[发明专利]一种多足机器人水下飞行方法

权利要求书

1.一种多足机器人水下飞行方法，其特征在于：所述方法分为三个步骤，分别为多足机器人结构设定、多足机器人外形变换和多足机器人水下飞行；

所述多足机器人水下飞行方法的具体步骤如下：

一、多足机器人结构设定：

所述多足机器人包括主体结构、左侧第一至第三机械足、右侧第一至第三机械足、控制系统、电池组、螺旋桨推进器和滑行板；

所述主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为所述多足机器人的主体支撑与连接结构；

所述多足机器人左右两侧对应的所述机械足具有相同的基本结构，即每个所述机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与所述驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，所有所述第三足节上都安装有传感器，所述驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，所述足节皆由所述高强度轻质材料构成，所述第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，所述第二足节上皆有一个轴孔；所述第三足节在每个所述机械足最外侧，与所述第三驱动电机固定，所述第三驱动电机的输出轴在水平方向上与所述第二足节的所述轴孔串联，所述第二足节与所述第二驱动电机固定，所述第二驱动电机的输出轴在水平方向上与所述第一足节的所述水平方向轴孔串联，所述第一足节的所述竖直方向轴孔与所述第一驱动电机串联，所述第一驱动电机固定在所述主体结构上；

所述控制系统安装在所述主体结构的内部，包括中央处理器、信号接收器和作动器，所述中央处理器与所述信号接收器通过无线通讯相连，所述信号接收器内嵌在所述作动器上，所述作动器分别与所述螺旋桨推进器和所述滑行板相连；

所述电池组安装在所述主体结构的内部，作为电源给所述多足机器人中的所有所述驱动电机供电；

所述螺旋桨推进器，分别安装在所述多足机器人每一侧的所述第三机械足的所述第二足节上；

所述滑行板包括翼面和四个连杆，安装在所述多足机器人的所述主体结构下方，所述四个连杆分别为两个前推杆和两个后推杆，所述前推杆安装在所述翼面前端两侧，所述后推杆安装在所述翼面后端两侧；

所述多足机器人通过所述主体结构、所述左侧第一至第三机械足、所述右侧第一至第三机械足、所述螺旋桨推进器和所述滑行板之间的硬件配合与所述控制系统的软件配合，机电一体化，为下述所述多足机器人的外形变换和水下飞行提供基础；

二、多足机器人外形变换：

所述多足机器人有两个运动模式，分别为：行走模式和水下飞行模式；

所述多足机器人初始外形设定为所述左侧和右侧第一至第三机械足各自处于展开状态，用于所述行走模式；当切换成所述水下飞行模式时，所述第三驱动电机和所述第二驱动电机带动对应的所述输出轴在水平方向上旋转，使得处于所述行走模式的所述多足机器人每一侧的所述第一至第三机械足伸展到水平位置，所述第一驱动电机带动对应的所述输出轴在竖直方向上旋转，使前三个所述机械足并拢到一起形成一个板状结构，所述板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个所述机械足上的每一个所述足节都是所述对称翼形结构的一部分，所述对称翼形结构可以减小所述多足机器人处于所述水下飞行模式时的阻力；

三、多足机器人水下飞行：

当所述控制系统的所述中央处理器发出指令让所述多足机器人从所述行走模式切换到所述水下飞行模式时，所述控制系统的所述信号接收器接收到所述指令并触发所述作动器，所述作动器开始动作使得所述主体结构上的所述滑行板伸展到最大位置与海底接触，然后所述螺旋桨推进器开始工作推动所述多足机器人向前加速滑行，直至所述多足机器人离开海底开始上升；在向上航行过程中，所述滑行板的所述前推杆收缩和所述后推杆伸展使所述滑行板产生向上的升力，所述多足机器人向上爬升，在向下航行过程中，所述滑行板的所述前推杆伸展和所述后推杆收缩使所述滑行板产生向下的升力，所述多足机器人向下俯冲；

同时，所述传感器、所述控制系统、所述滑行板和所述螺旋桨推进器相互协作，根据水下压强与阻力的变化，对处于所述水下飞行模式中的所述多足机器人进行自适应控制，使得所述多足机器人在最佳节电模式下进行工作，达到节能环保的目的，具体实施方法如下：

(1)所述第三足节上的所有六个所述传感器感知水下压强与阻力，并将所述压强与阻力数据通过所述信号接收器传递给所述控制系统的所述中央处理器；

(2)所述中央处理器对接收到的所述压强与阻力数据进行加权回归分析；首先所述中央处理器计算所述压强与所述阻力之间的高斯核函数，得出所述压强与所述阻力的权重关系，所述高斯核函数的计算公式如下：

其中p＝{p₁,p₂,p₃,p₄,p₅,p₆}为所述水下压强数据集，p₁,p₂,p₃为所述多足机器人左侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下压强值，p₄,p₅,p₆为所述多足机器人右侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下压强值，为所述压强数据集中六个所述水下压强值的平均值，f＝{f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆}为所述水下阻力数据集，f₁,f₂,f₃为所述多足机器人左侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下阻力值，f₄,f₅,f₆为所述多足机器人右侧所述第一至第三机械足第三足节上所述传感器接收到的水下阻力值，为所述阻力数据集中六个所述水下阻力值的平均值，k为权重值，exp为高等数学里以自然常数e为底的指数函数，ω为所述高斯核函数，为和的所述高斯核函数；

其次，所述中央处理器进行回归函数计算，得到压强与阻力综合影响因子，所述压强与阻力综合因子为一个综合考量海上所述压强与所述阻力对所述多足机器人运行状态影响大小的数值，所述压强与阻力综合影响因子的计算公式如下：

其中p为所述水下压强数据集，f为所述水下阻力数据集，为和的高斯核函数，λ为回归系数，一般取0.4～0.8，‖‖₂为二范数运算符，argmin为当函数取得其最小值时所有自变量的集合，z为所述压强与阻力综合影响因子；

(3)所述压强与阻力综合影响因子与所述多足机器人的运行速度之间存在反比关系，所述中央处理器将所述压强与阻力综合影响因子通过所述信号接收器传给所述滑行板与所述螺旋桨推进器上的所述作动器，所述作动器调整动作来改变所述多足机器人的速度，使得所述多足机器人处于所述最佳节电模式；

并且，所述多足机器人还能通过左右两个所述螺旋桨推进器的差速旋转进行方向的调整，最终所述多足机器人可以进行完整的包括速度控制和方向控制的水下飞行。