白癜风到哪里治疗最好 https://mjbk.familydoctor.com.cn/bjbdfyy_zx/
以下文章来源于深海智人，作者海青虫近年来，自主式水下机器人（AUV）和遥控机器人（ROV）在海洋生物学和水下探测中的应用越来越广泛。这些水下航行器使人类能够到达对潜水员来说太危险，或根本无法接近的深度和区域。然而，当面对一些在复杂或狭窄的空间航行情况(如深海洞穴、沉船或珊瑚礁)，这时传统的遥控潜水器就会显示出巨大的实际局限性。1、传统机器人的局限性大多数ROV都是实质的欠驱动，在这些情况下无法做到精确和直接的操纵连接甲板控制站的脐带缆进一步降低了ROV在受限空间内自由移动的能力虽然AUV不受脐带缆的限制，但是，由于其本体的信号处理和导航能力有限，以及AUV欠驱动的特性决定了它们仍然不适合在此类环境下运行和工作自身容易受到无预警碰撞的伤害，特别是在水下洞穴这类的受限空间，刚性外壳的水下机器人与环境碰撞会导致壳体损坏或洞穴岩壁的坍塌到目前为止，针对水下机器人在这些局限性环境的作业问题，各国的航行器主要通过前期复杂的规划计算以及昂贵的技术方案来解决。典型的实现方案是对水下机器人添加多个传感器，以便在规划系统轨迹时更准确地捕获系统和环境状态，以及开发专门执行这类基于局部行为的控制策略和系统。然而，任何主动技术系统都可能发生故障，在这种情况下，被动结构或被动机制，可以更加有效且可靠的防止复杂且无预知信息环境对水下机器人系统造成严重的损坏，且多数情况下被动机制比主动机制更加的经济且容易实现。因此，从被动机制考虑，开发一种安全可靠、实现简单、经济实惠方案的技术路径顺势而出，且可以预见此路径下的方案，可以使得水下航行器能够在复杂且无预知信息的环境中安全操纵。2、生物的启发从自然界获得灵感是解决环境影响的主要途径。从进化的角度来说，有两个方向的概念可以应对这种环境对生物(设备)的影响：增加保护层的硬度：例如外骨骼或外壳，以防止任何变形容忍原则：即容忍自身产生一定程度的变形，以将持久损伤的风险降到最低，目前在汽车行业称之为“吸能”尤其是在纤毛虫、细菌或藻类等单细胞生物中，“容忍”原则占主导地位。这些有机体只有一层膜或大部分未受腐蚀的细胞壁与环境分离。这些小生物体中的大多数也无法主动避免碰撞。▲海洋单细胞生物草履虫然而，由于它们的质量很小，而且由于它们的“骨架”大多具有延展性和灵活性，因此它们仍然十分有效的避免了自身受到“硬”环境的严重伤害。以此为启发，采用柔顺而非僵硬的基本理念研发的软机器人和现代假肢已经广泛应用。对于水下航行器和潜水设备而言，已将“顺从性”用于不同的驱动形式和策略，这种被动柔顺机构的一个很大的优点是其在几乎所有可能的外形上适用，并展现同样的环境适应能力，同时允许几乎任何水下机器人系统都配备这些分段结构。但此类形式和策略，尚未用于结构骨架或壳体范畴内，以增强现有水下机器人系统的环境适应能力。▲一条仿生鱼的骨架在本期文章里，将介绍一种利用“顺从性”原则开发的水下机器人外壳(外骨骼)，是如何提高水下机器人的寿命，以及减少与环境碰撞时作用于系统的环境应力的。首先分析这种生物启发结构水下机器人的控制架构。一个真正的生物激励鲁棒系统面临的一个重要挑战是，能否补偿不断变化的环境、不断变化的负载或潜在的部分系统故障。越来越多的人对用于勘探、调查和经济目的的水下机器人的应用感兴趣，这导致了许多控制策略的发展，以提高此类系统对时变洋流或海浪的鲁棒性。最近，神经网络在自适应控制系统中的应用越来越广泛，比如构建移动机械手的重量分布变化模型和其他未建模流体力学。在上个世纪，生物激励自适应控制模型领域的广泛研究形成了一系列原则，这些原则使得计算或决策过程基于传统数学方法来说是不切实际或不可实现的。比如根据系统任务的不同，需要调整基于反馈的电机控制器，以使附加的感觉设备和附加的机械手不受影响地工作。