履带式海底观测机器人斜坡转向稳定行驶研究

As the undersea tracked exploration robot drives on the soft seabed sediment, there will be random disturbance affecting on it, unstability problems such as slippage rate, steering deviation and body overturn are likely to occur, especially when it moves fast on slope terrains. So it’s very important to analyze the structural and systematic stability of the multi-body dynamic systems of undersea robot, which means that selecting reasonable structural, moving and control parameters are the effective measures. The project is carried out as follows: First, the wheel-soil interaction model will be built, and the slippage rate of straight moving will be controlled, so the observation robot can achieve steady straight moving in soft bottom environment. Second, slope steering stability of the observation robot will be analyzed, and the quantitative relations between structural parameters, moving parameters and slope steering stability will be studied. Third, when steering on slopes and under the influence of random interference, trajectory-tracking control of the undersea observation robot will be studied, and the active disturbance rejection control(ADRC) algorithms will be established, then systematic stability will be analyzed by using Lyapunov exponent of time series. Last, based on simulation, control method and the validity of structural parameters will be tested, and the physical prototype platform will be built to accomplish wave-flow water tank experiment, so as to verify and perfect theoretical method. .Successful implementation of the project will gain relatively systematic theories and methods to improve the stability of nonlinear systems disturbed by random conditions, and can push the method applied on a wide area.

随机干扰下履带式海底观测机器人在稀软底质环境下快速行驶极易产生滑移、转向偏离、车体倾翻等动力学失稳问题。对海底观测机器人多体动力学系统结构稳定性和系统稳定性进行分析，选取合理的结构参数、行驶参数、控制参数是确保其稳定行驶的有效手段。项目展开如下：首先，建立稀软底质环境下的轮地作用模型，对机器人直线行走打滑率进行控制，实现其稀软底质环境下的稳定直线行走；其次，对机器人斜坡转向稳定性进行分析，研究结构参数、行驶参数与斜坡转向稳定性之间的量化关系；然后，建立随机干扰下观测机器人斜坡转向轨迹跟踪自抗扰控制算法，并基于时间序列的Lyapunov指数法对系统稳定性进行分析；最后，仿真验证控制方法及结构参数的有效性，并搭建物理样机平台完成波流水池试验，完善理论研究。本项目的成功实施将获得一套较为系统的随机干扰下提高非线性系统稳定性的理论与方法，并能推动该理论方法向更广阔的领域应用。

设计出用于稀软底质环境下行走的履带式探测机器人，该机器人行走机构包括可自动调整履带松紧的张紧轮结构，新式履带式行走装置可有效提高稀软底质环境下探测机器人的行走效率。.研究海底稀软底质环境下的土壤特性。在实验室中配置力学特性近似海底沉积物的模拟土壤，搭建土槽试验台，给出牵引力——位移曲线及土壤剪切应力——位移关系，为履带式海底行走机器人稀软底质环境行走提供可靠参数，为实验研究提供参考依据。.对探测机器人斜坡转向状态进行静力学、运动学分析，研究了处于斜坡转向状态的履带式机器人履带轮应力分布规律，在此基础上对机器人转向运动进行了分析，确定出机器人横向瞬时转向中心偏移量、纵向瞬时转向中心偏移量的变化规律，给出斜坡转向的履带轮前后两侧滑移力随转向方位角β及坡度θ的变化曲线。.对水下机器人进行了动力学仿真分析，避免因结构共振而产生机器人运动不平稳问题，有效地提高了水下机器人数据采集和动态控制的准确性和稳定性。对机器人悬挂装置进行了动态分析和设计修改，提出了一种利用U*指数法有效提高机器人固有频率的方法。U*理论最初是用来研究结构内的荷载传递路径，采用U*指数理论对水下机器人内部结构进行刚度分析，并在U*分析的基础上进行了改进设计。改进后的机器人与原始设计相比，改装后的前三个模态频率分别提高了43.5%、40%和48%，而水下机器人重量仅提高了4.6%。.基于Lyapunov指数的非线性系统稳定性分析方法对水下机器人在转向过程中的转向稳定性进行分析，通过含噪声时间序列的Lyapunov指数方法实现了水下机器人转向运动中状态量的稳定性分析。分析出车体参数变化对机器人斜坡转向行走稳定性的影响，为机器人转向行走稳定性的提高提供了理论依据。最后，建立了水下机器人定性仿真分析平台并搭建路面仿真平台，对其行走稳定性进行验证。目前，水下实验部分正在进一步完善。