图3 机器人工作系统结构框图Fig.3 Block diagram of robot working system

2 动力结构设计

根据警用多用途水下机器人的工作特性，其通常工作于浑浊的浅水水域，水域水底地形复杂多变、能见度不高。往往需要对某些重点地带反复探测和观察。同时，水域内常常伴随着各种暗流和涌动。所有这些都要求机器人的动力系统能提供一个在复杂浅水水域下的多姿态稳定结构。根据其动力布置结构，对称布置了八个动力螺旋桨，且两两对称布置，可利用轴对称线的方式，进行姿态调整。其动力学分析如图4所示。

在垂向推进器驱动设计中，如图4a所示，为了克服单个推进器的反扭矩，采用对称同向旋转设计，即推进器1和推进器3、推进器2和推进器4各成一组。组与组间推进器的桨叶旋向相反，组间推进器旋向相同。同理，水平推进器驱动设计中，推进器5和推进器6、推进器7和推进器8各成一组，如图4b所示。

3 警用多用途水下机器人的实现

为了验证水下机器人驱动系统的设计，制作了原理样机如图1所示。采用了垂向推进器驱动系统与水平向推进器系统结合结构。并于实验室内进行了多个单自由度实验。在前、后运动的实验中，水下机器人可保持稳定的前后运动，而不发生旋转和歪斜，完成了水平推进的单向平稳运动。在垂直于前后运动的左右运动中，水下机器人同样保持了稳定的单向运动。

图4 机器人推进器驱动图（a：垂向推进器驱动图；b：水平推进器驱动图）Fig.4 Illustrative diagram of robot thruster (a. Vertical propelling;b. Horizontal propelling)

在旋转的推进器驱动实验中，水下机器人能在原地完成顺、逆时针的平稳旋转运动，没有发生明显的其他方向的运动，说明了其驱动系统单自由度设计及控制的成功。在水平和垂向驱动的实验中，为了验证水下机器人运动的平稳性，在其主体的斜面放置了石块，在整个实验中，各石块都保持了原状态，这充分说明了其完成各种单自由度运动过程中的平稳性，也再次验证了驱动系统设计的成功。

如图5所示，当浅水水域警用多用途水下机器人处于非平衡状态时，其磁场、加速度和角速度传感器均能在х,y和z三轴方向进行测量，并将其偏差值传送到控制器。控制器根据实时的多传感器测量值，启动相应的推进器，对浅水水域警用多用途水下机器人进行姿态调节，以达到浅水水域警用多用途水下机器人的平衡状态。通过实验和传感器的测量可知，所设计的浅水水域警用多用途水下机器人的测量系统及其驱动控制能对其进行实时和姿态的调节，保证浅水水域警用多用途水下机器人处于稳定的状态中，确保其搭乘的摄像头和打捞装置能稳定“安静”的完成水下任务。

4 小结

由于浅水水域警用多用途水下机器人工作环境的复杂性和未知性，本文针对其水下运动特点，对其驱动系统进行了针对性设计，并对其总体结构和控制系统进行了分析。基于制作的原理样机和实验室实验，验证了驱动系统设计的合理性和有效性。

图5 非平衡（上）/平衡（下）状态下机器人传感器曲线（a：磁场；b：加速度；c：角速度。其中蓝色曲线为х方向分量，橙色曲线为y方向分量，红色曲线为z方向分量）Fig.5 Responding curve of robot sensor in unbalanced (upper)/balanced (bottom) state (a: magnetic field; b: acceleration; c: angular velocity;the blue/orange/red curve representing the measured value on theх/y/zdirection)

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文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0313/550.html

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