。如表Ⅱ所示。 非對角的慣性矩 Ixy,Iyz,Izx,比對角的要小得多，因為整體的形狀是有 3 個對稱面的。</p><p><b>　?、魟恿δＰ?lt;/b></p&

17、gt;<p><b>　　A 運動方程</b></p><p>　　通常來說，在固地參考系中一個 6 自由度非線性運動方程如下表述：（1）</p><p>　　Mη是由剛體和附加質量組成的慣性矩陣，Cη是由剛體和附加質量組成的科里奧利力 和向心矩陣，gη是重力和浮力，tη是包括推力向量的外力和力矩向量，η是固地坐標系中 的位置和方向矢量，V 是固定剛體

18、坐標系中的線速度和角速度。</p><p>　　B 推力矢量示意圖 額外的力和力矩包括推力和力矩矢量以及干擾的力和力矩矢量，如下：</p><p>　　其中的 fc 是推理和力矩矢量，fe 是干擾因素，例如海流和操縱器的反作用力。推 力和力矩矢量根據推進器的位置和方向進行定義。Fc 來源于下列的向量關系：</p><p>　　其中的 J 是變換矩陣，B 是通過推進器

19、的旋轉角度映射相關矩陣的推力向量。</p><p>　　推力矢量示意有著很高的非線性度，因為輸入總量的 2 個輸入，推進器的角度（θ1，</p><p>　　θ2），包含于推力向量映射矩陣中。</p><p><b>　　Ⅴ控制設計</b></p><p>　　機器人平臺的目的是靜止懸停運動。當發(fā)生了位置和方向上的位移

20、，控制器就會計 算合適的輸入和反饋。一個主要的問題是非線性的推力向量映射。有著合適輸出的輸入 不能夠獲取，因為（3）式有零列。相似的問題在有著四個傾斜螺旋槳的四軸飛行器和 轉向輪式移動機器人的變異問題上得到了解決。這篇論文是通過反推控制方法來解決零 列的問題。</p><p>　　關于位置和方向錯誤的輸入力和力矩如下表示：</p><p>　　其中 e:=η-ηd,K1,K2 是恒定增益矩

21、陣。在用（4）代替（1）后，李亞普諾夫函數如 下定義：</p><p>　　其中。之后反推控制規(guī)律就知道了：</p><p>　　在這里，如果 Q＞0，那么上面的反推控制就可以保證其穩(wěn)定性，如下：</p><p>　　其中λ，γ是正常數。用 6 取代（3）和（4），我們可以如下描述輸入向量關系的導 數：</p><p>　　其中輸入向量前面的

22、矩陣是滿秩的，并且輸出的結 果可以通過轉換矩陣得到。</p><p><b>　　Ⅵ仿真模擬</b></p><p>　　仿真通過在第Ⅳ 部分提到的動力模型上應用位置控制器來描述機器平臺的懸停運 動，并且海流在整個系統(tǒng)中被看作是干擾項。仿真參數，例如增益，在表格Ⅲ 中進行 了相關的總結。</p><p><b>　　A 海流<

23、/b></p><p>　　海流速度的平均速度是通過一階的高斯-馬爾科夫方程生成的。海流速度 Vc 通過 下列的微分方程表示：</p><p>　　其中ω（t）是一個零均值白噪聲系列。速度限制在 0.25 m/s（0.5 海里/小時）。固地 坐標系中的海流速度可以通過在圖 6 中描述的攻角（α）和側滑角（β）得到，來源如</p><p><b>　

24、　下：</b></p><p>　　其中是固地坐標系中海流速度關于 X,Y,Z 坐標軸的分量。海流速度 通過相對速度關系[15]包含于動力模型中。</p><p>　　B 水下的仿真模擬 在第一個仿真中，懸停運動通過只有側滑角的海流中測試。理想的位置和方向矢量</p><p>　　ηd 是，并且側滑

25、角β是 45°。第二個仿真是在只有攻角的水下進行測試 的，攻角α的角度是 10°。第一個仿真的結果在下面的圖 7 中（a-c）：其中（a）是 X 軸</p><p>　　位置，（b）是 Y 軸位置，（c）是偏航角。第二個仿真的結果如圖 7 中的（d-f）所示：</p><p>　　其中（d）是 Z 軸位置，（e）是橫搖角，（f）是槳距角。海流的攻角比側滑角對于機器 人

26、控制的影響要大，這是因為平滑的機器人整體。當攻角和側滑角在系統(tǒng)中同時存在時， 控制器無法保持穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　C 在水下保持一個合適的槳距角 在這個仿真中，對于機器人平臺關于合適的槳距角的保持能力在水下進行了測試。</p><p>　　理想的位置和方向矢量 ηd 是，攻角α是 0°，側滑角β是 0°。

27、槳距角被很</p><p>　　好的控制，如圖 8 中的（a），并且橫搖角也是穩(wěn)定的，如圖 8 中的（b）。然而，X,Y 和</p><p>　　Z 軸的位置，以及偏航角不是穩(wěn)定的狀態(tài)。</p><p><b>　　D 未來的工作</b></p><p>　　首先，為了完成穩(wěn)定的 6 自由度位置控制，需要進行精確的調整。

28、其次，通過對比 控制設計來探索合適的魯棒性控制設計方法。然后，需要進行真實水下的實驗測試。捕 捉裝置的設計和組裝對于實現(xiàn)實驗的主要目標也是非常重要的。</p><p><b>　?、鹘Y論</b></p><p>　　這篇論文，提出了裝備 4 個旋轉推進器的水下機器人平臺。利用 4 個旋轉推進器機</p><p>　　構實現(xiàn)了懸停的 6 自由度

29、運動。制造了機器人的原型，并且進行了基本的測試。提出了 動力模型，運動方程和非線性推力矢量。旋轉推進器的高非線性在反推位置控制技術的 基礎上實現(xiàn)了其控制。仿真顯示了機器人防御海流的懸停能力。在仿真的結果中，每一 組 3 個自由度組合都很好的被控制，但是整體的 6 自由度的控制仍然不是很穩(wěn)定。我們 希望這個問題可以通過精密的調整或者應用其他的控制設計方法來解決它。</p><p><b>　　附錄<

30、/b></p><p>　　第Ⅳ 部分的推進器矢量映射矩陣如下表示：</p><p>　　其中 l 是機器人的長度，d 是機器人的寬度，θ1，θ2是旋轉角度。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Sutoh M., Nagaoka K., Nagatani K., Yoshi

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