低噪聲負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人系統(tǒng)的研究.pdf

1、目前國(guó)內(nèi)安全形式嚴(yán)峻，安全保障工作得到了國(guó)家政府的高度重視，安全部門對(duì)適用于城市樓宇危險(xiǎn)環(huán)境中執(zhí)行反恐偵察的爬壁機(jī)器人提出了緊迫需求。爬壁機(jī)器人具有在豎直壁面和倒立天花板上的運(yùn)動(dòng)、并攜帶工具執(zhí)行任務(wù)的能力，可通過(guò)城市建筑物外墻壁潛行到事發(fā)點(diǎn)窗戶附近，通過(guò)搭載的偵察系統(tǒng)進(jìn)行偵察工作，將事發(fā)地點(diǎn)的信息發(fā)送到安全指揮中心，為形勢(shì)判斷提供現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)，可顯著提高任務(wù)執(zhí)行的成功率，有效保障反恐人員的安全。本課題得到國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“面向反恐偵察的微

2、聲爬壁機(jī)器人的研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2005AA4202302）支持，其研究目標(biāo)是研制一種應(yīng)用于城市樓宇偵察的小型無(wú)線、低噪聲負(fù)壓吸附的輪式移動(dòng)爬壁機(jī)器人系統(tǒng)。
　　本文首先對(duì)爬壁機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，吸附過(guò)程及穩(wěn)定性分析是影響機(jī)器人能否正常工作的重要因素之一。在分析墻壁表面與運(yùn)動(dòng)輪接觸應(yīng)力對(duì)爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)影響因素的基礎(chǔ)上，確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)爬壁機(jī)器人吸附條件的理論分析，推導(dǎo)出在豎

3、直墻壁任意位姿下的機(jī)器人最小安全負(fù)壓工作條件。
　　低噪聲負(fù)壓吸附系統(tǒng)的研究是負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人的研究重點(diǎn)，要求其具有噪聲低、吸附可靠的特點(diǎn)。在分析爬壁機(jī)器人噪聲產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，從噪聲源降噪入手，通過(guò)對(duì)負(fù)壓吸附系統(tǒng)的氣動(dòng)熱力學(xué)過(guò)程分析，運(yùn)用CFD方法研制了低噪聲、低轉(zhuǎn)速、流量-壓差特性接近平直規(guī)律的高效率離心風(fēng)扇。為了適應(yīng)不同縫隙的墻壁，研制了具有自動(dòng)密封功能、對(duì)墻壁摩擦力小的密封裝置，運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論對(duì)密封性能進(jìn)行分析，

4、推導(dǎo)出密封機(jī)構(gòu)泄漏流體的流動(dòng)狀態(tài)、壓力和流速分布、氣流泄漏量的計(jì)算公式。良好的密封能力確保離心風(fēng)扇工作在低流量、低噪聲的穩(wěn)定壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)輸出狀態(tài)。通過(guò)降噪原理分析，采取相應(yīng)的隔音和吸音措施，進(jìn)一步減小了負(fù)壓吸附系統(tǒng)的噪聲，提高了機(jī)器人的隱蔽性。
　　基于位姿的負(fù)壓控制系統(tǒng)是低噪聲負(fù)壓吸附爬壁機(jī)器人研究的重要內(nèi)容，本文建立了爬壁機(jī)器人的位姿模型，在分析機(jī)器人負(fù)壓和重力對(duì)位姿誤差影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了帶前饋的位姿復(fù)合控制系統(tǒng)，提高了位

5、姿控制的精度；針對(duì)爬壁機(jī)器人負(fù)壓吸附系統(tǒng)的特點(diǎn)，在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用鍵圖理論建立了負(fù)壓吸附系統(tǒng)鍵圖模型，在研究泄漏量變化引起負(fù)壓控制系統(tǒng)狀態(tài)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，為提高控制性能，采用模糊控制的方法，設(shè)計(jì)了以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、負(fù)壓環(huán)為外環(huán)的雙環(huán)負(fù)壓控制系統(tǒng)，以ATmega128為處理器的嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)采集、位姿和負(fù)壓控制及無(wú)線通訊功能，使負(fù)壓吸附系統(tǒng)工作在最小安全負(fù)壓，從而達(dá)到減小爬壁機(jī)器人噪聲的目的。
　　最后搭建了試