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南京兰江水处理设备有限公司
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水下推流器
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水下推流器由潜水电机、减速机、螺旋推进叶轮、密封机构、手摇卷扬机构、电气控制等部分构成。螺旋叶轮在电机和减速机驱动下低速旋转，产生大体积流场，应用大体积流动模式来得到快速的受控流体输送，同时环流模式确保了全部容池内的液体都能反复通过混合区。潜水低速推流器 QJB1.5/4-
水下推流器用途& & 用于生物处理池中进行低速搅拌，以使池中泥水充分混合又不致产生充氧作用。潜水推流器技术性能潜水推流器转动平衡自如，保证无卡死，停滞，振动等现象；潜水推流器出厂前作密封气压实验实验压力为，历时分钟无泄漏现象；潜水推流器采用双机械密封结构和唇形密封组织，机械密封保证在小时内可靠运行而不需更换；潜水推流器引出电缆采用中型橡套软电缆或性能相同的其它电缆，单台标准配置长度，电缆密封头采用特殊硫化处理以防电缆外皮破损，渗水至电机；潜水推流器机表面喷涂防腐漆，其表面光亮，无污损，碰伤，裂痕等现象；电机壳体的底漆为环氧树脂，面为氯化橡胶涂料；油室内设有密封泄漏保护装置；引出电缆中双色线（黄绿）规定为接地线，联接可靠。接地标志明显，在使用期内不易磨灭；桨叶及转子采用动平衡试验，平衡精度为；可沿水平方向在°范围内旋转，任意调整推流角度。QJB型低速水下推流器结构设计接线盒接线盒与周围液体、电机部分完全密封隔离；冷却：电机定子由周围的液体冷却。齿轮采用行星齿轮传动，以降低叶轮转速。潜水推流器叶片叶片为双香蕉形，用铝合金浇铸，有效防止了叶片的断裂问题；叶片进口边向后弯曲，具有永久自动清洗性能；用锁紧螺母紧固在轴上，在起吊维修时，容易拆卸更换。潜水推流器电机采用全淹没式鼠笼型感应电机，潜水电机绕组的绝缘等级为等级，防护等级。每分钟最大转速不超过转。电机能连续运转，每小时至少能起动次，而不引起任何有害影响。潜水推流器油室润滑并冷却密封装置，轴承座及减速箱与电机和液体之间，油室起着减震和消音的作用，必要时可埋置一个气囊装置以减少和降低油室内的压力上升。潜水推流器轴承电机轴由两个轴承支承，支承轴承为双列球轴承；而主轴承为双列球面滚子轴承；叶轮轴由一个双列角接触球轴承和一个圆柱滚子轴承支撑；搅拌器轴承的运行寿命大于小时。潜水推流器轴密封搅拌机有两个机械密封和一个唇形密封组成。密封装置材料：碳化钨碳化钨。潜水推流器机械密封每个轮轴配备串联式双层独立的旋转轴机械密封系统，密封装置在一只油箱内运行。机械密封设计寿命大于小时。潜水推流器监测系统定子绕组中装有两个热敏开关，热敏开关在℃动作，正常情况下，电机的温度不超过℃。控制系统控制箱可实现设备的自保护，具有过热、过流和泄漏保护功能，可预留接口。水下推流器材料外壳铸铁叶轮复合聚胺酯主轴不锈钢机械密封碳化钨碳化钨导杆不锈钢起吊支架不锈钢提升钢索不锈钢静密封材料丁晴橡胶紧固件不锈钢水下推流器配套范围装配完整的水下推进器：※潜水电机※全套提升装置、导杆、支架、钢丝绳等※米水下电缆、电缆夹、接线盒※所有连接附件、地脚螺栓※控制箱潜水推流器使用寿命& & 潜水搅拌机在规定的条件下，首次故障前平均运行时间不小于小时，整机使用寿命不小于年。制造标准中华人民共和国城镇建设行业标准潜水搅拌机标准号：潜水推流器&潜水低速推流器 QJB1.5/4-一、QJB型潜水搅拌机的工作原理：& & &经驱动旋转的叶轮，搅动液体产生旋向射流和轴向推流，形成的射流，利用沿着射流表面的剪切力来进行混合，使流场以外的液体通过摩擦产生搅拌作用；形成的推流，利用轴向推力将受控流体向前输送。在旋向射流和轴向推流共同混合、搅拌和推流作用下，形成体积流，应用大体积的流动模式获得必要的水体流速和需要的工艺流场。二、QJB型潜水搅拌机的结构：& & QJB型潜水搅拌机主要由潜水电机、密封机构、叶轮、导流罩、手摇葫芦、电气控制等部分构成。搅拌叶轮在电机驱动下旋转搅拌液体,使之产生旋向射流,并利用沿着射流表面的剪切应力来进行混合,使流场以外的液体通过摩擦产生搅拌作用,在极度混合的同时,形成体积流,应用大体积流动模式得到受控流体的输送。潜水搅拌机结构图：&&三、QJB型潜水搅拌机特点：1、QJB型潜水搅拌机结构紧凑、操作维护简单、安装检修方便、使用寿命长。2、QJB型潜水搅拌机叶轮具有最佳的水力设计结构，工作效率高，后掠式叶片具有自洁功能可防杂物缠绕、堵塞。3、QJB型潜水搅拌机与曝气系统混合使用可使能耗大幅度降低，充氧量明显提高，有效防止沉淀。4、QJB型潜水搅拌机电机绕组绝缘等级为F级，防护等级为IP68,选用进口轴承和独有专利的电机防凝露装置，使电机的工作更加安全可靠。5、QJB型潜水搅拌机有两道机械密封，材质为碳化钨－碳化钨，所有外露紧固件均为不锈钢。6、根据工艺要求，直联式QJB型潜水搅拌机可配用导流罩。7、QJB型潜水搅拌机的不锈钢、碳钢精铸焊接叶桨，经优化设计叶片呈后掠式，效率高，具有自洁功能。8、QJB型潜水搅拌机内部设有泄漏传感器和定子绕组超温保护报警装置。9、混合搅拌系列产品选用多级电机，采用直联式结构，能耗低，效率高；叶轮通过精铸或冲压成型，精度高，推力大，外型美观流畅，结构紧凑。四、低速潜流推进器 QJB型潜水推流器 【潜水搅拌机】&QJB型潜水搅拌机简介：& & &南京兰江水处理设备制造有限公司专业生产销售的QJB型潜水搅拌机适用于污水处理厂的工艺流程中推进搅拌含有悬浮物的污水、稀泥浆、工业过程液体等，创建水流，加强搅拌功能，防止污泥沉淀及产生死角，是市政和工业污水处理工艺流程上的重要设备，在水处理工艺流程中，可实现生化过程中固液二相和固液气三相的均质，流动的工艺要求。& & QJB型潜水搅拌机由潜水电机、叶桨和安装系统等组成。根据传动方式的不同，潜水搅拌机可分为：混合搅拌和低速推流两大系列。 混合搅拌系列产品常选用多级电机，采用直联式结构，它与传统相比，具有结构紧凑、能耗低、效率高、便于维便于维护保养等优点。叶轮制造精度高、推力大。QJB型潜水搅拌机系列产品适用于需要固液搅拌、混合的场合。五、南京兰江QJB型潜水搅拌机市场特性：& & &为适应多样化市场，满足用户对配置和价位不一样的需求，搅拌、推流设备实现“市场细分，技术细分，配置细分"的差异化方案。即将市场细分为高端和一般；南京兰江QJB型潜水搅拌机分为9000系列和6000系列；南京兰江QJB型潜水搅拌机配置分为高级和专用。9000系列产品配置高档机械密封、高档轴承、玻璃钢叶轮、V锥吸振式耦合座等高质量配件，实现高可靠性、高性价比、高使用寿命的高品质要求，满足高端市场用户高档次、高价位的需求，并替代进口；6000系列产品配置专用机械密封、专用轴承、不锈钢叶轮、通用耦合座等专用配件，实现超越市场同类产品性能和质量的要求，满足一般市场用户可靠、耐用和普通价位的需求。六、QJB型潜水搅拌机用途及适用范围：& & &混合搅拌系列潜水搅拌机适用于各种水处理。工艺和工业流程需要保持固、液二相或固、液、气三相介质均匀混合反应的场所。QJB型潜水搅拌机　1、污水(废水)/活性污泥的混合2、控制浓缩污泥分离3、酸、碱中和及PH值调整工艺4、防止颗粒在池壁和池底的凝结和沉淀5、提高传热系统的效率潜水搅拌机在下列条件下应能正常连续运行：1、最高介质温度不超过40℃2、介质的PH值在5-93、介质密度不超过115KG/M^34、长期潜水运行，潜水深度一般不超过20米5、流速不低于0.15m/s&特别提示:潜水搅拌机必须完全潜入水中工作，不能在易燃易爆和强腐蚀性及高温的环境中工作。钢膨胀螺栓须按要求固定，安装完毕后，必须将电缆拉紧固定好。针对特殊环境下的要求，我公司可为用户提供特殊设计。七、QJB型潜水搅拌机型号意义：&八、QJB潜水搅拌机性能参数表：注：是否配导流罩，由水处理工艺决定。在上表混合搅拌系列中，“重量"一列所标的两个数字分别表示不带导流罩和带导流罩的重量；以上规格型号为常规产，但不局限于上表，可为客户拓展设计新的或含特殊要求的搅拌机。九、QJB型潜水搅拌机选型注意事项：& & &潜水搅拌机的选型是一项比较复杂的工作，选型的正确与否直接影响设备的正常使用，作为选型的原则就是要让潜水搅拌机在适合的容积里发挥充分的搅拌功能，一般可用流速来确定。根据污水处理厂不同的工艺要求，潜水搅拌机最佳流速应保证在0.15~0.3m/s之间,如果低于0.15m/s的流速则达不到推流搅拌效果,超过0.3m/s的流速则会影响工艺效果且造成浪费。所以在选型前首先确定QJB潜水搅拌机运用的场所，如：污水池、污泥池、生化池；其次是介质的参数，如：悬浮物含量、粘度、温度、PH值；还有水池的形状、水深甚至安装方式等都对选型产生影响，同时还应考虑到节能因素，因为这将影响到用户今后的运行成本。可参考下面的潜水搅拌机流场图。为保证潜水搅拌机取得最佳效果，请使用方提供如下资料：1、运用目的2、池型3、池尺寸4、介质特性包括粘度、密度、固体物含量等。潜水搅拌机所需要的配套功率是按容积大小，搅拌液体的密度、粘度和搅拌深度而确定的，根据具体情况应采用一台或多台搅拌机。注：1、选型问题，请与我公司技术部门联系。2、潜水搅拌机必须完全潜入水中工作，不能在易燃易爆的环境下或有强腐蚀性液体的环境中工作，最小潜入深度900mm。十、QJB潜水搅拌机选型方法参考资料：1、根据图1或表1确定待搅拌介质的污泥校正系数。2、根据图2或表2确定搅拌池的池型校正系数。3、按每立方米清水所需耗功4.8W，乘以污泥校正系数，再乘以池型校正系数，得出每立方米待混合搅拌介质所需耗功的实际值，再乘以待搅拌介质的体积，得出整池待混合搅拌介质所需的功率。十一、QJB型潜水搅拌机的流场图：以下流速场是在清水中，边界水流速度为V=0.1m/s 工况下：十二、QJB型潜水搅拌机的安装尺寸图及安装示意图： &潜水低速推流器 QJB1.5/4-& & &潜水搅拌机可以有多种安装方式，这里提供四种最通用的方式供选择，尺寸可参考下表。我公司还可以根据用户的要求作特殊设计。