极地探测机器人多翼帆风力直接驱动研究

Antarctic scientific exploration is of great strategic significance in national political territory, military strategy, energy security, climate, the environment, etc. Extremely cold environment, Alpine hypoxia and ice fissure may threaten the life of explorer at any time. The exploration is greatly restricted. Therefore, "robotic" polar exploration is an important development trend. However, robots can't endure much longer because they can just carry a limited number of fuel or batteries. To overcome this bottleneck, a novel wind-driven rover for polar exploration is presented in this proposal. In fact, the wind is "endless, unlimited" resource in the Antarctic. Studies will focus on the multi-wing wind-driven system, autonomous control, and amount of experimental verification. Thus, the constraints of traditional energy sources are eliminated, and the polar exploration robot will be competent for a long time, large-scale scientific exploration in Antarctica. Key support technologies can be obtained for large scope Antarctic scientific exploration.

南极科考在国家政治领土、军事战略、能源安全、气候环境等方面具有重要战略意义，世界各主要国家均在大幅度增加对极地考察和研究的投入。然而，极区环境恶劣，高寒低氧、极端天气等，随时都可能威胁科考人员的生命，极大地制约着人类科考活动的开展，因而机器人化极地科考成为重要发展方向。目前南极机器人应用也比较活跃，但是续航能力仍然大大受限于所携带燃料或电池数量有限的制约，迫切需要探测机器人具有长时间、大范围科考的续航能力。本项目正是为解决大范围续航能力问题，提出多翼帆风力直接驱动，利用南极自然环境中"取之不尽，用之不竭"的风能直接驱动探测机器人，着重研究既能满足机器人科考所需驱动力，又稳定的多翼帆风力直接驱动系统；克服航向与速度强耦合、环境影响因素多等难点问题，实现自主控制；并经充分实验验证，使得机器人具有大时空探测的续航能力。从而，消除传统能源制约，为我国开展大范围、大深度南极科考提供一个新的技术途径。

南极科考在国家政治领土、军事战略、能源安全、气候环境等方面具有重要战略意义。然而，极区环境恶劣，极大地制约着人类科考活动的开展，因而机器人化极地科考成为重要发展方向，但是续航能力仍然大大受限于所携带燃料或电池数量有限的制约。本项目为解决南极恶劣环境中大范围续航能力问题，提出多翼帆风力直接驱动，利用南极自然环境中的风能直接驱动探测机器人，着重研究既能满足机器人科考所需驱动力，又稳定的多翼帆风力直接驱动系统；克服航向与速度强耦合、环境影响因素多等难点问题，围绕翼型优化设计及气动特性、翼帆和多翼帆的数量和分布优化设计及其性能分析、多翼帆机器人自主控制系统、多翼帆风力直接驱动探测机器人实验验证四个方面开展工作，完成了研究计划所提出的研究内容，并取得了一系列研究成果：（1）结合极地环境的要求，提出应用粒子群和遗传相结合的人工智能算法进行优化，得到适用于南极科考的翼型；（2）在流体动力学软件CFD中建模，引入新的设计变量和约束，包括展弦比、弯度、前缘和后缘等翼型控制参数，对翼帆进行优化，得到空气动力学最优的翼帆；（3）在CFD流场中对多翼帆系统的数量及分布特性进行分析，确定了品字形分布的翼帆系统；（4）结合南极科考的环境要求，设计了多翼帆机器人的自主控制系统；（5）多翼帆机器人的实验验证，包括轨迹规划，路径跟踪，避危避障，抗倾覆控制，启动速度，运行速度等实验测试。发表论文11篇，全被SCI或EI收录；授权发明专利3项，受理发明专利5项；培养了4名博士、7名硕士；研究成果“极端环境下机器人探测装备关键技术创新与应用”获上海市技术发明一等奖，项目负责人领衔团队还获得国家技术发明二等奖1项、上海市科技进步一等奖1项。