两栖机器人控制系统研究与实现

轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在 极浅水海域浮游的特种机器人。它巧妙地将水下机器人常用的螺旋桨推进器与陆 地爬行机器人的驱动轮结合为一体、将水下方向舵与陆地爬行腿结合为一体，实 现在水下浮游与陆地爬行运动模式之间自动的切换，从而能够在普通陆地爬行机 器人和水下浮游机器人无法进入的极浅水、碎浪带和海滩区域进行考察作业。 这种新型两栖机器人作业环境复杂、运动模式多样，其运行机理、控制策略 和建模方法等关键技术与传统的陆地或水下机器人有所不同。本文对轮桨腿一体 化两栖机器人控制系统进行研究，针对机器人具有的模块化、可重构和可扩展等 特性，采用开放式设计思想，完成了具有混合体系结构特点的控制系统设计，并 从硬件和软件两个方面对控制系统的实现进行了阐述。 在体系结构设计上，整个控制系统分为三层：慎思层、序列层和行为层。其 中慎思层负责基于推理的计算与决策，实现两栖机器人高层智能性；行为层负责 两栖机器人基于反应的反馈控制，其包容结构实现了两栖机器人对动态环境的快 速响应能力和适应能力；连接慎思层和行为层的序列层根据两栖机器人自身状态， 将慎思层的决策结果转化为行为层的执行序列。 在硬件设计上，控制系统由水面控制台子系统和载体控制子系统组成。水面 控制台子系统接收人的使命指令，分解成任务序列，通过CAN 总线或无线电下载 到载体控制子系统，实现慎思层的功能。载体控制子系统是由嵌入式主控计算机 节点、6 个驱动装置控制器节点、故障诊断与应急处理节点构成的基于高速CAN 总线的分布式控制系统，它根据接受到的任务目标，以及环境状态和机器人内部 状态，完成对机器人的实时控制，实现了整个系统序列层和行为层的功能。 在软件设计上，使用ANSI C 语言完成了各种硬件驱动设计、部分功能模块设 计工作。分布式控制系统各嵌入式节点在μC/OS-II 嵌入式实时操作系统的基础上 完成软件设计，并实现与其他节点之间的CAN 通信。 实验表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作，并具有良好的模块化 结构和开放性，为轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现和各项关键技术的研究奠 定了良好的基础。