面向濒海环境的仿海蟹机器人全向疾驰步态规划与目标连续跟踪研究

To meet the requirements of underwater exploration and operation in offshore zone, a littoral crablike robot is designed in this work by choosing the preying motion of sea crab as bionic object with the advantages of propulsion efficiently, target tracking and attitude adjustment quickly underwater. The motion data of sea crab preying underwater is got through the high-speed photography and three-dimensional motion capture system. Combed the arthropod composition of sea crab, the time sequence of preying process, motion coupling of walking leg and swimming paddle, and underwater attitude adjustment are analyzed, and thereby the motion model is established. In order to study the skipping-swimming propulsion strategy of the robot, an omni-directional galloping gait is proposed based on the skipping motion of walking leg and the swimming motion of paddle to realize the propulsion and direction control of the robot. According to the Hamilton's principle, the three-dimensional floating-base method is used to establish the mechanical model of omni-directional skipping-swimming strategy. Furthermore, the hydrodynamic characteristics of leg-paddle coupled system are analyzed, and the approximation of discrete points is constructed by three-dimensional mesh-less method. Then the underwater attitude adjustment of the robot is completed based on visual feedback on the binocular vision platform to carry out the continuous tracking of underwater target. Moreover, the experimental facility is built for the robot propulsion with high mobility to conduct the experimental study of under propulsion of the robot and the performance test of proposed gait.

面向濒海地带未来水下探索和作业需求，以生物海蟹捕食运动为原型研究一种具有水下高效推进、水下目标跟踪、水下姿态快速调整等特点的仿海蟹机器人。通过高速摄像和三维运动捕捉系统，获取生物海蟹水下捕食过程的运动数据，结合生物海蟹的复杂肢节动物组成，分析捕食过程中的动作时序、步行足与游泳桨运动的耦合以及水下姿态调节过程，建立仿海蟹机器人运动模型，研究其水下蹬-游推进策略。提出一种全向疾驰步态，通过步行足的蹬和游泳桨的拍打实现推进和方向控制。基于哈密顿原理，采用三维浮动基方法建立仿海蟹机器人全向蹬游策略的力学模型。通过三维无网格法构造基于离散点的逼近，分析足桨耦合系统的水动力特性。采用双目视觉系统，通过视觉反馈确定仿海蟹机器人水下姿态调节，实现水下目标的连续跟踪。研制仿海蟹机器人水下高机动性推进的实验装置，开展仿海蟹机器人水下推进实验研究，完成仿海蟹机器人试验样机研制，并进行整机全向疾驰步态性能测试。

近年来针对濒海环境下的生物观察、军事侦察探测、抢险救援、水文观测等方面的研究逐渐成为热点。濒海环境所涉及的地面地形复杂，往往表现出不同于刚性地面的流动性，螺旋桨推进的传统水下机器人不具备对这一环境的全地形通过能力。而生物海蟹采用游走结合的方式，对两栖环境具有良好的适应能力。以海蟹为仿生参照原型，研发接近生物海蟹运动特性的两栖仿生机器人，对提高机器人在浅滩环境的适应能力以及探索近海资源有着重要的研究意义和实用价值。.本研究通过总结机器人及其在流动地面和水下运动方法的研究现状，以生物海蟹为仿生原型，通过生物运动学观测结果，规划了仿海蟹机器人步行足足端轨迹。通过颗粒力学实验验证了颗粒地面的非对称性质以及地面接触力学模型，以此为基础研究了足端轨迹和步行足形状对机器人运动性能的影响。规划了游泳桨横向游动步态，通过CFD法和浮游动力学模型两种方式对游动步态进行了水动力学分析，研究分析了足桨耦合运动方法对机器人水底爬行运动性能的影响。.对机器人完成目标物的定位与其模板的获取方法展开研究。对基于YOLOV4-Tiny网络模型的目标识别方法原理展开研究分析，在其模型的卷积层获取到的多通道水下目标特征图中增加通道权重项，根据权重项的取值来增强有用特征通道与弱化无用通道。在机载嵌入式上进行测试的结果表明，该方法在保证模型前向传播速度满足实时性要求的前提下，提高了的识别精度。.对机器人在持续帧中完成目标物的定位跟踪方法展开研究。对基于孪生网络模型的目标跟踪方法原理展开研究，利用由逐点卷积与逐深度卷积线性组合而成的深度可分离卷积优化的网络模型，有效的降低了水下目标图像在候选网络分支中前向传播时的参数量，从而提高了模型的运算速度。在机载嵌入式上进行测试的结果表明，该方法有效的增加了系统运行的实时性。