面向地下巷道的偵察機器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、偵察機器人無論是在軍用的戰(zhàn)場偵察、反恐防爆，民用的礦難偵察、工業(yè)事故危險探測等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在當前人本社會的大背景下，以偵察機器人取代人執(zhí)行高危、高難的偵察作業(yè)越來越成為一種趨勢。隨之而來地，對偵察機器人提出了越來越嚴格的實用化和適應(yīng)性要求。
　　針對地下巷道這類屏蔽且有障礙的特殊應(yīng)用場合，偵察機器人面臨著越障和通訊兩大難題，嚴重影響其效能的發(fā)揮，多年來一直是國內(nèi)外的研究熱點。而精密元件、新型電子器件及通訊、控制方式的發(fā)展，

2、使偵察機器人面臨著新的發(fā)展機遇。因此本文以偵察機器人為研究對象，重點探索其面向地下巷道環(huán)境的新型越障和通訊技術(shù)。
　　首先以構(gòu)建新型偵察機器人為目標，提出了輪跳復(fù)合運動的越障方式；并從機器人配置差異化和跳躍效率優(yōu)化的角度出發(fā)，分別研制了彈簧儲能原理和氣動原理兩種類型的跳躍機器人；設(shè)計了五桿跳躍機構(gòu)，并基于該機構(gòu)非線性特性提出了機器人整體非線性彈簧—單質(zhì)量模型，通過動力學(xué)分析得出模型在各階段質(zhì)心的運動規(guī)律，隨后進行了跳躍高度影響因素

3、分析，并將所得結(jié)果用于機器人的參數(shù)設(shè)計、仿真驗證和控制；為克服彈簧儲能機構(gòu)不足，綜合考慮尺寸、重量、效率、成本等因素，采用新型壓縮氣源、微型減壓閥等元件，設(shè)計和實現(xiàn)了一種輕量化、高效且高度可調(diào)控的跳躍機構(gòu)，建立氣動跳躍機構(gòu)模型并針對該氣動模型進行理論分析，得出模型中各耦合參量對跳躍高度的影響規(guī)律，提出了調(diào)節(jié)電磁閥開通時間實現(xiàn)的跳躍高度控制新方法。
　　大范圍且傳播條件受限空間內(nèi)的通訊技術(shù)是偵察機器人信息感知及系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)。在分析

4、偵察機器人通訊具體需求的基礎(chǔ)上，提出了由機器人做節(jié)點組建的移動多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，有機結(jié)合自組織網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞功能和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息獲取功能，以較小的規(guī)模、較低的硬件條件實現(xiàn)主動傳感與協(xié)作通訊。首先建立了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理的機器人自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建合理的多偵察機器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；詳細剖析了機器人自組網(wǎng)的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)；設(shè)計了基于ZigBee芯片CC2430的自組網(wǎng)硬件平臺；并分析了自組網(wǎng)對機器人性能的要求、自組網(wǎng)與機器人的接口問題；

5、為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計和偵察機器人系統(tǒng)的建立提供依據(jù)。
　　機器人的機動性對自組織網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制提出了挑戰(zhàn)，同時也為自動路由維護提供了可能。在分析ZigBee路由協(xié)議的基本原理及實現(xiàn)流程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)標準的機器人自組網(wǎng)基本路由功能；提出了基于機器人節(jié)點間鏈路質(zhì)量的功率優(yōu)化節(jié)能路由建立策略，并進行了相應(yīng)的算法設(shè)計與實現(xiàn)；建立了由機器人運動觸發(fā)的路由被動維護機制，避免了由拓撲變化造成的頻繁路由維護能耗，同時為機器人主動

6、路由修復(fù)提供了控制手段；最后，基于NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬軟件進行自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的仿真，對網(wǎng)絡(luò)性能、路由建立和路由維護算法進行了驗證，為ZigBee協(xié)議的改寫提供了仿真保障。
　　最后，針對地下巷道偵察的具體應(yīng)用環(huán)境，建立自組織網(wǎng)絡(luò)與移動機器人相結(jié)合的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，并通過仿真驗證控制體系結(jié)構(gòu)的合理性，優(yōu)化通訊策略；然后構(gòu)建了地下巷道偵察機器人系統(tǒng)，以研制的兩類微小型跳躍機器人為平臺搭建實驗系統(tǒng)，分別進行了機器人的移動性能實驗和機器人自組網(wǎng)