低噪聲負壓吸附爬壁機器人系統(tǒng)的研究.pdf

1、目前國內(nèi)安全形式嚴峻，安全保障工作得到了國家政府的高度重視，安全部門對適用于城市樓宇危險環(huán)境中執(zhí)行反恐偵察的爬壁機器人提出了緊迫需求。爬壁機器人具有在豎直壁面和倒立天花板上的運動、并攜帶工具執(zhí)行任務的能力，可通過城市建筑物外墻壁潛行到事發(fā)點窗戶附近，通過搭載的偵察系統(tǒng)進行偵察工作，將事發(fā)地點的信息發(fā)送到安全指揮中心，為形勢判斷提供現(xiàn)場依據(jù)，可顯著提高任務執(zhí)行的成功率，有效保障反恐人員的安全。本課題得到國家863計劃項目“面向反恐偵察的微

2、聲爬壁機器人的研究”（項目編號：2005AA4202302）支持，其研究目標是研制一種應用于城市樓宇偵察的小型無線、低噪聲負壓吸附的輪式移動爬壁機器人系統(tǒng)。
　　本文首先對爬壁機器人系統(tǒng)進行建模，機器人運動學問題是機器人運動控制的基礎(chǔ)，吸附過程及穩(wěn)定性分析是影響機器人能否正常工作的重要因素之一。在分析墻壁表面與運動輪接觸應力對爬壁機器人運動影響因素的基礎(chǔ)上，確定機器人運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。通過爬壁機器人吸附條件的理論分析，推導出在豎

3、直墻壁任意位姿下的機器人最小安全負壓工作條件。
　　低噪聲負壓吸附系統(tǒng)的研究是負壓吸附爬壁機器人的研究重點，要求其具有噪聲低、吸附可靠的特點。在分析爬壁機器人噪聲產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，從噪聲源降噪入手，通過對負壓吸附系統(tǒng)的氣動熱力學過程分析，運用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)律的高效率離心風扇。為了適應不同縫隙的墻壁，研制了具有自動密封功能、對墻壁摩擦力小的密封裝置，運用流體動力學相關(guān)理論對密封性能進行分析，

4、推導出密封機構(gòu)泄漏流體的流動狀態(tài)、壓力和流速分布、氣流泄漏量的計算公式。良好的密封能力確保離心風扇工作在低流量、低噪聲的穩(wěn)定壓力場和速度場輸出狀態(tài)。通過降噪原理分析，采取相應的隔音和吸音措施，進一步減小了負壓吸附系統(tǒng)的噪聲，提高了機器人的隱蔽性。
　　基于位姿的負壓控制系統(tǒng)是低噪聲負壓吸附爬壁機器人研究的重要內(nèi)容，本文建立了爬壁機器人的位姿模型，在分析機器人負壓和重力對位姿誤差影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計了帶前饋的位姿復合控制系統(tǒng)，提高了位

5、姿控制的精度；針對爬壁機器人負壓吸附系統(tǒng)的特點，在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，運用鍵圖理論建立了負壓吸附系統(tǒng)鍵圖模型，在研究泄漏量變化引起負壓控制系統(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)計了以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、負壓環(huán)為外環(huán)的雙環(huán)負壓控制系統(tǒng)，以ATmega128為處理器的嵌入式控制系統(tǒng)實現(xiàn)了傳感器信號采集、位姿和負壓控制及無線通訊功能，使負壓吸附系統(tǒng)工作在最小安全負壓，從而達到減小爬壁機器人噪聲的目的。
　　最后搭建了試