外文翻譯--利用旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器盤(pán)旋的新型水下機(jī)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(zhuǎn)推進(jìn)器盤(pán)旋的新型水下機(jī)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(lái)消除這種生物是 危險(xiǎn)和低效的。本文提出了一種新穎的遙控潛水器（ROV）平臺(tái)，對(duì)于機(jī)器人的

2、應(yīng)用，以捕 捉有害的海洋生物。所提出的水下機(jī)器人平臺(tái)有 4 個(gè)可旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)懸停運(yùn)動(dòng)，克服海 流和機(jī)械手的反作用力。提出了設(shè)計(jì)過(guò)程并且基于設(shè)計(jì)的原形進(jìn)行了組裝。完成了動(dòng)態(tài)模型 的推導(dǎo)而且綜合了基于逆推原理的非線(xiàn)性控制器。仿真的結(jié)果表明了懸停運(yùn)動(dòng)，可以保持靜 態(tài)位置和機(jī)器人克服海流運(yùn)動(dòng)方向的可能性。</p><p><b>　?、窠榻B</b></p><p>　　

3、許多移動(dòng)領(lǐng)域的機(jī)器人最近被設(shè)計(jì)為在困難的環(huán)境中開(kāi)展各種任務(wù)。移動(dòng)領(lǐng)域的機(jī)器人 可以幫助工人進(jìn)行危險(xiǎn)的活動(dòng)。水下對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)是比較困難的環(huán)境。各種水下機(jī)器人已經(jīng)</p><p>　　開(kāi)發(fā)進(jìn)行水下的任務(wù)，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(yàn)。 韓國(guó)南部的海岸由于海星面臨相當(dāng)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(dòng)物，阿穆?tīng)柡Ｐ?/p>

4、，如圖（a）所示，對(duì)于貝類(lèi)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(guó)海域不存在自然天敵也是一個(gè)突 出的問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)（UN）和國(guó)際海事組織（IMO）已經(jīng)把還行列為全球有害生物之一。</p><p>　　水產(chǎn)養(yǎng)殖者和潛水員不斷向消滅海星。一個(gè)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(xiàng)工作非常辛苦，而且效率低下。水下

5、工作總是會(huì)有意外的風(fēng)險(xiǎn)和減</p><p>　　壓病。用潛水器潛水中，一個(gè)潛水員利用一個(gè)空氣儲(chǔ)蓄器可以下潛 30-40 分鐘和深達(dá) 20 的 深度。往往一個(gè)水下任務(wù)結(jié)束后，一些潛水員就會(huì)抱怨肌肉骨骼病，皮膚病，和排尿困難的 疾病等。韓國(guó)女子潛水魚(yú)，“Haenyeo，”屏氣潛水者。一個(gè)這樣的潛水員可以在深達(dá) 10 米的</p><p>　　水中通過(guò)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?yàn)槊刻於家磸?fù)潛</p><p>　　水 5-6 小時(shí)[9]。 現(xiàn)有的水下機(jī)器人可以被認(rèn)為是此類(lèi)人物的替代方法，但是該機(jī)器人還沒(méi)有進(jìn)行這類(lèi)工</p><p>　　作的優(yōu)化。大部分小巧的水下機(jī)器人被開(kāi)發(fā)用作檢查工作，他們的負(fù)載較低。執(zhí)行特殊的水 下任務(wù)需要懸停能力。海流和機(jī)械手的反作用力是主要的障礙。機(jī)器人平臺(tái)可以在工作區(qū)內(nèi) 保持運(yùn)動(dòng)和方向，避免這些障礙。坂上先生等使用旋轉(zhuǎn)浮

7、標(biāo)來(lái)控制水下運(yùn)載機(jī)械手。這個(gè)系 統(tǒng)只有一個(gè)自由度。Doniec 等使用了內(nèi)置于機(jī)器人中的移動(dòng)電源來(lái)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(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)器來(lái)同時(shí)保持位置和方向的機(jī)器人平臺(tái)的新穎設(shè)</p><p>　　計(jì)。對(duì)于空間效率，這 4 個(gè)推進(jìn)器位于一個(gè)水平面上；海星捕撈的機(jī)械手或者一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可 以配備在機(jī)器平臺(tái)的底部或者頂部。完成

8、了模型的動(dòng)態(tài)推導(dǎo)，并且控制設(shè)計(jì)是基于非線(xiàn)性系 統(tǒng)。最后，基于設(shè)計(jì)進(jìn)行了機(jī)器人的相關(guān)裝配。</p><p><b>　?、騿?wèn)題定義</b></p><p><b>　　A 工作環(huán)境的情況</b></p><p>　　在韓國(guó)的南部海岸，海星生存的海水平均深度是 30 米，并且貝類(lèi)養(yǎng)殖場(chǎng)的海底相對(duì)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(guò) 2.5 米。 阿穆?tīng)柡Ｐ潜旧淼恼持苄?。它也不能快速移?dòng)，因此它會(huì)經(jīng)常利用海流來(lái)移動(dòng)。</p><p>　　由于它們數(shù)量巨大，因此會(huì)群組式的生存。</p><p><b>　　B 滿(mǎn)足的要求</b></p><p>　　機(jī)器人的寬度必須小于 700mm，長(zhǎng)度要小于