型号aDbLh1minh2min安装系统QJB0.85/8&P48360330630500110ⅠQJB1.5/6&P48360330630500110ⅠQJB2.2/8&P70460320970800150ⅡQJB4/6&P70460320970800150ⅡQJB1.5/8&P70530320960500200ⅡQJB2.5/8&P70530320960500200ⅡQJB3/8&P705303201010800200ⅡQJB4/6&P705303201010800300ⅡQJB4/12&P10082033511501100300Ⅲ-1，Ⅲ-2QJB5/12&P10062033511501100300Ⅲ-1，Ⅲ-2QJB7.5/12&P10082033512801500300Ⅲ-1，Ⅲ-2QJB10/12&P10082033512801500300Ⅲ-1，Ⅲ-2注：1、潜水搅拌机的专用安装系统，可在无需排出池中污水的情况下，快速安装和拆卸潜水搅拌机；2、安装系统I只适用于池深&4m，机型为QJBO.85／8和QJBl.5／6，且可在水平方向和垂直方向调节角度；当池深&4m时，应选用安装系统II型。3、安装系统II、III导杆可沿水平方向绕导杆轴线旋转，最大转角为&60°；4、当H&4m时需，在导杆中间添加一支撑架；5、支撑架和下托架与池壁、池底均用膨胀螺栓或化学锚栓固定，无需预留孔；6、客户定货时，请提供池深H及池型图，以便确定导杆尺寸和支撑架个数；7、安装系统材质采用不锈钢和碳钢防腐可供选择；8、多台搅拌机可共用一套起吊系统。十三、推流式潜水推流器&QJB型潜水搅拌机运行实况：& & &和传统长轴搅拌机相比，QJB型潜水搅拌机的优点在于可生产不同的流向。由搅拌机的不同安装位置，可得到不同效果的多种流动模式。从而在池中创造更好的流动模式，消除搅拌死角。搅拌机所需要的配套功率是按池容积大小，介质的密度、粘度和挽排介质深度等确定的，根据其体情况，应选用一台或多台搅拌机。& & &为了保证提拌机在不同池型中的运行高效节能.可参考下列的典型安装形式。圆形池：& & &该旋转流动公式是最筒单的一种。在相时较短的运行时间内就创造高的流速，在非溶性固体含量高的介质中，这是一种高效的搅拌方式。然而必须注意，较重的物质可能沉积在池底中央。该旋转流动公式是最筒单的一种。在相时较短的运行时间内就创造高的流速，在非溶性固体含量高的介质中，这是一种高效的搅拌方式。然而必须注意，较重的物质可能沉积在池底中央。如果搅拌机轴线与池中线成7-10°安装，可形成全池挽拌而不会产生旋转。池中液体的深度应在池的直径的0.3-1倍之间。对角错开，避免短路循环方形池：如按下图方式安装搅拌机可在方形池形成高效的搅拌效果。当使用一台搅拌机时，池长宽比不大于5。否则应安装多台搅拌机。若长宽比不大于2.5可得到最佳运行效果。如池宽小于5-8倍的叶轮的情况下，可按上图安装方式在较大池中，搅拌机可按上图安装考虑进出口利用池壁反射射流的交叉使用多个搅拌机时，推荐使用南京兰江水处理QJB型潜水搅拌机产品优势与同类产品比较： &潜水推流器 QJB1.5潜水推进器价格搅拌推流设备市场同类产品1.开发研制起点高，自主知识产权多以提高国产装备能力、替代进口为已任，自主创新研发了满足市场细分要求的系列化产品。拥有多项原创设计和多项专利技术，其机械性能、水力性能和降耗节能水平领先于国内外。拥有一项国家发明专利。1.技术落后、故障较高同类产品，未有多大创新，采用的叶轮结构、传动结构、导轨耦合座结构、密封结构等仍然是上世纪复制的技术，设备性能严重滞后污水处理工艺要求，不但没有技术进步，而且故障较高。2.克服了市场同类产品的缺陷，排除了市场同类产品的故障1）解决了使用寿命短、需经常维修更换的技术难题；2）解决了运行噪音大、振动大的技术难题；3）解决了因污水中有杂物缠绕机械密封件而使密封不可靠的技术难题；4）解决了减速传动机构体积大、重量重、轴向长度长、传动件容易损坏的技术难题；5）解决了起吊装置提升不灵活、容易卡死的技术难题；6）解决了水下安装座与混凝土地基固定不牢靠、容易松动，造成水下维修困难的技术难题；7）解决了水下耦合座能实现对设备自动固定和夹紧的技术难题；8）解决了叶轮平衡、防腐、几何误差、受力均衡等一系列技术难题；9）解决了电缆线进线密封处因拽拉而漏水的技术难题；10)解决了污水处理厂改造扩容需带水安装的技术难题。2.缺陷一直存在，未见改进、故障居高不下，难以排除多年来，市场同类产品一直存在着使用寿命短、减速机构容易损坏、运行不平稳、噪音振动大、动密封失效漏水、上下滑移卡死、不灵活、推流效果差、能耗高等问题。故障多、维修麻烦、维护成本高。3．产品特色及技术优势1）玻璃钢叶轮，高强度复合材料，整体式成型、耐腐蚀能力强、水阻小、重量轻、效率高，几何中心对称性好、动平衡度高，为国内外首创；2）微型潜水式传动箱，结构紧凑、传动平稳、体积小、重量轻、效率高、故障少、寿命长。3)内置腔油润滑动密封系统，密封可靠，永久不受污水中污物的影响；4）底座式承力方式，设备重力由底座承受，运行稳定，避免了传统的导杆承力方式而引起的晃动和振动；5）卧床式V锥吸振耦合座，V锥结构，能实现设备自动对中和就位、自动固定和夹紧；侧面设置减振垫，以吸收振动，自然调适设备的就位状态；整体卧床式布置，犹如婴儿躺在摇篮里，平稳和安全；6）导轨式底座支撑结构，既是提升导向机构，又是吸振耦合座承力支撑，提升滑移稳定，支撑受力简洁可靠，抵抗侧向偏心而引起的冲击载荷能力强；7）电缆线设置防拽拉保护装置，该装置有两部分组成，一是水下进线密封处辅助保护机构，保护进线密封不被拽拉损坏；二是水上防电缆线脱落机构，保护电缆线不会掉落、不会被叶轮缠绕；8）组合式防卡死滑移机构，提升机构上设计轴套定位式双轴承防尘滑轮，确保滑轮本身转动灵活，不会发生轮缘摩擦两面支撑件的情况；设备尾翼上设计适度的移动滑轮组，使其不存在与导轨发生自锁的现象，保证滑移顺畅；9）桁架式带水安装装置，该装置为国内外首创，应市场用户要求而开发研制，直接在水上固定安装设备。10）帮助用户科学选型，配置合理化功率；11）一般配置和优良配置，适合用户需求3．同类产品技术状况1）常规材料叶轮，或重量大，或耐腐蚀性弱，或刚性差，动态工况下叶片变形，或韧性低，受不平衡冲击力易折断。特别是叶片与轮毂分体式组合，螺纹式联结，不仅轮毂结构复杂，体积大，重量大，且难以保证两叶片中心对称的几何精度，更难保证长时间工作螺纹不松动。另外，叶片的造型千姿百态，很多未经严谨的设计和科学的论证，而因水力性能差、推流搅拌能力低，能耗高；2）通用减速转动机构，适应潜水工况的能力不强，且结构闲散，体积大，传动效率低，故障率高，寿命短；3）敞口式污水润滑机械密封结构，机械密封件靠污水润滑，直接裸露在污水中，易受水草、纤维、悬浮颗粒的缠绕和损伤；4）导杆承力结构，设备重量由水下导轨承受，导轨较长，中下部受力，刚性不够，易形成晃动和振动。5）水下耦合座采用平板式托架或坐凳式托架，这种结构无法实现对设备自动固定和夹紧，振动在所难免。设备在平板式托架或坐凳式托架上运行，其稳定性效果与卧床式V锥吸振耦合座相距甚远。6）无电缆线防拽拉保护装置，电缆线进线密封处无辅助保护装置，易因拽拉而影响密封效果。上部无防电缆线脱落机构，电缆线会掉落、或被叶轮缠绕；7）提升滑移组合轮易与导轨形成自锁和卡死现象，影响操作的方便和灵活。低速潜流推进器 QJB型潜水推流器 推流式潜水推流器【潜水搅拌机】&低速推流搅拌机性能参数低速推流搅拌机低速推流搅拌器装配我们建议用南京兰江水处理设备制造有限公司原装的零部件来安装潜水搅拌机。1、叶片的装配注意：在搅拌机装上安装系统前，先根据工作条件选择角度调整片。确保两枚叶片在安装时为同一角度。步骤1、松开轮毂（1）上端盖（2）的螺钉（3）（M16*80左螺纹），卸下端盖；步骤2、将一枚叶片从上插入轮毂的孔中，使叶轮轴的槽对外，用已选择好的角度调整片（4）放入叶轮轴的槽内，用两颗螺钉与轮毂连接，用内六角扳手先拧紧左侧的螺钉（5），再拎紧右侧的螺钉（6）。为了便于安装第二枚叶片，将轮毂旋转180o，然后用上述方法安装第二枚叶片。步骤3、盖上端盖，将两片齿型垫圈和 M16*80左螺纹螺钉拧入。低速推流搅拌器安装2、低速潜水推进器的安装将导杆和吊架按要求用胀锚螺钉固定好。装上减振块和滑套。用手摇葫芦提起搅拌机，将滑套套入方型导杆中，在搅拌机就位前，检查升降是否灵活自如。缓慢均匀地放下搅拌机，确保搅拌机就位正确。使手摇葫芦钢丝绳处于松弛状态。确保电缆在搅拌机运行时，不被卷入叶轮中！3、试运转开机前，由合格专业人员检查整个系统，确保符合相关规范要求。将电机电缆与电源进行正确接线。首次调试时，必须检查叶轮的旋转方向是否正确。方法是：将潜水搅拌机悬在方型导杆上，接通电源，从叶轮向电机方向看，叶轮应为顺时针方向运转。如旋转方向不正确，更换电源电缆的两相。如多台搅拌机连接在同一个控制柜上时，应对每台搅拌机进行单独检查旋向。注意：检查旋转方向时，要确保旋转的叶轮不会伤害工作人员，也不要靠近旋转的叶轮。4、运转在试运转正常后，切断电源。将搅拌机沿方型导杆放入水下，并确保搅拌机安装到位。接通电源进行运转，并检查是否正常。5、注油与换油搅拌机在出厂前减速箱内已注油。第一次运转100小时后应更换新油，以后可每3-6个月更换一次。润滑油牌号为90号工业齿轮油或20号机械油。加油量约为1.2升。换油应按下列方法进行：把搅拌机放置好，松开上下两只螺塞，放出润滑油，然后用洗涤油清洗油室，再注入新油，换上新的O型圈，将螺塞旋紧。如果换下的油中发现有水（呈奶状乳化液），按规定清洗油室，再注入新油，换上新的O型圈，将螺塞旋紧。三星期后必须重新检查一次，如果油又变成奶状乳化液，应检查机械密封件，必要时应进行更换（请与我公司兰江维修服务部联系）。搅拌机安装到位。接通电源进行运转，并检查是否正常。5、注油与换油& & 搅拌机在出厂前减速箱内已注油。第一次运转100小时后应更换新油，以后可每3-6个月更换一次。润滑油牌号为90号工业齿轮油或20号机械油。加油量约为1.2升。换油应按下列方法进行：& & 把搅拌机放置好，松开上下两只螺塞，放出润滑油，然后用洗涤油清洗油室，再注入新油，换上新的O型圈，将螺塞旋紧。& & 如果换下的油中发现有水（呈奶状乳化液），按规定清洗油室，再注入新油，换上新的O型圈，将螺塞旋紧。三星期后必须重新检查一次，如果油又变成奶状乳化液，应检查机械密封件，必要时应进行更换（请与我公司或维修服务部联系）。客户订货时，请提供池深H及池形图，以便厂房加工时确定导杆或导向钢丝的尺寸。安装系统的材质采用不锈钢（或碳钢）制造。安装系统中除导杆或导向钢起吊底座外，多台搅拌机可公用一套起吊装置。潜水搅拌机注意事项为保证取得最佳效果，请使用方提供如下资料：&搅拌机必须完全潜入水中工作不能在易燃易爆的环境下或有强腐蚀性液体的环境中工作最小潜入深度900mm。1、运用目的&2、池型&3、池尺寸&4、介质特性包括粘度、密度、固体物含量等。