荒漠多翼帆漫游科考机器人风力驱动及自主控制机理研究

Land desertification causes great damage to land resources, affects vegetation growth and environmental climate, which brings great harm to production and life. Therefore, studying desertification has profound significance for China's economy, politics, climate and environment. However, the harsh climate and environment in the desert greatly restrict the development of human scientific expedition. So robotic becomes an important tool for scientific expedition. At present, the robots used in the desert scientific research are more active, however, most of the robots are powered by fuel or batteries, and the endurance is limited by the energy they carry. Therefore, it is imperative that the robot has a long range and a wide range of scientific research ability. In order to solve the problem of large-scale endurance, this project proposes the desert wind-driven multi-wing sail roaming scientific exploration robot, and utilizes the abundant wind resources in the desert area to directly drive the robot. The project focuses on the driving force required to satisfy the needs of robot, stable multi-wing sail driven system, overcome the difficulty of coupling between heading direction and speed, avoidance danger, obstacles and environmental factors, and realize autonomous control. Finally, the robot is experimentally verified to meet the endurance of long-range exploration, to eliminate the traditional energy constraints, to provide a new technical approach for our country to develop the desert research.

土地荒漠化对土地资源造成极大的破坏，影响植被生长和环境气候，给生产生活带来了很大危害，因此研究荒漠化对我国经济、政治、气候环境等具有深远的意义。然而沙漠恶劣的气候环境严重限制了人类科考的活动，因此机器人科考成为重要工具。目前机器人应用于沙漠的科考研究比较活跃，但是大部分机器人的动力来源于燃料或电池，续航能力受限于所携带的能源，因此迫切需要机器人具有长航程、大范围科考的续航能力。本项目为解决大范围续航能力问题，提出荒漠风力驱动多翼帆漫游科考机器人，利用沙漠地区丰富的风力资源直接驱动机器人。课题重点研究满足机器人科考所需的驱动力，稳定的多翼帆驱动系统，克服速度与航向耦合，避危避障和环境影响因素多等难点问题并实现自主控制。最后对机器人进行实验验证，使其满足长航程探测的续航能力，突破传统能源限制，为我国开展荒漠科考提供一种新的技术途径。

研究荒漠化对我国经济、政治、气候环境等具有深远的意义, 然而沙漠恶劣的气候环境严重限制了人类科考的活动，为此机器人科考成为重要工具。目前用于科考的大部分机器人的动力来源于燃料或电池，续航能力受限于所携带的能源，因此迫切需要机器人具有长航程、大范围科考的续航能力。本项目为解决大范围续航能力问题，提出荒漠风力驱动多翼帆漫游科考机器人，利用沙漠地区丰富的风力资源直接驱动机器人。课题重点研究了机器人多翼帆系统和机器人自主运动控制系统，围绕翼型优化设计、翼型气动性能分析、翼帆数量和分布的设计优化及其气动特性分析、多翼帆机器人运动控制和实验验证开展研究，取得以下成果：.1）针对荒漠地区风力资源的特点，选择采用NACA0018为基本翼型，在此基础上设计并优化，以获取更优的空气动力学性能。.2）针对机器人在荒漠环境中的运动特点，多翼帆系统的设计及优化考虑探测机器人重量及其载荷、行走机构与地面的摩擦系数、避危避障能力等要求，选择4:1小展弦比的翼帆。.3）结合空气动力学特性，多翼帆采用3帆圆形分布的结构，多帆最优间距为3帆气动中心连线构成的等边三角形，边长为0.875m。.4）针对荒漠多翼帆机器人需要克服航向与速度强耦合、环境影响因素多等难点问题，研制了机器人的自主运动控制系统，对于路径规划，运用了GA结合ACO的AGAACO算法；对轨迹跟踪，应用了模糊控制算法。.5）项目设计研制了荒漠多翼帆机器人的实验样机，通过启动风速实验、直线行驶速度测试、曲线运动能力测试以及路径规划和追踪试验，表明多翼帆机器人能在3m/s的风速条件下启动，在13.6m/s的风速下运动速度达到3.33m/s。.项目研究的多翼帆漫游科考机器人，利用风力资源作为动力，突破传统能源限制，满足长航程续航能力的要求，为我国开展荒漠科考提供一种新的技术途径。