10、1000mm，并且高度要小于 500mm。為了 在沒(méi)有發(fā)射裝置的情況下，可以 2 個(gè)人控制機(jī)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(fù)荷是 5 千克力。最小的游泳速度是 1m/s。機(jī)器人平臺(tái)可以在 工作區(qū)內(nèi)保持運(yùn)動(dòng)和方向，避免水下工作中的海流和機(jī)械手的反作用力。</p><p><b>　?、笃脚_(tái)設(shè)計(jì)</b><

11、;/p><p><b>　　A 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如圖 2 所示，我們提出了一種使用 4 個(gè)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器的新型水下機(jī)器平臺(tái)。這 4 個(gè)推進(jìn)</p><p>　　器可以沿著如圖 2 中的綠線(xiàn)的軸向旋轉(zhuǎn)，并且每?jī)蓚€(gè)推進(jìn)器可以同步旋轉(zhuǎn)。然后，機(jī)器人</p><p>　　平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)空間的 6 個(gè)自由度，如圖 3

12、所示。每一個(gè)推進(jìn)器都可以產(chǎn)生小于 2.2 千克力 的推力。</p><p>　　主體設(shè)計(jì)成框架結(jié)構(gòu)?？蚣苁褂?ABS 聚合物制造而成的，圖中是用藍(lán)色表示的。在這 個(gè)框架的基礎(chǔ)上，裝備上用有機(jī)玻璃做的每個(gè)部分。黃色部分的浮標(biāo)裝在裝置的頂部和底 部，使用高分子聚丙烯（PP）制作的。平臺(tái)上面和下面的對(duì)接機(jī)構(gòu)部分是用來(lái)裝載機(jī)械手</p><p>　　或者其他捕撈海星的裝置。整個(gè)機(jī)器人裝置在 40m

13、 深以?xún)?nèi)，承受 5 bar 壓力內(nèi)是防水的。</p><p><b>　　B 電子與通信</b></p><p>　　表 1 總結(jié)了水下平臺(tái)電子單元的規(guī)格。使用了 12V 和 24V 兩種類(lèi)型的能源供應(yīng)。裝置 通過(guò)基于電腦端的遙控進(jìn)行操作控制。推進(jìn)器的驅(qū)動(dòng)程序和直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序通過(guò) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器板進(jìn)行聯(lián)系。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)基于 CAN 總線(xiàn)進(jìn)行通信。平臺(tái)最后的輸入/輸

14、出</p><p>　?。↖O 超正析象管）串行物理 232 接口信號(hào)轉(zhuǎn)化成串行物理 485 接口信號(hào)，然后通過(guò)外部 PC</p><p><b>　　控制器進(jìn)行通信。</b></p><p>　　這個(gè)機(jī)器人需要 3 個(gè)軸的姿態(tài)控制和關(guān)于目標(biāo)的相對(duì)位置作為實(shí)際的驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗?以由控制者進(jìn)行手動(dòng)控制。感覺(jué)系統(tǒng)由 IMU 慣性測(cè)量單元，測(cè)試下潛深

15、度的測(cè)壓傳感器， 和兩個(gè)照相機(jī)。IMU 的輸出顯示了 3 個(gè)軸的歐拉角，壓力傳感器給出了深度位置。兩個(gè)具 有立體視覺(jué)的攝像機(jī)是為了通過(guò)視覺(jué)伺服算法對(duì)于機(jī)器人的相對(duì)位置進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　C 水下機(jī)器人平臺(tái)的原型</p><p>　　平臺(tái)的原型如圖 4（a）進(jìn)行裝配，在水槽中的工作下潛測(cè)試如圖 4（b）所示。表 2 總 結(jié)了原型的參數(shù)。平臺(tái)在空氣中的總重量是 57.1 千克力。平

16、臺(tái)浮標(biāo)在凈水中的浮力設(shè)置為</p><p>　　57 千克力。整個(gè)機(jī)器人被設(shè)計(jì)成近中性浮力。如果體框架結(jié)構(gòu)是附加于連接推進(jìn)器中心的 對(duì)角線(xiàn)的交叉點(diǎn)上的，那么重心和浮心與最開(kāi)始的體框架架構(gòu)的幾乎一致。如表Ⅱ所示。 非對(duì)角的慣性矩 Ixy,Iyz,Izx,比對(duì)角的要小得多，因?yàn)檎w的形狀是有 3 個(gè)對(duì)稱(chēng)面的。</p><p><b>　?、魟?dòng)力模型</b></p&