潜水搅拌机流速表以下流速场是在清水中，边界水流速度为V=0.1m/s工况下低速推流器运行工况低速推流搅拌机系列：推流式潜水推流器&潜水低速推流器 QJB1.5/4- 低速搅拌机价格潜水推流器QJB1.5/4- 低速搅拌机价格潜水推流器& & 低速潜水推流器，由潜水电机、减速机、螺旋推进叶轮、密封机构、手摇卷扬机构、电气控制等部分构成。螺旋叶轮在电机和减速机驱动下低速旋转，产生大体积流场，，应用大体积流动模式来得到快速的受控流体输送，同时环流模式确保了全部容池内的液体都能反复通过混合区。该设备广泛应用于氧化沟推流，各类水处理工艺的水解池逆向搅拌，同时也用于河流防冻、泻湖、水产养殖等搅拌推流。潜水推流器*推流器*QJB1.5/4-P特点：1、&&螺转叶轮带后掠角，能自净，无缠绕和堵塞现象；2、&&密封可靠、无渗漏，并设有泄露、过热全功能保护；3、&&能耗低、无噪音；安装方便迅速、使用于各种类型的水池。结构简介及性能特点&1.结构紧凑、体积小、重量轻。操作维护简单、安装方便快捷、使用寿命长。&2.叶片具有自洁功能，可防杂物缠绕、堵塞。&3.与曝气系统配合使用可使能耗大幅度降低，充氧量明显提高，有效防止沉淀。&4.电机绕组为F级绝缘，防护等级为IP68，选用一次润滑免维护进口轴承，具有油室泄漏检测和电机绕组过热保&护功能，使电机的工作更加安全可靠。&5.机械密封的摩擦付材质为耐腐蚀的碳化钨，所有紧固件均为不锈钢材质。四&潜水推流器*推流器*潜水推流器QJB1.5/4- 低速搅拌机价格产品说明配用功率范围：3.0-7.5KW叶轮直径范围：mm叶轮转速范围：35-115r/min推力范围：≤4275N材质：叶浆采用进口聚氨酯材料，电机壳铸铁，哈尔滨优质轴承，具体情况可根据客户要求定做产品五&适用范围潜水搅拌机可在下列条件下正常连续运行：★&最高介质温度不超过40°C★&介质的PH值在5-9六、潜水推流器*推流器*QJB1.5/4-P:七&潜水推流器*推流器*QJB1.5/4-P&八&潜水推流器*供应推流器*推流器厂家直销*推流器厂价批发选型注意事项为保证取得最佳效果，请使用方提供如下资料：&1、运用目的&2、池型&3、池尺寸&4、介质特性包括粘度、密度、固体物含量等。九、潜水推流器*推流器潜水搅拌机包装运输
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两栖多足机器人通讯定位及相关技术研究
删炒剃分类号：――密级：编号：工学硕士学位论文两栖多足机器人通讯定位 及相关技术研究硕士研究生： 刘德峰指导教师： 郭黎滨教授学位级别： 工学硕士学科、专业： 机械制造及其自动化 所在单位： 机电工程学院论文提交日期： ２００８年２月论文答辩日期： ２００８年３月学位授予单位： 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要本论文来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机器蟹基础技术研 究一。以建立一个对复杂地形高度适应、性能可靠、并具有两栖环境下活动 能力的小型移动机器人平台为目标，对两栖仿多足机器人的机械结构、基 于ＤＳＰ的控制系统、水陆两栖环境下通讯及定位系统、定位算法和相关硬件设计方面做了以下研究：首先，作者对国内外多足步行仿生机器人的研究情况进行了分析，尤 其是多足机器人的机械结构进行研究，根据两栖多足机器人工作环境的需 要，从仿生设计思想出发，对机器人进行合理的自由度布置。设计出具有 姿态可变、适应水下环境能力强、电机布置结构紧凑的两栖多足机器人机 械样机。、针对此机器人的两栖工作环境，提出了两栖多足机器人的总体通讯技 术方案，并分别对陆地及水下两种环境的通讯技术进行研究，分析了常见 的陆地及水下通讯技术的优缺点，得出适用于两栖多足机器人的无线及水 声通讯技术，并提出了相应算法。 从机器人的特点出发，结合分层递阶控制思想，进行了基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的通讯系统模块硬件设计，ＣＡＮ总线接口模块的软硬件设计，ＧＰＳ信号接收系统的软硬件设计等，对系统中的其它模块也作了相应的研 究。研究了多足机器人的定位技术，提出了基于ＧＰＳ的绝对定位技术和基于码盘的陆地相对定位技术相结合的总体定位方案。并对水下水声通讯技术进行研究，分别提出了针对ＧＰＳ信号处理和水声定位的相应算法。设计出基 本的软硬件结构。 关键词：两栖多足机器人：水声通讯；绝对定位；相对定位；超声波测距哈尔滨工程大学硕＋学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙｐｒｏｊｅｃｔｏｆ‘Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ Ｉｎｓｐｉｒｅｄ Ｃｒａｂ―ｌｉｋｅｄＡｍｐｈｉｂｉｏｕｓ Ｒｏｂｏｔ Ｓｔｕｄｙ’ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｕｎｄｅｄ ｂｙ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆＮＳＦＣ（ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌ ＳｃｉｅｎｃｅＣｈｉｎａ）．Ｉｎｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈａｓｍａｌｌ?ｓｉｚｅｄｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓｈｉｇｈｌｙａｄａｐｔ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｘｔｅｒｒａｉｎ，ｈｉｇｈｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｍｏｄｎｇ ｉｎｏｎａｍｐｈｉｂｉｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＤＳＰ，ａｍｐｈｉｂｉｏｕｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄａｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｈａｒｄｗａｒｅ。ｄｅｓｉｇｎａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｒｃ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｏｍｅｆｏｌｌｏｗｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｌｅｇｇｅｄ ｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔｓ ａｔａｎｄａｂｏａｒｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｉｍａｒｉｌｙｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｅｄｅｓｉｇｎ．ｄｅｓｉｇｎｅｄＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｌｙ ｍａｄｅｏｕｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅＤＯＦｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓｗｈｉｃｈｅｎｓｕｒｃｓ ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｂｌｅｇｅｓｔｕｒｅ，ｓｔｒｏｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈＡｆｔｅｒｃｏｍｐａｃｔ ｍｏｔｏｒ ｉｔｓａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ．ｗｏｒｋｉｎｇＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇａｍｐｈｉｂｉｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｓｃｈｅｍｅｏｆ ｔｈｅ ａｍｐｈｉｂｉｏｕｓｍｕｌｔｉ―ｌｅｇｇｅｄｒｏｂｏｔ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ，ｉｎｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ａｎｄ ｓｕｂｍａｒｉｎｅｃ呷ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓａｎｄｄｒａｗｂａｃｋｓ ｏｆ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅａｎｄｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｉｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ａｌｌｗｅｌｌａｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｏｎｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ＴＭＳ３２０Ｆ２８ｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｕｓｍｏｄｕｌｅｂａｓｅｄｌ ２，ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄｓｏＲｗａｒｅ。ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＡＮａｎｄ ｏｔｈｅｒｍｏｄｕｌｅｓ ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｄｅｂａｓｅｄｏｎＧＰＳ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｂａｓｅｄｄｉｓｋｓｉｓｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｓｔｕｄｉｅｄ，ｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇ ｒｅｌａｔｅｄ哈尔滨工程大学硕士学位论文 ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ａｌｓｏ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｍｐｈｉｂｉｏｕｓｍｕｌｔｉ―ｌｅｇｇｅｄ ｒｏｂｏｔ；ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ａｂｓｏｌｕｔｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：型堕圣日期：》哪年３月６日哈尔滨Ｔ程大学硕士学位论文第１章绪论１．１课题研究的背景及意义仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ）是２０世纪６０年代出现的一门综合性边缘科学，－它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制 和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学将有关生物学原理应用到对工程 系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动 作用ｎ１。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航空航天、星际探索、军事侦察与攻击、水下地下管道探测与维修、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，未来的机器人将在 人类不能或难以到达的已知或未知环境里工作。人们要求机器人不仅要适应 原来结构化的、已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环 境。除了传统的设计方法，人们也把目光对准了生物界，力求从丰富多彩的 动植物身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机 理和控制的研究中，这就是仿生学在机器人科学中的应用睇１。相对于其它运动形式的机器人而言，多足机器人的足式运动具有优优越的灵活性，能适应各种复杂地形，其具备良好的应用价值，不但可以应用于矿 山采矿、消防及营救、建筑施工等行业，还可用于核能工业、星球表面探测、 水下环境考察、水雷排除等特殊作业任务。 本课题来源于国家自然科学基金项目“两栖仿生机械人基础技术研究＂。 两栖多足多足机器人模仿的生物原形是海蟹，因为海蟹具有良好的海浪、海 流适应性，特别是浅滩冲浪能力和隐蔽性都比较突出。适合在不平底质、岩 石、浅滩、大浪、强海流区域生活、工作，并具有良好的运动性能。我们通 过对仿螃蟹的多足步行机器人的研究，建立一个具有多冗余自由度的八足步 行机器人，它可以在两栖环境下自由行走，并可以携带一些导航设备、传感 器、工具、机械手等，完成一些特定任务，具有广阔的应用前景。哈尔滨工程大学硕士学位论文开展两栖多足多足机器人研究意义重大： １．通过对具有两栖活动能力的螃蟹仿生学原理研究，获得适应复杂地形 地貌的高效率多足步行机器人的建模方法； ２．通过对螃蟹的机械结构仿生，为研究高效的两栖多足机器人运动机 理，解决两栖多足机器人在浅海环境中运动的高效性、耐波性等问题，为建 立高效的具有两栖环境运动能力的微小型爬行机器人平台奠定基础； ３．通过对生物体对环境适应能力的研究和分析，建立基于环境适应行为 的智能运动控制策略。对于跟踪国际先进技术，为水下科学考察、海底探矿 等领域的新型机器人的开发打下理论基础９删。１．２国外多足机器人发展概况 １．２．１国外多足步行机器人研究现状美国的国防高级研究项目代理部 ＣＤｅｆｅｎｓｅＡｄｖｎｃ，ｅｄＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃＩｓ Ａｇｅｎｃｙ，ＤＡＲＰＡ）资助了很多以军用目标为 背景的多足仿生机器人研究项目。 在ＤＡＲＰＡ资助下，美国海军与马萨产 品公司和波士顿的东北大学联合进行的一项 研究，针对有海流和涌浪的浅水区域的清除 水雷作业而设计的两类仿生机器人，一种是 仿八目鳗的浮游机器人，另一种是仿龙虾的 多足步行机器人。两种机器人可以相互配 图１，１机器鳗与机器龙虾协 作捧雷示意图合，完成排雷作业，如图１．１所示刚。其中机器鲠进行水域里的探雷作业，而机器龙虾则 在海底进行水雷搜索和引爆的作业。 机器龙虾如图１．２所示，是一种八足水下 步行机器人。它包括４ｘ８英寸的壳体，壳体由 ８条３自由度腿驱动，能够浮游与爬行，头部 装有２个钳子，起到波动控制舵的作用，尾部图１．２ Ｌｏｂｓｔｅｆ机器龙虾哈尔滨工程大学硕士学位论文伸出８英寸长的水流动力控制平面来保持稳定。机器龙虾靠８条腿行走，每 条腿以３个关节为基础进行基本的动作，关节的动作采用肌肉型驱动器（用 形状记忆合金镍钛诺做成的力可恢复型人造肌肉），采用基于神经元环路的控 制器来控制。该控制罂采用了一套决定机器龙虾行为的行为库，行为库是基 于国绕决定机器龙虾行动的一组状态变量而组织的命令。同时它也能承载用 于销毁水雷的传感罂和少量炸药。 为了对付岸边的水雷，美国罗克威尔 公司及玲机器人公司在ＤＡＲＰＡ资助下研 制了一种名叫“水下自主行走装置” （ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＬｅｇｇｅｄＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ ＡＬＵＶ）的机器人”，如图１．３所示，它是仿 造蟹的外形制造的，它抗撞击，电子部件 全部包在防水的体腔中，每条足有两个自 由度，决定了它具有两栖运动性能。这种 机器蟹可以隐藏在海浪下面，在水中行走，图１．３ ＡＬＵＶ机器蟹“Ａｒｉｅｌ”迅速通过岸边的浪区。当风浪太大时，它可以将脚埋入泥沙中，通过振动， 甚至可将整个身子都隐藏在泥沙中。ＡＬＵＶ长约５６ｃｍ，重１０．４ｋｇ，包括一个 ３．１７ｋｇ重的压载物。为了携带传感器，它的脚比较大，便于发现目标。当它 遇到水雷时，就把它抓住，然后等待近海登陆艇上的控制中心的命令。一旦 收到信号，这个小东西就会自己爆炸，同时引爆水雷。技术人员还打算使机 器蟹之间可以进行通信联络，从而提高扫雷的效率。 ＤＡＲＰＡ所资助的类似项目还有 Ｒｏｂｏｔ系列仿生机器人，它是美国Ｃａｓｅ Ｗｅｓｔｃａ＂ｎＲｅｓｅｒｖｅＵｎｉｖｅｔ＇ｓｉｔｙ（ＣＷＲ）学在 美国军方的国防高级研究项目代理部 （ＤＡＲＰＡ）、国家宇航局（ＮＡＳＡ）．海 军研究中心共同资助开发的一种高机动 性仿蟑螂六足步行机器人，该机器人由 微型气缸驱动的２４个关节使整个机器 人具有行走和跳越的能力，并能基于力图１．４美国仿嶂螂机器
哈尔滨工程大学硕士学位论文除了前面提到的以军事应用为目标的多足仿生机器人以外，还有众多的 研究机构从事多足仿生步行机器人的研究。也有一些有代表性的倒子。比如前面提到的ＴｒＩ州．Ⅷ型四足步行机器人【州１４１嘲（如图１．６所示）能够以稳定的方式在不平的地面行走，可以以非接触方式绕过地面上的障碍，能够向任 何方向运动。 新西兰的坎特伯雷大学（Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ ｏｆ ＣａｎｔｅｄⅢｙ）在２０００年底研制成 功了一种微型伺服电机驱动的 六足步行机器人，它以竹节虫 为生物模拟对象设计了这种具 有全方位步态的步行机器人 （如图１．７所示）””。该机器人 共有六条三关节的步行足，单 个关节由一台功率为１０Ｗ的 Ｍａｘｏｎ电机驱动通过齿轮箱减 速输出４．５Ｎｍ的扭矩。每条步 图１．７六足机器人Ｈａｍｌｅｔ行足端部装有一个框架应变结构的三雏力传感器，并使用碳纤维包覆的保护 鞘对接触地面的足端进行保护。该机 器人采用二级分布式控制框架，硬件 部分采用了集成了２个１Ｍｓ３２０ｃ“ 芯片的集成控制板卡对关节驱动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。该机器人尺寸为６￥０ｍｍ×５００ｍｍ ×４００ｍｍ，重１２．７ｋ８，能以０盘ｎ，ｓ的 平均速度在复杂地形中自主行走运动， 并具有越障能力。 图１．８Ｓｐｉｄ矗＇ｍｔ八足步行机器人美国国家航空和宇宙航行２００６年开发了一种命名为Ｓｐｉｄｅ衄ｕｔ的八足蜘蛛机器人，如图１．８所示。它可以利用自身的八个爪子轻易分解６００磅重的物体，从而避免太空垃圾损害太空船的外壳。它也能在空间站外表自由行走，也可趴在航天器表面，完成检查、修理等任务”１。．哈尔滨工程大学硕＋学位论文１．２．２国内多足仿生机器人发展现状国内对多足步行机器人的研究在上个世纪八十年代末九十年代初起步。 北京航空航天大学于上个世纪九十年代初研制过一台仿牲畜的四足步行机器 人，它采用液压驱动，每足有二个自由度，总重约２０００ｋｇ‘Ⅲ。 中国科学院沈阳自动化研究所也开展了这个领域的研究工作，它与长春 光机所于１９８９年３月共同研制了海蟹号六足步行机器人¨明。它采用的是极坐 标的具有２５个自由度的六足机构，潜深３００ｍ，重１５００ｋｇ。 清华大学在１９９０年研制出了一台全方位四足步行机器人，在此样机基础 上做了直走，横走各种步态和转弯等各种实验研究例。 上海交通大学的马培荪等人研制了一种形状记忆合金丝驱动的微小型六 足机器人，它的行走机构重１４．１８９，平均行走速度为１ ｍｍ／ｓ，采用４．５Ｖ电源，控制系统简单、小巧、轻便。上海交通大学还研制出了一种仿哺乳动物的关节式四足步行机器人“Ｊｎ八踟．ＩＩＩ”，它能以对角线步态步态行走，它在足底加了ＰＶＤＦ测力传感器，在上位机中利用模糊神经网络系统对力反馈信息进行处理，调整步行参数，提高了步行的稳定性口１１。 燕山大学、北京航空航天大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所等对 多足步行机器人的有关理论做过深入的研究。 在国家自然科学基金项目的资助下，哈尔滨工程大学海洋智能机械研究 所进行了两栖仿生机械蟹基础技术的研究阎，已经制作了四型仿螃蟹八足步 行机器人样机。