面向地下巷道的偵察機器人及其關鍵技術研究.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)事故危險探測等領域都有廣泛的應用。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性要求。
　　針對地下巷道這類屏蔽且有障礙的特殊應用場合，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。
　　首先以構建新型偵察機器人為目標，提出了輪跳復合運動的越障方式；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；設計了五桿跳躍機構，并基于該機構非線性特性提出了機器人整體非線性彈簧—單質量模型，通過動力學分析得出模型在各階段質心的運動規(guī)律，隨后進行了跳躍高度影響因素

3、分析，并將所得結果用于機器人的參數設計、仿真驗證和控制；為克服彈簧儲能機構不足，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，設計和實現了一種輕量化、高效且高度可調控的跳躍機構，建立氣動跳躍機構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，提出了調節(jié)電磁閥開通時間實現的跳躍高度控制新方法。
　　大范圍且傳播條件受限空間內的通訊技術是偵察機器人信息感知及系統(tǒng)控制的基礎。在分析

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

5、為網絡協(xié)議的設計和偵察機器人系統(tǒng)的建立提供依據。
　　機器人的機動性對自組織網絡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流程的基礎上，開發(fā)了基于ZigBee技術標準的機器人自組網基本路由功能；提出了基于機器人節(jié)點間鏈路質量的功率優(yōu)化節(jié)能路由建立策略，并進行了相應的算法設計與實現；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、路由修復提供了控制手段；最后，基于NS-2網絡模擬軟件進行自組網體系結構的仿真，對網絡性能、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用環(huán)境，建立自組織網絡與移動機器人相結合的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，并通過仿真驗證控制體系結構的合理性，優(yōu)化通訊策略；然后構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