17、gt;<p><b>　　A 運(yùn)動(dòng)方程</b></p><p>　　通常來(lái)說(shuō)，在固地參考系中一個(gè) 6 自由度非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)方程如下表述：（1）</p><p>　　Mη是由剛體和附加質(zhì)量組成的慣性矩陣，Cη是由剛體和附加質(zhì)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(biāo)系中 的位置和方向矢量，V 是固定剛體

18、坐標(biāo)系中的線(xiàn)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(jù)推進(jìn)器的位置和方向進(jìn)行定義。Fc 來(lái)源于下列的向量關(guān)系：</p><p>　　其中的 J 是變換矩陣，B 是通過(guò)推進(jìn)器

19、的旋轉(zhuǎn)角度映射相關(guān)矩陣的推力向量。</p><p>　　推力矢量示意有著很高的非線(xiàn)性度，因?yàn)檩斎肟偭康?2 個(gè)輸入，推進(jìn)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　機(jī)器人平臺(tái)的目的是靜止懸停運(yùn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)生了位置和方向上的位移

20、，控制器就會(huì)計(jì) 算合適的輸入和反饋。一個(gè)主要的問(wèn)題是非線(xiàn)性的推力向量映射。有著合適輸出的輸入 不能夠獲取，因?yàn)椋?）式有零列。相似的問(wèn)題在有著四個(gè)傾斜螺旋槳的四軸飛行器和 轉(zhuǎn)向輪式移動(dòng)機(jī)器人的變異問(wèn)題上得到了解決。這篇論文是通過(guò)反推控制方法來(lái)解決零 列的問(wèn)題。</p><p>　　關(guān)于位置和方向錯(cuò)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(shù)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(shù)。用 6 取代（3）和（4），我們可以如下描述輸入向量關(guān)系的導(dǎo) 數(shù)：</p><p>　　其中輸入向量前面的

22、矩陣是滿(mǎn)秩的，并且輸出的結(jié) 果可以通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣得到。</p><p><b>　?、龇抡婺M</b></p><p>　　仿真通過(guò)在第Ⅳ 部分提到的動(dòng)力模型上應(yīng)用位置控制器來(lái)描述機(jī)器平臺(tái)的懸停運(yùn) 動(dòng)，并且海流在整個(gè)系統(tǒng)中被看作是干擾項(xiàng)。仿真參數(shù)，例如增益，在表格Ⅲ 中進(jìn)行 了相關(guān)的總結(jié)。</p><p><b>　　A 海流<

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

24、　下：</b></p><p>　　其中是固地坐標(biāo)系中海流速度關(guān)于 X,Y,Z 坐標(biāo)軸的分量。海流速度 通過(guò)相對(duì)速度關(guān)系[15]包含于動(dòng)力模型中。</p><p>　　B 水下的仿真模擬 在第一個(gè)仿真中，懸停運(yùn)動(dòng)通過(guò)只有側(cè)滑角的海流中測(cè)試。理想的位置和方向矢量</p><p>　　ηd 是，并且側(cè)滑

25、角β是 45°。第二個(gè)仿真是在只有攻角的水下進(jìn)行測(cè)試 的，攻角α的角度是 10°。第一個(gè)仿真的結(jié)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(gè)仿真的結(jié)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(cè)滑角對(duì)于機(jī)器 人

26、控制的影響要大，這是因?yàn)槠交臋C(jī)器人整體。當(dāng)攻角和側(cè)滑角在系統(tǒng)中同時(shí)存在時(shí)， 控制器無(wú)法保持穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　C 在水下保持一個(gè)合適的槳距角 在這個(gè)仿真中，對(duì)于機(jī)器人平臺(tái)關(guān)于合適的槳距角的保持能力在水下進(jìn)行了測(cè)試。</p><p>　　理想的位置和方向矢量 ηd 是，攻角α是 0°，側(cè)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(lái)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(jìn)行精確的調(diào)整。

28、其次，通過(guò)對(duì)比 控制設(shè)計(jì)來(lái)探索合適的魯棒性控制設(shè)計(jì)方法。然后，需要進(jìn)行真實(shí)水下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。捕 捉裝置的設(shè)計(jì)和組裝對(duì)于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)也是非常重要的。</p><p><b>　?、鹘Y(jié)論</b></p><p>　　這篇論文，提出了裝備 4 個(gè)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人平臺(tái)。利用 4 個(gè)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器機(jī)</p><p>　　構(gòu)實(shí)現(xiàn)了懸停的 6 自由度

29、運(yùn)動(dòng)。制造了機(jī)器人的原型，并且進(jìn)行了基本的測(cè)試。提出了 動(dòng)力模型，運(yùn)動(dòng)方程和非線(xiàn)性推力矢量。旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器的高非線(xiàn)性在反推位置控制技術(shù)的 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了其控制。仿真顯示了機(jī)器人防御海流的懸停能力。在仿真的結(jié)果中，每一 組 3 個(gè)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(gè)問(wèn)題可以通過(guò)精密的調(diào)整或者應(yīng)用其他的控制設(shè)計(jì)方法來(lái)解決它。</p><p><b>　　附錄<

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

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