基于矢量喷水推进的多微小球形水下机器人的基础研究

The project proposes a small spherical underwater robot using vectorization water-jet as a way of driving mode. The combination of vectorization jet propulsion and spherically symmetric structure can effectively improve the flexibility and maneuverability of underwater robot movement, also it can simplify its hydrodynamic characteristics, and it is easy to simplified computing of the model. The water-jet propulsion system of the new design is direction adjustable, and it is possible to effectively reduce the working noise of the underwater robot and interference on the surrounding underwater environment, and it can improve the stability of the movement of the robot. At the same time, the robot space satellite attitude adjustment technology, using the momentum exchange momentum wheel system to achieve effective control of its attitude within the robot to avoid the problem of the limited degrees of freedom of movement of the balanced wing caused. The main goal of the project is to simplify the development of small spherical underwater robot dynamics modeling, based on fuzzy control and sliding mode control method for the small spherical underwater robots research on the related motion control algorithm and multi-robot coordination control to achieve spherical underwater robot stable motion control and reliable coordination of operations based on the sonar communication spherical underwater robot.

本项目提出一种利用矢量化喷水推进作为驱动方式的微小球形水下机器人。结合矢量化喷水推进以及球形对称结构，能够有效的提高水下机器人的运动灵活性和可操作性，同时能够简化其水动力特性，便于模型的简化计算。全新设计的推进方向可调的喷水推进系统，能够有效地降低水下机器人工作时的噪声以及对周围水底环境的干扰，并可以提高机器人的运动稳定性。同时，该机器人采用空间卫星的姿态调整技术，采用动量交换的方式，利用动量轮系达到从机器人内部对其姿态进行有效的控制，避免了使用平衡翼等造成的运动自由度受限的问题。本项目的主要研究目标为对所开发的微小球形水下机器人进行简化动力学建模，并基于模糊控制和滑模控制等方法针对微小球形水下机器人进行相关的运动控制算法研究和多机器人协调控制研究，以实现球形水下机器人的稳定运动控制和基于声纳通信的多个球形水下机器人的可靠协调作业。

本项目针对濒水区域内机器人隐蔽侦察、生物观测、安防监控等应用场景，研究评测了一种以矢量化喷水推进为驱动的微小型球形水下机器人系统及其应用策略。第一，以环境约束条件和潜在应用场景为背景，研究设计了采用对称球形构型和矢量化喷水推进器的球形水下机器人机电系统。在采用有限元分析工具和机器人学理论进行结构静力学和流体动力学仿真的基础上，探索确定了机器人结构尺寸和喷水推进机构的优化设计方法。第二，针对球形水下机器人的姿态稳定和四自由度运动控制问题，在对海浪冲击效应进行建模分析的基础上，针对机器人系统非线性时变的特性，分别研究探索了采用模糊PID控制和广义预测控制理论进行水下机器人进行四元数空间轨迹规划和运动控制的设计方法。第三，为实现球形水下机器人多体系统对区域内指定运动目标的协作跟踪监测，在构建机器人通信交互网络的基础上，研究探索了采用集中式和分布式架构实现机器人系统信息共享和协同作业的可行性。本项目的研究结果，为进行微小型水下机器人抗压结构和驱动系统设计、研究高鲁棒性水下机器人运动控制策略、构建水下机器人多体协作系统提供了方法基础和理论借鉴，对提升水下机器人系统的智能化作业和复杂环境生存能力具有重要科学意义。