基于异步控制的两栖机器人地面运动优化研究

Ground Motion Optimization of Amphibious Robots Based on Asynchronous Control

摘要: 本文针对传统两栖机器人在复杂环境中运动方式单一的问题，通过采用理论分析、仿真分析、参数计算、实验研究与验证相结合的方式对波动鳍机器人陆上运动受力、陆上运动稳定性进行分析，提出了一种创新的解决方案。该方案灵感来源于尼罗河魔鬼鱼的长鳍波动模式。为了克服由于机身不稳定而导致的能量消耗增加和控制失衡的问题，我们设计了一种通过异步控制策略调整舵机输出的方法，使得双侧鳍面之间能够维持一个恒定的相位差，进而有效稳定了机器人的姿态。特别是对于缓解因相位不同步引起的俯仰角波动问题上表现尤为突出。实验数据显示，应用这种基于异步控制原理优化后的双边鳍面波相位差调节技术后，确实可以显著降低两栖机器人的俯仰角度变化幅度，证明了该方法的有效性及其在提高两栖机器人适应性和效率方面的潜力。

Abstract: Address the issue of the single movement mode of traditional amphibious robots in complex environments. By combining theoretical analysis, simulation analysis, parameter calculation, experi- mental research and verification, it analyzes the land movement force and stability of the undulating fin robot. An innovative solution is proposed, inspired by the long fin undulation mode of the Nile devil fish. To overcome the problems of increased energy consumption and control imbalance due to unstable fuselage, we designed a method to adjust the output of the servo actuator through an asynchronous control strategy, so that a constant phase difference can be maintained between the undulating fin surfaces, thereby effectively stabilizing the robot’s posture. It is particularly prominent in alleviating the pitch angle fluctuation problem caused by out-of-phase. Experimental data shows that after applying this undulating fin surface wave phase difference adjustment technology optimized based on the asynchronous control principle, it can indeed significantly reduce the variation range of the pitch angle of amphibious robots, proving the effectiveness of this method and its potential in improving the adaptability and efficiency of amphibious robots.

1. 引言

随着机器人控制技术的不断成熟以及材料的突破和发展，人们逐渐将目光由陆地转向海洋这座巨大的资源宝库[1]。而在海洋资源探索的过程中，具备水下行动能力的机器人显得必不可缺，因此，设计一款拥有水陆一体化功能的机器人是非常有必要的。仿生两栖机器人的研发不仅可以为海洋资源开发和环境监测提供有力的支持，还可以在其他领域得到应用，如紧急救援、搜寻任务、军事侦察等[2]。同时近年来两栖机器人也是各国研究者正向工科的科研热点与重点[3]。

当前市面上的两栖机器人种类多样，各类产品可以满足人们许多关于水下与陆地工作的基本需求。但已有的研究多偏重于水下运动[4]的各类控制转换，对于陆地方面对于姿态控制研究较为稀缺，尤其是关于机身俯仰角偏差过大导致的稳定性差、耗能过高等一系列问题并未得有有效解决。因此，基于以上背景，本文基于两栖机器人鳍面采用异步控制与相位差优化的方法，较为显著的减少了机身的俯仰角偏差问题，大大提高了机器人自身的稳定性与能源的可持续性，对两栖机器人的研究发展贡献显著，同时在两栖机器人市场占有率也有积极的促进作用。

2. 研究内容及方法

2.1. 研究内容

本文的研究内容主要涵盖了两栖机器人的推进机理研究、其在复杂环境下的运动模型与仿真，以及样机设计实现和姿态控制实验分析这几个重要方面。首先，在仿生学背景下展开研究。通过深入观察魔鬼鱼鳍面的运动规律，探寻波动鳍行波运动在水下和陆地环境中对机器人的推进原理及规律[5]。这一过程中，充分借鉴生物运动的精妙之处，为机器人的推进机理挖掘提供自然蓝本，为后续设计提供理论依据。其次，依据波动鳍的运动特性构建机器人的鳍面运动模型和机身模型。在模型构建完成后，借助先进的仿真软件对这些部分进行全面且深入地分析。这种基于特性的建模和仿真分析，有助于在虚拟环境中预测机器人的运动表现，提前发现可能存在的问题，优化设计方案。最后，在完成推进机理的模型与仿真研究后，着手制作机器人的各个部分实体。通过精心组装和调试，完成样机的制作，并对其开展深入地调试与研究工作。这一环节将理论研究与实际操作相结合，验证之前研究成果的正确性，为两栖机器人的进一步优化和实际应用奠定坚实基础。