构建了两栖多足机器人从方案设计到控制框架的所有基础工 作；研究了多足机器人单足周期运动规律：提出了适合两栖多足机器人单足 运动路线规划方法；从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动控制 问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。１．３两栖环境下通讯及定位技术概述因两栖多足机器人工作环境的特殊性，对通讯技术要求比较高，大致可分为水下通讯和陆地无线通讯两部分。光与电磁波在海水中的传播衰减很大，无法用在中等以上距离的信息传 递，而水声通信是以声波在水中传递信息的方式进行的通信，它的最高作用６■■―――ｉｉｉ■ｉ■ｉｉ｜ｉ鼍ｉ宣ｉｉＩ哈尔滨］二程大学硕士学位论文ｍ ｉｌ ｉ ｉ ＮＦ ｉ ｉ７■ｉｉｉｉｉ宣ｉｉ宣置ｉ■葺ｉ暑一距离可达到１０ｌ洫。水声是当前水下通信唯一可选择的有效手段一因为声波的衰减相对小得多。但水声信道是一个十分复杂的多径传输的信道；再加上 它的环境噪声高、带宽窄、可适用的载波频率低、传输的时延大等。这诸多 不利因素加剧了抗多径干扰的困难，实现误码率低，数据率高的水声通信是 很困难的。水下机器人要进行通信，也必然要以水声作为其通信手段，对水 声通信和水声网进行深入了解是非常必要的。 定位问题是移动机器人导航的最基本环节。自主移动机器人只有准确地 知道其自身的位置、工作空间中障碍物的位置以及障碍物的运动情况，才能 安全有效地进行运动。所以，自主移动机器人的自身定位问题就显得尤为重要，是其最重要的能力之一。两栖多足机器人定位是确定其在导航环境中所处位置的过程。具体来说， 是机器人位置的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理 和变换，产生更加准确的对机器人当前位置的估计。１．３．１两栖多足机器人的关键技术１．建模问题：仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗余度或超 冗余度机器人。结构负载，运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别， 且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器 人的关键问题之一。２．控制优化问题机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂 大系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于组分之和＂，同时要 研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。 ３．信息融合问题．在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都 装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术把分布在不同位置的多个 同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传 感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。７哈尔滨工程大学硕七学位论文４．机构设计问题合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的 进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能 的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化， 才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。５．通讯及导航定位问题在两栖多足机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心。导航是 指机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。１．４本文的主要内容本论文主要完成以下几方面的内容： １－总结前几型机器人结构上存在的问题和缺陷，对两栖多足机器人进行合理的自由度布置，设计具有姿态可变、适应水下环境能力强，涡轮蜗杆能够实现关节自锁，电机布置结构紧凑，重量分配集中于身体中心的两栖多足机器人机械样机。２．从控制系统的特点出发，结合分层递阶控制思想，进行基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的通讯系统模块硬件设计，ＣＡＮ总线接口模块的软硬件设计， ＧＰＳ信号接收系统的软硬件设计等，对系统中的其它模块也进行相应的研究。 ３．提出两栖多足机器人的总体通讯技术方案，并分别对陆地及水下两种 环境的通讯技术进行研究，分析陆地及水下通讯技术的优缺点，得出适用于 两栖多足机器人的无线及水声通讯方案。 ４．研究多足机器人的定位技术，提出基于ＧＰＳ的绝对定位技术和基于码 盘的陆地相对定位技术相结合的总体定位方案。提出两栖多足机器人的ＧＰＳ 信号处理和水声定位的相应算法，设计基本的软硬件结构，并对ＧＰＳ信号进 行仿真分析。８哈尔滨工程大学硕士学位论文第２章两栖多足机器人总体设计２．１引言两栖多足机器人作为步行机器人的一种，如何最大程度地模仿大自然中 的生物蟹原型，并对两栖多足机器人优化设计是研究小组不断努力奋斗的目 标。两栖多足机器人的研究已经经历了四型的实验尝试，在保留前四型机器 人机构设计优点的同时，机器人小组对已有四型两栖多足机器人存在的问题， 设计出了第五型机器人。第五型机器人机构设计的优点为：模块化可调保护 电机结构设计、复合步行足执行特定任务、增加减震抗震模块，减少步行足 落地时的冲击、具有自翻转能力、提高机器人的耐波性；并优化了控制系统的硬件结构和机器人在未知环境下的定位及导航系统。２．２前四型两栖多足机器人概述哈尔滨工程大学水下作业技术及装备实验室针对仿螃蟹的多足机器人开 始研究始于１９９９年，２００３年在国家自然科学基金项目“两栖仿生机械蟹基 础技术研究’’立项，结题之后又得到国家相关科研部门的资助。研究所经过 多年对两栖多足机器人的研究，现已设计制作了五型两栖多足机器人。其中 前四型机器人样机已制作成功，并通过了相关部门的验收。２．２．１第一型两栖多足机器人样机图２．１是第一型两栖多足机器人的虚拟样机和实验样机【刀１，该样机具有８条步行足，每条步行足有三个关节，各个关节采用锥齿轮结构传动，选用瑞士Ｍａｘｏｎ公司的ＲＥ．ｍａｘ ２６和ＲＥ．ｍａｘ ２２系列直流伺服电机作为各转动关节的驱动元件，整个机器人结构非常紧凑，主控系统采用ＤＳＰ芯片嵌入式分层控制。９．。．．．．一坚ｉ：鎏；！；堡奎兰堡圭兰堡垒兰．。图２．１第一型两栖多足机器人样机（２００１～２００３年） 第一型两栖多足机器人是一种基于仿生设计理念的机器人，设计时遵循 “行为仿生，突出功能”的原则。在机械设计方面尽量做到机械结构的紧凑。 以达到在实现功能的基础上使样机小型化的目标。 为了减轻整体的重量，两栖多足机器人机械本体尽可能采用轻质铝合金 材料做框架，并在躯体上预设安装空间及安装孔，以便于控制电路、传感器、 电源模块等设备的安装。考虑到外形封装的需要，并兼顾到仿生物蟹外形的 特点，在整体上采用扁平结构，具体设计参数如下： 总体高度：Ｈ＝２００１］２ｌｎ；纵向长度：Ｌ＝３００ ｍｍ；横向宽度：Ｂ－－４５０蛐；步行足长度：ｋ＝３１５ ｍｍ： 躯体离地高度：Ｈｂ－－４０－－１５０ ｍｍ。２．２．２第二型两栖多足机器人样机圈２．２是第二型两栖多足机器人样机设计情况，机器人步行足的各个关 节采用比较经济的位置伺服舵机为关节驱动电机，根关节的传动方式采用绳 轮结构，前后摆腿关节采用电机减速器输出轴直接驱动，最末关节的侧行摆 腿电机采用曲柄摇杆机构，主控系统采用ＴＩ公司的２０００系列ＤＳＰ作为主控 芯片，负责步态生成以及２４路ＰＷＭ信号发生。电源采用７．２Ｖ／２０００ｍＡＨ镍 氢电池组供电。该机器人没有配备传感器，可以在没有障碍物的平地行走， 其行走方式完全靠红外线遥控，以双四足步态为基础，通过遥控调用不同的哈尔滨工程大学硕士学位论文步态程序，一共可以实现多达１４种步态，该机样机是两栖多足机器人设计的 一个初探，并为后续的两栖多足机器人步态研究奠定了基础洲。图２．２第二型两栖多足机器人样机（２００４０２～３．）年２．２．３第三型两栖多足机器人样机第三型两栖多足机器人是在第二型两栖多足机器人的基础上设计的，其 外形和功能以三疣梭子蟹为生物原型，共有八条步行足，每条步行足有三个 驱动关节，根部选用了力矩更大的舵机，传动方式除了最末关节的侧行摆腿 关节改用了绳轮传动方式外，其余关节传动方式同第二型两栖多足机器人， 机器人共有二十四个驱动关节，由二十四台伺服电机驱动，形成二十四个自 由度。图２．３是第三型两栖多足机器人样机的实物图片，其结构、尺寸比例 均按照仿生学原理进行设计。第三型两栖多足机器人采用ＤＳＰ进行控制，模 拟海蟹的多种步态，能够实现灵活的前行、侧行、左右转弯、后退等十四个 动作。步行足配有十六只力传感器，来感知外部环境。检测足尖落地和步行 足是否碰到障碍物等信息，为步行足的路径规划提供信息。系统的硬件构架 采用嵌入式结构，以ＡＲＭ系统、ＤＳＰ芯片作为机器人的核心控制器，完成复杂运动的规划和协调任务的运算。该系统采用红外线遥感、力觉传感器、视觉等传感罂，运用多传感器信息融合技术，实时辨别外界环境，使机器蟹 具有较高的智能性。能够实现在沙滩、平地、草地等环境前进、后退、左右 侧行及任意位置、任意角度、任意方向转弯等。机器蟹利用红外线遥感控制，ｌｌ具有一定的越障能力和爬坡能力嗍。嘲 扩渊圜图２．３第三型两栖多足机器人样机（２００４～２００５年） 第三型两栖多足机器人步行足通过直流减速电机和皮带轮分剐作为动力装 置和传动装置来对足部进行驱动。每条腿由的三个电机和两副带轮装置组成。２．２．４第四型两栖多足机器人样机该两栖多足机器人样机外形采用仿河蟹生物结构，具有８支步行足，在前 几型机器人的基础上，机械结构进行了较大的改进，功能也较为完善。图２．４（４） 是ｈｏ，Ｅ建立的样机的具体三维结构图，步行足结构如图２Ａ（ｂ）所示。