为了实现对AUV的鲁棒、自主控制，一种可行的方案是将遗传算法作为一种简单的三层神经网络来调整一个相互连接的PID控制器系统。由于这个方法中权重参数的数量相对有限，因此尝试使用这种定向遗传算法作为生物学上合理的学习策略，而不是反向传播方法，后者通常用于更复杂的网络架构。同时在一个遗传算法中使用一个衰减的步长可以在相对较少的世代内使其性能快速收敛。为了给一个成功的自整定系统提供一个参考框架，可以将这种方法的性能与流行的启发式Ziegler-NicholsPID整定方法进行比较。作为概念证明，分析过程中量化了遗传整定算法对系统俯仰和横摇部件的稳定性能。由于原型的对称形状和重量分布，已知其行为足够可预测，以便在使用经典的Ziegler-Nichols方法时实现近似调谐成功。限于篇幅，本文接下来简要说明这种新型的AUV的设计选择，对于这个水下机器人系统所采用的遗传PID调节算法的实现方法，后续再做介绍。3、材料和方法为了在更普遍的情况下证明来自单细胞生物的顺应性外骨骼原理的作用，研究人员先行构建了一个全功能的原型，利用该样机对其吸收动能的能力进行实验评价。为了使这个新型AUV在六个自由度下同样灵活，研究人员设计了一个带有六个双向推进器的球形系统。这种几乎完整的设计也满足了对更好的运动方向的需求，因为其阻力系数保持不变，而不管系统的方向。此AUV共有六个NTM支柱驱动kV无刷电机，每个都连接到一个Turigy30安培电子速度控制器。选择这些是因为它们能够使用OneShotD协议来反转无刷电机的方向。该原理允许在需要时在任意方向产生推力，特别是在快速下降或方位修正的情况下。四个电机彼此距离相等，正向朝上。为了抵消角动量，相邻的电动机以相反的方向旋转。另外两个电机面向系统两侧向前放置。这些马达需要在不调整螺距的情况下前后移动系统，并提高系统在现场转动的能力。另外此AUV安装了两个超声波测距模块，一个在前面，面朝前进方向；另外一个在系统的下中心，面朝下。这些传感器为系统提供必要的环境数据，以避免撞击大型障碍物。如果作业需要，也可以根据这个数据来使得AUV保持与地板的恒定相对位置。此外，系统背面还安装了一个高度计，通过测量当前水压来监测相对于水位的实际深度。两个平行连接的11.3V锂聚合物电池位于AUV下部的水密容器中。所有其他电子部件都包含在上部相同类型的水密容器中。整个水下机器人系统由一个树莓派3B型控制，此控制板用于读取所有传感器数据输入，并使用i2c协议发送电机输出命令。为了便于操作，研究人员在水下进行的所有实验中，将树莓派控制板放置在拖曳水池外部，并通过数据传输电缆连接。4、柔性骨架AUV的性能在这项研究中，研究人员按照典型的碰撞环境进行了多次撞击试验，这些试验清楚地表明，软外骨骼是一种可行的方法，可以在保持水下航行器性能的同时，在不限制传感器或附加摄像机视场使用的情况下，提高水下航行器的安全性和寿命。进行的实验表明，受到生物激励的柔软的外骨骼在不限制AUV最大速度性能的情况下，显著降低了碰撞过程中的净加速度，净加速度的峰值大小是衡量撞击严重程度的适当尺度。因此较低的加速度表明系统本身的机械应力较低，对其环境的反作用力也较低。这类基于生物启发的软外骨骼在水下机器人的应用，对任何种类水下航行器或设备都有以下好处：极大地提高了遥控潜水器和水下机器人在不可预测环境中的操作能力允许与人类潜水员密切接触的安全操作降低ROV或AUV受损的风险减少对脆弱的水下环境造成损害的风险是满足完美避障需求的一种低成本、效益高的方法是提高现有系统的操作范围和安全性的经济有效的手段—END—作者：海青虫转自：深海智人

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkjg/5854.html