水下蛇形環境勘測機器人

摘要：本文設計了一種可閉環控制的多功能水中蛇形機器人，主要解決現有無人潛水器不能進行運動姿態調整、續航能力低且功能較為單一的問題。蛇體內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器人運動時的加速度大小和方向、轉向時的角速度和所處的方位，通過Kalman濾波算法對這九軸數據進行融合，可以得出機器人在行進時較為準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行充電;蛇體前端的可伸縮式機械臂、旋轉鉆頭和探照燈，可用于水中作業;蛇體內的無線攝像頭及多種傳感器采集的信息經無線數傳模塊實時傳輸至人機界面，人機界面也可以對蛇體進行遠程控制。通過人機界面與蛇體之間的交互，可以實現自動跟蹤水下物體、顯示蛇體運動路徑、顯示蛇體三維姿態、控制機械臂、圖像化顯示傳感器數據等功能。

引言

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

1 系統總體設計

　　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路舵機控制器、無線攝像頭、直流電機控制器和探照燈;主控制器與人機界面、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了數據的雙向傳輸;舵機控制器可發送16路獨立的PWM波給舵機，以實現對機器人運動姿態的控制，并與十自由度傳感器結合實現了對蛇體的閉環控制。電氣系統整體架構如圖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與iNEMO board的通訊，使用開發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據融合起來，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確的航向角。

2 傳感器應用方式

　　(1)LPS331AP 氣壓計，用于檢測蛇體內部的密閉性，在下水之前，通過人工給蛇體內部增壓到一定值停止，觀察氣壓計的讀數是否在一定時間內大幅度下降，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軸的數據融合得到較為精確的航姿參數：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判斷當前蛇體所處的運動姿態，進而對其進行控制。

　　(3)板載的溫度傳感器可用于測量蛇體內的溫度變換情況。

　　(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傳模塊把開發板搭載的傳感器感知的環境信息以及機器人整體的姿態信息反饋給地面PC控制終端，并實時地把傳感器信息顯示在基于LabView開發的上位機窗口中，同時上位機窗口中可以選擇水蛇運動的模式，包括前行、后退、轉彎、上游、下潛、上浮、下沉、調速等，并把控制指令通過無線數傳模塊傳給主控制板。

3 數據融合的理論推導

　　由加速度計、陀螺儀、磁力計及運算單元構成的航姿參考系統，能夠為蛇形機器人提供航向、橫滾和側翻信息，用來為機器人提供準確可靠的姿態與航行信息，其內部對多傳感器數據進行融合的航姿解算單元為卡爾曼濾波器。

4 方案設計實現

4.1 攝像頭模塊