第四型 两栖多足机器人各关节传动改用了有自锁能力的大斜齿轮（类蜗轮蜗杆）传 动，机器人设计有专用的电机伺服系统、声纳环传感器信息处理系统、三轴 陀螺传感器信息处理系统和变结构力觉传感器信息处理系统。泌蚓ｒ１―氏（ａ）虚拟样机图（ｂ）单步行足结构图图２．４第四型两栖多足机器人虚拟样机（２００５～２００６年） 最终加工完成的两栖多足机器人原理样机如图２．５所示，其电源尺寸为 １５０ｍｍｘ６０ｍｍｘ２０ｍｍ，控制电路板的总体尺寸为１４０ｍｍｘ９０ｍｍｘ４０ｍｍ。为１２哈尔滨工程大学硕士学位论文了方便实时了解机器蟹样机的各种信息，以及根据其反馈信息修改其运动参 数，在其控制系统中增加了一个液晶显示模块。而且无线通讯模块中需要使 用到天线，针对两栖多足机器人的研究目的和任务，又增加一个摄像头实时 反馈外界环境信息。原理样机本体结构最终尺寸为５５０ｍｍｘ４００ｍｍｘ ２５０ｒａｍ， 其中躯体部分尺寸为２８８ｍｍｘ２４２ｍｍｘｌ８２ｒａｍＬ”ｊ。（ａ）样机实物图（ｂ）密封后的两栖多足机器人 图２．５第四型两栖多足机器人样机第四型两栖多足机器人制作完成后进行了整体软质橡胶密封处理，使其 具有两牺环境下的运动能力。针对第四型两栖多足机器人进行了样机关节传 动性能、驱动性能和整体运动性能的实验基础上，进行了大量的陆地、水中的 行走、爬坡、越障、触障反射试验，这些实验在验证了前面所述的两栖运动 机理的同时，对建立机器蟹反射控制模型、细化控制参数，起到了决定性的 作用，并得到了一些有益的结论。２．３可变姿态两栖多足机器人机构设计 ２．３．１可变姿态两栖多足机器人样机通过长期仔细观察生物蟹的生活习性，得出的结论是：当生物蟹在陆地 上行走时，采用的是高姿态行走方式，如图２．６所示。这种行走姿态有利于在陆地上高速行进并且步态变换灵活，能够方便的越过障碍物。而当生物蟹在水中游动时，其游动的姿态可称为宽姿态，腿部与身体基本上在同一平面 上，呈扁平状，如图２．７所示。这种姿态有利于螃蟹在水中游动，在减小游 动阻力的同时还有能够抵抗水流将其掀翻的优点。图２．６陆地行走的高姿态生物蟹图２．７水下游动的宽姿态海蟹根据已有的生物螃蟹仿生学理论，在前几型两栖多足机器人机构设计的 基础上设计出：由直流电机巧妙布置，并通过涡轮蜗杆与锥齿轮相结合的传 动箱传动，从而免除行走中需克服大腿电机重力做无用功的模块化结构，再 用此模块化结构配合直齿圆柱齿轮及蜗杆涡轮机构设计的具有可变姿态，能 够良好适应水陆两栖环境下游动和行走并具有自翻转能力的仿生物螃蟹八足 步行机器人。八足步行机器人具有８条步行足，其中有六条普通步行足，另 两条步行足为多功能复合足。可变姿态两栖多足机器人虚拟样机如图２．８所 示。其姿态转变过程是由外部传感器感知环境，并通过控制身体内部直流电 机带动左右旋涡轮蜗杆，同时调节各个关节的角度实现的。（ａ）陆地行走姿态（ｂ）水下宽姿态图２．８可变姿态两栖多足机器人虚拟样机哈尔滨下程大学硕士学位论文２．４可变姿态两栖多足机器人机械本体设计可变姿态两栖多足机器人机械本体包括两条模块化复合步行足、六条模 块化步行足、机器人躯干等，整个机器人步行足及复合足放射性布置于机器 人躯干上。机器人由两条多功能复合步行足和六条普通步行足并联构成，两 条多功能复合足分别为剪刀手和抓取机械手。足尖安装有三维力觉传感器， 用于检测步行足的受力情况，为机器人可靠行走提供反馈信息。腿部采用扁 平设计，有利于减小在水中游动时所受到的阻力。 本设计的优点在于机械结构姿态可变、适应水下环境能力强，安装方便， 涡轮蜗杆能够实现关节自锁，这样机器人在静止时就不需要电机继续工作而 保持站立姿态，大大提高了两栖多足机器人的野外续航能力。２．４．１单向输入双向输出的涡轮蜗杆传动设计足式机器人相对于轮式机器人最大的优点是能够适应复杂的路况。其驱 动方式可以多种多样，并且各有优缺点，如何根据两栖多足机器人的工作环 境选择来选择驱动与传动方式是非常重要的。常见的仿生机器人关节传动方 式有第三型两栖多足机器人采用的绳轮传动方式口丌，西班牙ＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ研制的“ＳＩＬ０４”四足机器人的关节传动方式即采用了蜗轮蜗杆方式田１等。 ．前几型两栖多足机器人腿部电机都是采用串联布置，不可避免的缺点是 摆动腿部运动的同时，需克服腿部电机重力做无用功。安装困难精度差、电 机输出没有自锁等缺点而产生的。本机构由电机ｊ电机固定架、涡轮蜗杆机 构、锥齿轮变向机构、电位计、码盘、涡轮蜗杆箱体等组成。其优点是电机 布置设计紧凑，大腿及腿根部电机不同于常见的串联布置方式，两个电机紧 密布置于机器人躯体内部，重量集中。而且避免了常规布置方式需克服腿部 电机重力做功的缺点，使机器人腿部活动更灵活便：单向输入双向输出的涡 轮蜗杆传动机构如图２．９所示。电机固定架、根部及大腿电机、齿轮变向箱 体如图２．１０所示。芝至耋三耋銮：翟老：薹鲨吝图２．９单向输入双向输出的传动机构图２．１０单向输入双向输出虚拟图单向输入双向输出的涡轮蜗杆传动机构的原理为抬腿电机和摆动腿电机 按照同一方向布置于电机固定架上，通过涡轮蜗杆与锥齿轮变向箱体来实现 抬高和摆动两个方向的输出。本设计的优点在于：结构相对简单、易装配、 电机布置结构紧凑、重量分配集中于身体中心，为两栖多足机器人更好的适 应两栖环境提供了有利保障。２．４．２可变姿态躯体架结构设计两栖多足机器人的躯体是连接蟹足、承载能源和控制系统的本体，由于 布置方式的多样化，两栖多足机器人的外形、行走策略、稳定性将会有较大 的差异。野生状态下的生物蟹在陆地行走和水下游动所采用的姿态并不相同。 在进入水中后，为了减小水中游动阻力，生物蟹所采用的是宽姿态，故此根 据仿生学原理，进行设计机器蟹躯体，如图２．１１所示。图２．１ｌ可变姿态躯体架结构 可变姿态躯体架结构包括总体机械框架、电机固定架、姿态调节电机、 直齿圆柱齿轮组、涡轮蜗杆固定架、左旋涡轮、右旋涡轮及涡轮杆等部件组 成。其工作原理是；姿态调节电机驱动与电机轴同联的直齿圆柱齿轮转动， 带动与蜗杆轴固联的大圆柱齿轮转动，从而带动左、右涡轮转动，来实现机 器人整条腿部以涡轮轴为中心进行转动调节机器人姿态。２．４．３适于两栖环境生存的扁平腿部设计在可变姿态两栖多足机器人机械本体设计过程中，充分考虑了两栖多足 机器人在水下环境生存所带来的不同于陆地环境的影响因素，并通过观察生 物螃蟹腿部结构，可以得到的结论是：生物蟹之所以能够非常好的适应陆地 和水下环境。其最大的优点是扁平呈流线型的躯体及腿部结构。这种结构能 够最大限度的减小螃蟹在水中游动所受到的阻力，扁平的腿部类似于船桨， 倾斜的扁平腿部有利于增大游动效率。根据以上分析，考虑到根部电机的布 置问题，采用蜗轮蜗杆减速方式，使电机体与蟹足共面，整体呈扁平状，按 仿生学原理进行蟹足的合理布局，为能够适应水下生存带来了方便。如图２．１２ 为可变姿态两栖多足机器人双腿设计图。 扁平腿部设计的另一个优点是机器人的各个关节活动范围相对前几型机 器人大幅度增大，转动角度达到１８０。，为自翻转提供了条件。哈尔滨工程大学硕士学位论文器人足端设计上增加了减震模块，它由两级弹簧减震，在其前端安装有三维 力传感器，可实时检测机械人步行足受力情况。它可以减轻步行足落地时的冲击，有效的保护了机器人的各个传动部件。减震缓冲器安装示意图如图２．１３所示。幕ｌ琏接限位块；２．一级弹簧；３．连接螺丝：４．滑块：５．二级弹簧；６．滑缸 ７．滑块体；８．螺丝；９三维力传感器；１０．螺丝；图２．１３减震缓冲器安装示意图２．４．４可变姿态两栖多足机器人复合足结构设计可变姿态两栖多足机器人两条复合式步行足是为机器人执行特定环境下 的特定任务而设计的，此步行足兼有行走、抓取和剪断的功能。械螃人复合 足与两栖多足机器人普通步行足结构的三个模块化结构安装完全相同，不同 的是将普通步行足最前端的减震缓冲器换成具有抓取或剪断功能的机械手。 其中一条步行足前端为抓取机械手（图２．１４）．另一条步行足前端为剪刀手（图２．１５）。两个步行足相互配合可完成指令要求的一些特定任务。机械手如图２．１４所示，驱动电机１安装在机械支架２上，机械支架２通过螺丝与模块化传动结构电机后端连接，丝杠８一端通过销３与驱动电机１输出轴同联，另一端通过轴承搭接在支撑轴６上，中间穿过滑轴４，滑轴４．．．．．．。；：玺鎏王墨銮茎鎏圭兰丝耋圣。。副１．电机；２支架；３．销；４．滑轴；５．轴；６支撑轴；７．手指；８．丝杠；９．轴 图２．１４抓取机械手机械机构 中间为一个螺母，丝杠８的转动可以带动滑轴４上 下运动，滑轴４同时穿过机械支架２一字形滑槽和 两个手指７的一字形滑槽，滑轴４的上下运动就会 带动两个手指７的张开与闭合，达到抓取货物的功 能。两个手指７分别通过轴５和轴９安装在机械支架２上。图２．１５为剪刀手的结构设计，基本结构与图 ２．１４所示机械手相同，不同的是将前端两个手指换 作了两片剪刀。两栖多足机器人可通过两条复合足 相互配合，完成特定的任务。＾图２．１５剪刀机械手２．５两栖多足机器人控制系统功能及结构两栖多足机器人的控制系统涉及到２４个步行足电机和一个姿态控制电 机的协调控制、ＧＰＳ及ｇ组变结构力觉传感器的信号采集与处理、三轴位姿 陀螺信号采集与处理、两栖多足机器人仿生步态的生成、避障路径规划、人 机交互、无线和红外通信的管理等，是一个非常庞大的系统。“分解”与“协 调”是大系统控制最基本的设计原则。 分级递阶控制的方案被认为是目前实现大系统综合控制的理想方案，它１９’哈尔滨工稃大学硕十学位论文有分散控制、分布式控制和递阶控制几种形式。第五型机器蟹采用了分级递 阶智能控制系统，主控单元与分布式关节驱动单元之间以４８５总线通信协议 进行通信，这种分工明确、能够进行并行处理的分布式结构便于提高运算、 执行速度和控制精度，其整体结构如图２．１６所示：主控系统包括组织层、协 调层、执行层三大部分，组织层负责人机交互、避障策略推算、步态生成等； 协调层处于组织层与执行层之间，负责任务协调；执行层主要负责传感器的 数据分析、步态生成，其处于控制系统的最底层，任务单一、分工明确，如： 负责传感器信号采集、处理、精确控制电机等。组织层规划层执行层图２．１６分级递阶控制系统２．５．１两栖多足机器人感知模块构成机器人对外界和自身的感知，是机器人分析、决策的根据，拥有更多的 传感器将使机器人的环境认知产生根本性变革。然而现有技术下很难在一个 对空间、重量、能耗有着严格要求的机器人身上集成更多的传感器，为此从 环境的基本认知角度出发，确定了三种必不可少的传感器： （１）相当于生物蟹视觉的两栖超声波阵列传感器（外部感知）。 （２）具有局部触觉的力传感器（本体感知）哈尔滨１二程大学硕士学位论文（３）感知自身位姿的光电编码器、三轴陀螺（内部感知）和基于全球定 位技术ＧＰＳ的定位模块。２．５．２ＧＰＳ定位方案两栖多足步行机器人在野外进行作业，它必须能够明确自己的准确方位， 才能完成一定的任务，否则机器人就是个盲机器人不知道何去何从，机器人 就失去了自主性，只能听从人的指令行动。由于机器人有两个方向的加速度 传感器，它可以在小范围内精确自己的位置。但这种定位方式不适宜大范围 的定位操作，范围越大误差就越大，因此必须有一定的修正措施来时时修正 机器人的位置信息，两栖多足机器人采用了ＧＰＳ定位系统。ＧＰＳ定位【捌是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对４ 颗卫星进行测量。由于步行机器人与轮式机器人在定位技术上存在很大差别。 常规的多种定位技术在水下及近海都失去作用，这样对其定位方案提出了更 高的要求。分析以上情况，提出了更适合于两栖多足机器人定位的方法一基 于ＧＰＳ与改进测程法相结合的未知室外环境下的定位策略，具体技术将在第四章介绍。２．６本章小结本章详细介绍了两栖多足人系统的总体设计方案，主要解决了以下几个问题：（１）简要介绍了前四型机器蟹总体设计方案，以及每一型两栖机器蟹所取得的突破和存在的不足。（２）着重介绍了新型两栖多足机器人机械本体构成以及工作原理，分析 了可变姿态机械结构的优缺点，并对单足、复合蟹足的结构以及组成特点进 行详细介绍。 （３）从两栖多足机器人的执行任务的角度出发，将控制系统分解成组织 层、协调层、执行层三大部分，从而提出了二级递阶控制的总体方案。２ｌ第３章两栖多足机器人通信技术研究３．１引言两栖多足机器人的工作环境为浅海及野外，实时的反馈工作环境信息是 操作人员对其远程控制和保证机器人完成特定作业任务的关键。因两栖多足 机器人工作环境的特殊性，对通讯技术要求比较高，大致可分为水下通讯和 陆地无线通讯两部分。这也将为即将开展研究的多两栖多足机器人协调合作 提供技术储各。通过通信，多机器人系统中各机器人了解其它机器人的意图、 目标和动作以及当前环境状态等信息，进而进行有效的磋商，协作完成任务。 目前，两栖多足机器人的总体通讯方案采用图３．１所示。当机器人工作于浅海 水域时，海上平台作为数据信息的中转站，通讯方式为无线及水声合作的方 法。即空气中数据信息采用无线与海洋平台通讯，而水下采用水声技术与机器人通讯。‘ｉ，勉． －ｈ图３．１两栖多足机器人总体通讯方案薯宣宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ ３．２水下通讯技术研究哈尔滨工程大学硕十学位论文ｉ ｉＬＬｉ萱ｉ＿随着人们对海洋研究、开发和利用的需求正在增加，有关研究海洋环境及海洋环境污染状态的技术和监测系统的研究迅速发展。光与电磁波在海水中的传播衰减很大，无法用在中等以上距离的信息传递，而水声通信是以声 波在水中传递信息的方式进行的通信，它的最高作用距离可达到ｌＯｋｍ。水声是当前水下通信唯一可选择的有效手段一因为声波的衰减相对小得多。水声信道是一个十分复杂的多径传输的信道，再加上它的环境噪声高、 带宽窄、可适用的载波频率低、传输的时延大等㈣。这诸多不利因素加剧了 抗多径干扰的困难，实现误码率低，数据率高的水声通信是很困难的。水下 机器人要进行通信，也必然要以水声作为其通信手段。要为水下机器人设计 好的通信方法，对水声通信和水声网进行深入了解是非常必要的。．， 水声通信主要受路径丢失、噪声、多径、多普勒传播（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｓｐｒｅａｄ）和 高的而且可变的传播延迟的影响口¨。所有这些因素决定了声音信道的时间和空间可变性，并且使可用的水声信道带宽变得有限且更依赖范围和频率。根据传输的范围，水声通信链路的带宽会有显著的变化。表３．１展示了不同范围 水下信道的典型带宽。还可以根据声线的方向把水声链路大致分为垂直的和 水平的。如表３．１所示，它们的传播特性会持续不断的变化，特别是与时间差量（ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）、多径传播和延迟变化相关的特性。以上所述因素的大部分都是由水这一媒介的化学一物理特性带来的，例 如温度、盐度、密度，及它们的时空变化带来的。这些变化和信道的声波导向性质（ｗａｖｅ ｇｕｌｄｅｎａｔｕｅｒ），导致了声音信道的时空变化。特别是，到目前为止，水平信道在深水和浅水中都比垂直信道变化快的多。表３．１水声通信链路传输距离和带宽关系表 范围（ｋｍ）１０００．带宽（ｋＨｚ）、小于ｌ２～５ｌＯ～１００ １～１０ ０．１～１约等于１０２０～５０小于Ｏ．１大于１００哈尔滨丁程大学硕士学何论文３．３声传播的物理特征由于水声信道是一多路径、时变和色散信道，声波在其中的传播行为十分复杂。其传输带宽比电缆小两个多数量级。声传输数据通讯，在深海广阔 的水域对于数据信号的识别较为容易，由于在浅海大陆架尤其是在水深几十 米的海区以及沿海的码头、河口及内河中环境条件比较复杂的情况下，声传 输的可靠性、准确度受到影响。给我们提出了研究浅海各种物理因系对声传 输数据的影响及解决的措施。由于声传播信号多径效应、介质的有规和无规不均匀性，以及边界海面和悔底的粗糙度、海底沉积层及其多层结构以及内 渡、潮汐起伏和海面航道等等构成浅海声传播信道的物理要素的诸多影响。致使在实际的工作及试验中，可以很明显地看到，由于多径效应等影响使数 据信号难以鉴别。在这种复杂的声场条件下，如何利用声场环境和克服不利 因素，经过研究采用的关键技术主要有：移频键控技术、自适应频率跟踪技术、数据拆分复接技术和解算技术。３．４基于ＤＳＰ的水下通讯控制技术３．４．１系统工作原理声传输数据通讯机由水下机和水上机两部分组成。如图３．２所示，水下机 安装在两栖多足机器人上，由微处理机、水声信号发射机和水声换能器组成 微处理机将测量传感器或测量设备监测到的数据进行采集并转换成声脉冲信 号。再由水声信号发射机通过水声换能器将数据发出，如图３．３所示，水上机 由水声换能器、水声信号接收机和一个信号解算系统（微处理机）。水声信号 接收机通过水声换能器在水下工作的水域接收到水下机发出的数据信号后进 行放大和处理，再由信号解算系统（微处理机）进行数据的信号解调和运算处 理。将水下机传输的数据运算处理后进行贮存。Ｉ微处理器Ｈ水声信号发射机Ｈ水声换能器Ｉｒ――．．．．，―．．．．―．．．．１ｒ Ｉｒ－－－――――－－－－－―－－――－―－―－－―１图３．２水下机工作原理框图Ｉ水声换能器Ｈ水声信号发射机Ｈ信号解算系统ＩＩ―－－－－－－－－－－－－．．－－－．．．．．．．．．．．．．．－ＪＩ―－－．－－－－．－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－．－－―－－－－―ＪＬ?―－－－―－?－－―－－－．－．??－－－――－－－．－―－－―－－―－?－－－＿Ｊ图３．３水上机工作原理框图２４哈尔滨工程大学硕士学位论文水下机通过微处理机可和在水下工作的多种仪器设备联接，两栖多足机器人可自成体系也可以与其他机器人相结合来完成特定任务。使水下机器人 形成一个数据通讯网。水上机安装在海洋浮标上接收水下机的数据再通过无 线电通讯或卫星通讯将数据转发陆地台站。 近几年来，在深海水声信道中，水声ｍｏｄｅｍ技术满足了人们对通信作用 距离远、通信速度快、通信可靠性高等多方面的要求。而在浅海水声信道中， 由于多途效应对水声通信的影响，造成信号衰落和码间串扰，误码率大大增 加。要降低误码率，通常采取分集接收、差错控制等方法。而分集接收要增 加接收系统的复杂性，有时还受到条件的限制难以实现；差错控制虽然可以 降低误码率，但要增加冗余，使通讯速率降低。。两栖多足机器人通讯系统采用．ＩＦ（ｊｕｍｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）水声遥控技术，即跳频 编码通讯技术，在很大程度上克服了水声信道多途效应对遥控的不良影响。３．４．２两栖多足机器人水下通讯控制技术两栖多足机器人水下通讯控制系统主要包括水面的总控制台，以及水下 的一或多个子系统（如图３．４）。水下子系统的工作状态受控于水面总控制台的 水声遥控来进行各级工作，同时又要与水面总控制台保持通讯，并回报自身 的工作状态。这就要求２个子系统与水上总控制台的水下通讯具有很高的可靠性及极低的误码率。｜水下环境，∥属于频分复用技术。，．：！！！圭！墨…………。………Ｉ＿ 水上平台Ｉ ！：：：：：：７’。’‘ｉ：’。’Ｉｉ－‘?……………………。ｊ、、心、、水声■、、ｉ．．…．………．…．…．…．．．……．．．．……．…．…－………－…．………一………－……一．．…．…Ｊ图３．４两栖多足机器人水下通讯系统 一般情况下，通讯方案都是试图通过编码方法来改进通讯质量的，例如 调频（ＦＭ）、移频键控（ＦＳＫ）、频分复用（ＦＤＭＡ）、时分复Ｊ羽（ＴＤＭＡ）以及码分 复用（ＣＤＭＡ）等技术。本系统设计了ＪＦ跳频码来实现水下的低误码率通讯，哈尔滨工程大学硕士学位论文１．水下跳频编码原理本编码原理选用了间隔２００Ｈｚ的９个频率进行跳频编码，每个编码由不同 频率的９个单频填充码元组成，编码总带宽１８００Ｈｚ。编码频率彳一石，其中厶。一石＝２００Ｈｚ，ｉ＝１…９，指令码的组成如图３．５所示。其中，为指令码乃的第ｊ『个频率，石∈｛石，五…石），１≤Ｊ≤９，．互＝瓦＝１０ｍｓ，码长为１８０ｍｓ。ＴｃｌⅫ图３．５指令码的组成用如下规则排列ｆ（ｉ＝１…９）编码： １）种频率在１个指令码中应出现１次且仅出现１次，以利于多途情况下准 确识别码元的填充频率，降低误码率； ２）规定石、正、石为Ｉ频段，厶、石、五为ＩＩ频段，石、石、石为Ⅲ频段，则相邻码元的填充频率应属于不同的频段，同频段的不同频率至少相隔３个码元出现，这样可使相邻码元填充频率间隔较大，以利于在译码过程中 自适应滤波器对码元填充频率的识别。设指令码％，所，的频率填充顺次为： ｍｔ：ｌ忆ｌ∞ｆ＆ｌ涵ｌｔ～ｌ晦ｌｎｌ噜ｆ愕， ｍｊ：｛Ｌ、．ｆｊＬｌ ３孓ｌ ｂ～ｌ晤ｌｊ。ｆ｜１ｌ‰．ｆｊ９ 定义ｍｔ，ｍ，的码间距以为：办＝∑Ｐ（ｆａ，厶）ｋ＝ｌ（３―１）ｊｐ（厶，厶）＝１（厶≠厶）七＝１，２．．．（３－２）Ｉｐ（厶，厶）＝ｏ（Ａ｜－ｆｊｋ）７可见吒越大，％与ｍ，的区别越大，啊误译为ｍｊ的可能性就越小。