2.2. 研究方法

在魔鬼鱼鳍面的研究基础上，重点探究分析鳍面在陆地上的运动过程，建立出运动学模型，分析其受摩擦力、重力及环境的各影响因素；在SolidWorks建模软件中采用有限元分析的方法[6]将波动鳍部分划分为若干个外沿单元并用矩形支架代替机身，将已建立好的模型导入ADAMS仿真软件中，给定约束条件模拟地面运动情况，分析仿真模型结果验证仿真模型的有效性与可行性；机器人实体部分重点在于鳍面外形尺寸以及预紧参数，同时还包括机体与其他连接部位的结构设计，最后按照模型中的鳍面运动方案进行实验，与仿真设计对比，实现性能状态的迭代调试。

3. 机器人设计方案

本文采用理论分析、模型分析、仿真分析、参数设计、实验研究与验证相结合的技术路线如图1所示。其中理论分析部分包括行波受力分析、总体结构设计分析等，模型及仿真分析包括建立实体模型并导入仿真限制条件中比较模型与理论的符合性，选择合适的参数，最后进行机器实物研究并优化实体参数提出进一步方案设计。

Figure 1. Technical route

图1. 技术路线

3.1. 技术路线图

波动鳍机器人的整个流程分为三个主要部分：左侧部分从波动鳍运动学模型开始，经过模型近似条件分析、波动鳍机器人陆上运动受力分析、陆上运动稳定性分析，最终确定鳍面关键参数；中间部分涉及多仿真环境联合仿真、波动鳍仿真结构建模和多种路面仿真模型，并通过对比分析和仿真分析进行评估；右侧部分则是机器人样机设计，包括机身结构设计、鳍面结构设计、鳍条结构设计、驱动系统设计和控制系统设计，最后进行样机调试和实物试验，同时有结构参数设计指导连接左侧和右侧部分。陆上受力分析如图2所示。

Figure 2. Waveform force analysis

图2. 行波受力分析

3.2. 行波受力分析

图中有一系列红色的圆点，这些圆点通过箭头连接，形成了一条波动的曲线。每个圆点代表一个波峰或波谷，箭头表示波动的方向。在图的底部，有两个水平的箭头，标注为“V_wave”，表示波的传播方向。在波的传播方向上，有一个标注为“λ”的符号，表示波长。图的左侧有一个垂直的坐标轴，标注为“x”，表示波的垂直位移。波的形状是周期性的，呈现出正弦或余弦函数的形态。在图的右上角，有一个标注为“Ground”的标签，表示参考平面。图中的波是在这个参考平面上方传播。整个图通过箭头和标注清晰地展示了波的传播方向、波长和波的形态。

在运动过程中，波动鳍会有多个点与地接触，分别记为x₁、x₂、x₃…,相邻接地点之间的距离用$\Delta x$ 表示，则

$x_3=x_4-\Delta x$ (1)

$x_5=x_4+\Delta x$ (2)

假设鳍波近似为正弦波，则不同的y值可以表示为：

$y_i={\theta }_m\times \sin \left(\omega T+\sigma \right),\left(i=1,2,\cdots \right)$ (3)

波谷点4与点3和点5在时间T时的距离为：

$l_{34}=\sqrt{{\left(\Delta x\right)}^2+{\left(y_3-y_4\right)}^2}$ (4)

$l_{45}=\sqrt{{\left(\Delta x\right)}^2+{\left(y_5-y_4\right)}^2}$ (5)

在时间$T+\Delta t$ 时有

$y_{i\text{'}}={\theta }_m\times \sin \left[\omega \times \left(T+\Delta t\right)+\sigma \right],\left(i=1,2,\cdots \right)$ (6)

此时点4和点3、点5之间的距离为：

$l_{3\text{'}4\text{'}}=\sqrt{{\left(\Delta x\right)}^2+{\left(y_{3\text{'}}-y_{4\text{'}}\right)}^2}$ (7)

$l_{4\text{'}5\text{'}}=\sqrt{{\left(\Delta x\right)}^2+{\left(y_{5\text{'}}-y_{4\text{'}}\right)}^2}$ (8)

3.3. 总体结构设计分析

该机器人的总体结构设计涵盖了四个重要的部分模块。首先是驱动部分，这是机器人运动的关键所在。其主要是依靠STM32F407核心板来实现驱动功能。具体而言，STM32F407核心板能够输出恒定的PWM (脉宽调制)信号，这些信号会被传输至机器人两侧的舵机。两侧各配备了九个舵机，在接收到PWM信号后，它们能够以恒定的相位差进行运转，从而产生行波。这种行波的产生方式构成了机器人独特的驱动模式，使得机器人能够在不同的环境下实现稳定而有效的运动。其次是信息接收模块。在机器人工作的过程中，配置了先进的蓝牙模块。这个蓝牙模块发挥着至关重要的作用，它能够与PS2手柄建立稳定的连接。通过这种连接，机器人可以接收来自PS2手柄的实时信息。这些信息包括但不限于方向指令、速度指令等，操作人员可以通过操作PS2手柄，精准地控制机器人的主要运动，如前进、后退、转向等，极大地提高了机器人操作的便捷性和灵活性。再者是信息传输模块。机器人身上配备了JY61P，它通过USB转TTL的串口模块与PC端建立起紧密的连接。这种连接方式确保了信息传输的稳定性和高效性。JY61P会将机器人自身的各类数据，如加速度、角度等重要信息，实时地传输到PC端。这使得操作人员在PC端就可以对机器人的运行状态有全面而详细地了解，为进一步的分析和控制提供了有力的数据支持。最后是机器供电模块。这个模块包含了稳压电源模块，它具备独特的优势。稳压电源模块能够兼并不同的电压输入，无论输入电压如何波动，它都可以对其进行有效地处理，进而稳定输出恒定电压。这种特性为机器人的各个部件提供了稳定可靠的电力供应，保障了机器人在复杂环境下的持续稳定运行，避免了因电压不稳定而可能导致的各种故障和性能下降问题。总体设计如图3所示。

3.4. 机器模型分析图

该机器模型主要可划分为两个关键部分，即机身主体模型和鳍面模型。在整个模型的构建与分析过程中，我们选择在功能强大的SolidWorks环境里运用有限元分析方法，这一方法能够为模型的精确性和可靠性提供有力保障。对于波动鳍部分而言，我们有着独特的创新性设计思路。具体来讲，计划针对其外沿实施特殊处理，也就是将原本完整的外沿分解成为多个相互独立的外沿单元。这种分解方式并非随意为之，它是基于对机器人运动特性和物理原理的深入理解。波动鳍模型如图4所示。与此同时，在模型结构简化方面，我们采用了一种巧妙的替代方式。即使用矩形支架来替换机器人复杂的机身结构，通过这种方式，不仅大大降低了模型的复杂度，而且更有利于我们聚焦于关键部分的研究。机身结构如图5所示进一步地，这些被分解出来的若干个外沿单元，按照首尾相连的方式有序排列。这种排列方式所形成的结构，能够有效地模拟行波现象。这样的设计有着重要意义，它可以更精准地模拟机器人在实际运行过程中的各种物理特性。这种高度模拟真实情况的模型，为后续深入地分析和优化工作搭建了一个坚实的基础。基于此模型，我们能够更准确地研究机器人在不同工况下的性能表现，比如在不同的负载、速度、环境等条件下，机器人的动力特性、稳定性等关键性能指标的变化情况。进而，这一系列的研究成果将有力地推动机器人结构设计朝着更优化的方向改进，为提高机器人的整体性能和实际应用价值创造有利条件。总体机器结构如图6所示。

Figure 3. Analysis of overall structural design

图3. 总体结构设计分析

Figure 4. Analysis of fin-surface mode

图4. 鳍面模型分析

Figure 5. Analysis of fuselage model

图5. 机身模型分析

Figure 6. Overall machine model

图6. 机器整体模型

4. 两栖机器人整体测试

两栖机器人的总体控制系统设计完毕后，首先打印出已完成建模的机身部分，接着将控制代码输入到STM32F407核心板，以此对机器人展开样机调试。在调试过程中，需重点关注两侧鳍面行波输出的完整性，以及其是否满足恒定相位差输出的要求。同时，机器人上的摄像头要能够准确捕捉路况，并将所获取的图像信息传输至上位机系统，以供实验人员观察或用于后期分析。该机器人的测试环境分为草甸地、砖石地、沙地和浅滩这三类，在每类环境中分别进行三次测量，详细记录机器人的俯仰角状态。最终把实验结果与前期假设的理论极限进行对比，从而为后续试验工作的开展提供宝贵的经验以及明确的优化方向。

5. 总结

当前，水陆两栖机器人技术的研究已成为国际学术界的焦点领域之一[7]，这类机器人主要应用于交通运输、资源勘探及军事等多个方面。其中，具有智能与自主导航能力的波动鳍[8]推进式航行器展现出了执行部分两栖任务的潜力。然而，这些设备在高负载条件下的机动灵活性以及对不同环境(特别是复杂地形)的适应能力上仍存在显著不足，这成为了制约其广泛应用的主要技术瓶颈。因此，针对上述问题进行技术创新和优化显得尤为重要。本文通过模拟尼罗河魔鬼鱼的运动姿态，采用STM32F407作为主控芯片，并使用舵机作为动力单元。基于异步控制方法，对两栖机器人的地面运动进行了优化，有效减小了俯仰角的变化幅度，从而提升了其在复杂陆地环境中的运动性能和稳定性。此外，我们还集成了多种环境检测模块，包括摄像头、压力传感器和温湿度传感器，以实时监测周围环境的变化。通过这些传感器的数据，结合建图算法和路径规划技术，两栖机器人能够自主导航并适应不同的环境条件。同时，系统还支持手动控制模式，以应对特殊情况下的操作需求。这种多传感器融合和多模式控制策略，使得两栖机器人能够在多种复杂环境下高效、稳定地执行任务。

基金项目

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目：波动鳍两栖机器人及其态控制研究(项目编号：S202410214065)。