所以应尽可能地选择以组间距较大的码充当遥控指令，以降低由于多途或噪声引起的误码率。 ２．水下自适应译码原理自适应滤波器为窄带梳状滤波器，其示意图如图３．６所示。通过改变参考２６ｉｉ葺■萱皇―ｉｉｉｉｉｉｉ置宣ｉ宣皇１哈尔滨丁程大学硕士学位论文ｍＩ＇ｌｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ―ｉ｜ｉ宣ｉｉｉ输入频率可达到调谐的目的，且运算简单，收敛速度快，易于编程处理。译 码采用自适应滤波器，这样可以达到准确识别各码元填充频率的目的。图３．６自适应滤波原理图图３．６中Ｘ（ｎ）为采样输入；Ｚ为采样周期；ｑ＝２］ｒｆ。Ｔ（ｉ＝１…９）为９个数 字角频率；ｃ?ｓｍ（ｑｎ），ｃ?ｅ，ｏｓ（ｃｏ，ｎ）为参考输入（ｉ＝ｌ…９），ｃ为系数，用于调 整滤波器带宽；ｔ（ｆ＝１…９）为逻辑开关，ａＩ，岛Ｏ＝１…９）为自适应权系数；ｅ（ｎ） 为误差；ｙ（ｎ）输出。在每一采样周期，对权系数和选频系数口习修正如下（“为 自适应迭代步长，初值毛＝１，Ⅳ为积分时间。 口ｆ（刀＋１）＝ｑ（胛）＋２粥（刀）勺（刀）ｃ?ｓｉｎ（ｃｏ，ｎ） ｂｉ（ｎ＋１）＝岛（万）＋２甜Ｐ（万）局（刀）ｃ?ｅｏｓ（ａ，ｌｎ）９（３―３） （３―４） （３―５）Ｐ（刀）＝工（行）一∑［ｑ（刀）向（甩）ｓｉＩｌ（ｑ力）＋６ｉ（刀）毛（刀）ｃｏｓ（ｑ以）】ｃｋＡｎ＋１）＝人｛【彳（力一所）＋砰（，ｌ一聊）】?Ｃ２＞Ｇ）式中：人［毛（力）】－ｌ；２７（３―６）哈尔滨工程大学硕士学位论文 ｍ＝０…Ⅳ一ｌ：ｑ（ｏ）＝１５Ｉ（ｏ）＝０；岛（０）＝１；－若力一朋＜０，贝０口ｊ（以－ｍ）＝ｂｊ（ｎ－ｍ）＝ｏ（ｉ＝１…９，刀＝１，２…）。水声信道是缓慢变化的相干多途信道，在接收端存在信号起伏．当信道变 化时，检测门限也随信道的改变而改变，收发端的位置变化也使信道的相干 性发生改变，信道的频率响应随之改变，接收端码元的频谱一般也要发生变 化．通过自适应门限检测，可减小误码率。由权值序列 ｑ（以），ｂｌ（ｎ），ｑ（ｏ）＝６｝（０）＝０，（ｉ＝１…９＇刀＝１，２…）可得到本频码段的４个检测门 限：包络幅度检测门限、包络平均能量检测门限、噪声能量检测门限、频率门限。本次译码中选择的Ｇ为由包络幅度推导的检测门限。在（３―６）式中，用【Ａ］表示?｛［砰研一册）＋砰（万一班）］?Ｃ２＞Ｇ）和［毛（刀）】－ｌ。当Ａ为真时，【Ａ】值为ｌ：Ａ为假时，【Ａ】值为Ｏ。当有连续的Ⅳ次采样均满足ｃ２（彳＋砰）＞Ｇ的时候，即认为Ｚ被识别，此时毛由ｌ变为Ｏ，且将一直保持０，直到本次译码结束。由上述自适应运算构 成一个具有９个中心频率．ｆＯ＝１…９） 的窄带滤波器组，对每个中心频率窄带滤波的带宽，可由下式估定：ＢＷ：丝．’（３―７）兀Ｔ在此估计的基础上，可通过程序调整带宽（调整Ｕ，ｃ，Ｔ）。在Ｆ２８１２处理器上调试证明，带宽可调在ｌＯＯＨｚ以内。３．水下双系统工作的实现 在以往的旧系统仅装配有一个水下子系统工作，编码时除遵循前面说明的规则外，同时按厂Ｉ加咖卵正咖旷ｌ加晌Ｉ顺序来编码，最多可以编１８组码间距大于等于６的ＪＦ码。而现在的系统为２个相距较近的子系统，为实现水上总控制 台对２个子系统的分时控制，以及２个子系统与水上总控制台的通讯互不干扰， 这就要求在扩充ＪＦ码数目的同时，又要保证２个子系统各自使用的ＪＦ码之间， 保持尽可能大的码间距，才能不降低传输误码率。因此，可将原来的码左移４位，即增加的码元按另一种编码顺序按频段排列彤ｌ阿Ｉ州Ｉ删Ｉ，又可增加１８组ＪＦ码，仍可保证整个系统所用的码间距均大于等于６。哈尔滨丁程大学硕士学位论文３．４．３两栖多足机器人水下控制系统设计两栖多足机器人水下子系统主要功能是在完成与水面总控制台的通讯 后，要根据所译的ＪＦ码指令来控制其他分机工作。在通常情况下系统如果仅 需要实现控制，采用目前广泛应用的单片机（例如８７Ｃ５１）即可；而本系统 的中央处理器主要实现的是实时译码功能，同时也要根据译码结果控制其他 分机工作，所以选用结构简单、成本较低、低功耗的定点ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片。 这是因为ＤＳＰ芯片具有改进的哈佛结构，独立的程序总线和数据总线，使得它 可以同时对程序和数据进行寻址，从而能够最大限度地提高数据处理能力。 而ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２芯片是美国ＴＩ公司生产的高性能控制芯片，在典型应用中能耗降至２．３５ｍＡ／ＭＩＰＳ。 两栖多足机器人水下系统中的控制电路以高速数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２为核心，包括Ａ／Ｄ转换采集芯片ＡＤ５７４、程序存储器２７Ｃ２５６以及输入输出电路。水下子系统对接收到的水面总控制台发射的跳频码做预处理后，经由Ａ／Ｄ电路（如图３．７），ＴＭＳ３２Ｆ２８１２对采样数据进行实时处理， 一经译出指令码后，便输出相应的控制信号，输入至输出接口来控制水下分 机系统工作，编码发射电路发射应答信号，给水面总控制台。另外，ＤＳＰ在等待水面控制台发射的跳频编码的同时，也通过输入接口，定时读取水下各分机系统的状态信号（这些信号包括水下各分机系统的电源控制信号、状态 信号），以便出现故障时向水面总控制台发出报警信号。图３．７子系统关系原理图 该通讯控制技术对码间干扰有较好的抑制能力，编码采用码间距较大的 ＪＦ码，更有效地降低了误码率，同时，处理器程序也考虑了噪声对解码的影哈尔滨工程大学硕士学何论文响，采用自适应梳状滤波方法，使虚警概率在理论上接近０。表３．２是在海深２０一－．，４０ｍ的情况下解码率和作用距离的关系：由表３．２可见，在相当广泛的浅海水声环境下，ＪＦ编码具有理想的解码率和接近０的虚警率和误码率。 表３．２解码率和作用距离的关系 作用距离／ｍ＜１０００解码率／％９６ ９０ ８５．误码率和虚警率０ ０ ０ Ｏ１０００～１５００１５００＂－＂１８００ １ ８００～２２００７０在此基础上，如将编码的填充波形修改为调频填充，调频宽度大于信道平均子通带宽度，则还可望有效抑制码内干扰，提高解码率。３．５基于ＣＡＮ总线的机器人内部通信系统设计两栖多足机器人为实现高度智能化，需要收集各种传感器信息，并将其 数据传送到中央处理机。随着两栖多足机器人功能的增加及复杂的环境信息 等，其通信系统必须要进行完善设计，为避免出现系统内部某一节点变化或 新的硬件设备增加引起整个系统改变，以及复杂的系统带来抗干扰性差，布 线、屏蔽、抗干扰、隔离地等众多问题。设计出基于ＣＡＮ总线的两栖多足机 器人内部通信系统，为机器人实现水陆两栖作业提供了有力保障。３．５．１ＣＡＮ通信的硬件设计ＣＡＮ节点的硬件设计一般有以下３种方式。 ①微控制器＋ＣＡＮ控制器＋ＣＡＮ收发器； ②集成ＣＡＮ的控制器＋ＣＡＮ收发器； ③ＣＡＮ的串行Ｉ／Ｏ器件＋ＣＡＮ控制器。 只要符合ＣＡＮ总线规范的单元都可通过ＣＡＮ接口接入ＣＡＮ总线。目前微 控制器主要有单片机、ＤＳＰ、ＡＲＭ等。根据节点要求不同，两栖多足机器人 分别设计了３种ＭＣＵ的ＣＡＮ节点。ＤＳＰ节点设计中采用ＴＩ公司ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 芯片作为中央处理器的核心模块，用以管理各个子模块。在两栖多足机器人哈尔滨工程大学硕十学位论文，中该节点起着数字信号处理和电机控制的功能。同时，ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２集成了一路ｅＣＡＮ（ｅａｈａｎｃ弓ＣＡＮ）模块，全面兼容ＣＡＮ２．０Ｂ协议。ＴＩ公司ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７系列ＣＡＮ模块中邮箱只有６个，２个接受邮箱，２ 个发送邮箱，２个可配置为接收或发送邮箱，这些特征使得内部通信更加通用、 可靠。２４０７系列写的代码不能直接移植到ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２中，但由于大多数的 寄存器功能基本相同，移植相对容易，尤其是用Ｃ语言写的代码。ｃＣＡＮ模块可配置为标准ＣＡＮ控制模式（ｓｃｃ）。ＳＣＣ模式是ｅＣＡＮ功能的简化，这种模式只有Ｏ～１５这１６个邮箱可用。而此时时间定标不可用， 接收屏蔽数减少。通过选择使用ＣＡＮＭＣ中的ＳＣＢ位来选择ＳＣＣ模式或全部ｅＣＡＮ模式。由于时序的关系，在设计硬件时采用ＣＰＬＤ来设计ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２外存图１仅给出了ＣＡＮ通信部分的接口电路，ＣＡＮ收发器采用 ＳＮ６５ＨｖＮ２３０，且要在ＣＡＮ收发器和ＣＡＮ总线间采用光偶隔离，以防干扰。的接口，ｅＣＡＮ模块使用前必须初始化，如图３．８。初始化要对以下位进行操作： 主控制寄存器（ＣＡＮＭＣ）的改变配置请求位（ＣＣＲ），当其为ＣＣＲ位为０时， ｅＣＡＮ处于正常工作方式，为１时ｅＣＡＮ处于配置方式；错误状态寄存器 （ＣＡＮＥＳ）的改变配置使能位（ＣＣＥ），当其为０时，ＣＰＵ不能写控制寄存器， 为１时则可以；位定时器配置寄存器（ＣＡＮＢＴＣ），它用合适的网络定时器参数配置ＣＡＮ节点。当ＣＣＲ为１时，ＣＰＵ必须等至ＵＣＣＥ置位为ｌ才能操作ＣＡＮＢＴＣ。上正常模式（ＣＣＲ＝０）（ＣＣＥ＝Ｏ）士位定时参数改变使能＋ｌ配置模式请求（ＣＣＲ＝Ｉ）（ＣＣＥ＝０）Ｉｒ等待配置模式（ＣＣＲ＝Ｉ）（ＣＣＥ＝０）上正常模式请求（ＣＣＲ＝０）（ＣＣＥ＝Ｉ）ｒ等待正常模式（ＣＣＲ＝０）（ＣＣＥ＝Ｉ）ＣＣＥ＝ｌ Ｔ ｃｃＦ：ｏ上Ｔ等待配置模式（ＣＣＲ＝Ｉ）（ＣＣＥ＝０）卜初始化完成正常模式图３．８ ｃＣＡＮ模块初始化流程图３ｌ哈尔滨丁程大学硕士学位论文３．５．２ＣＡＮ通信的软件设计系统初始化ＩｎｉｔＳｙｓｃｔｒｌ（）；●关中断◆初始化ＰＩＥ中断ＩｎｉｔＰｉｅＣｔｆｌ（）；＋Ｉ初始化ＰＩＥ中断矢量表Ｉｎｉｔｐｉ“ｅｃｔＴａｂｌｅ（）ｌ◆Ｉ初始化ｓｃＬＡ寄存嚣ｌＩｌｉｔＥｃ锄（）ｌ●ｌ设置中断服务程序入口地址◆开中断＋处理ＣＡＮ中断并返回图３．９ ７软件设计的基本思路流程ＣＡＮ的软件设计的主要流程是：ｅＣＡＮ模块的初始化；主节点接收外部 节点的信息；主节点或其它节点向另外的ＣＡＮ节点发送信息。软件设计的基 本思路流程如图３．９。 １．ＣＡＮ信息的发送过程 当邮箱被配置成发送邮箱（ＣＡＮＭＤ位为ｌ时），发送请求寄存器的 （ＣＡＮＴＲＳ位为１）则开始发送信息。如果有多个邮箱同时被