一種模塊化水下機器人的設(shè)計

金碧霞

（中國船舶重工集團第七一○研究所，湖北 宜昌443003）

0 引言

中船重工第710研究所研制開發(fā)的某探測型水下機器人，其配置有3個導(dǎo)管螺旋漿，用以實現(xiàn)水下機器人的潛浮、進退和轉(zhuǎn)彎等水下空間運動。搭載有高分辨率圖像聲納和水下電視，用于目標(biāo)搜索和識別。裝備有深度計、磁羅經(jīng)和聲應(yīng)答器等先進傳感器，實現(xiàn)水下機器人的導(dǎo)航運動控制。采用光電復(fù)合臍帶電纜供電和傳輸通訊及信號。該機器人是一種小型ROV，能夠從各種支持平臺上布放。主要用于湖泊河道和近海等水域，完成水下觀察、水下記錄和水下搜索等水下作業(yè)任務(wù)。

1 方案制定

沒有一種能完成所有任務(wù)的全功能機器人，因此，首先要依據(jù)任務(wù)使命和工作環(huán)境，構(gòu)建系統(tǒng)的軟硬件體系［1］。機器人要在湖泊河道等狹小水域中工作，就要求其在滿足耐壓、水密、負(fù)載和速度的前提下，具有體積小、運動靈活的特點。而機器人要完成探測和打撈任務(wù)，就需要在有限的空間裝載多種傳感器來進行目標(biāo)識別、環(huán)境探測。整個機器人是一個整合了探測識別系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)的大系統(tǒng)。這就要求有完善的系統(tǒng)集成設(shè)計和電磁兼容設(shè)計，才能確保控制與通訊信息的暢通，以提高機器人的可靠性［1］。

綜合考慮，將機器人采用模塊化設(shè)計思想，按各功能模塊分為探測識別艙段、動力推進艙段、控制艙段和艉部去流艙段。各艙段采用O型橡膠密封圈徑向密封，通過螺釘連接組成水下機器人的回轉(zhuǎn)體流線型外形，以減小水流阻力，降低能耗。艙段連接方式如圖1所示。

圖1 各艙段的連接

2 艙段設(shè)計

探測識別艙段又稱艏部迎流艙段，為水密半球形。動力推進艙段、控制艙段為圓柱形水密筒體，艉部去流艙段為非水密的圓錐形。水密艙采用高強度的鋁合金材料制作，殼體成型后進行陽極氧化、鉻酸鹽封閉處理。非水密艙段采用重量輕、成形方便和修理容易的玻璃鋼材料制作。在機器人殼體外表面涂覆防腐油漆，以提高耐海水腐蝕能力。

2．1 探測識別艙段

探測識別艙段主要裝有高分辨率圖像聲納和水下電視，為了更好地觀察識別目標(biāo)，在艙內(nèi)還設(shè)計有一套俯仰機構(gòu)，可以使探測識別組件在－90°～45°的縱截面（垂直面）角度內(nèi)進行俯仰動作。為保證艙段不因自重而下垂，俯仰機構(gòu)采用帶有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動，并用電位計作為角度檢測傳感器，俯仰角度信息可在水面控制臺屏幕上顯示，以方便操作人員對水下機器人進行操縱和控制。圖像掃描聲納可在低能見度的水體中對周圍環(huán)境進行聲學(xué)掃描，用于水下目標(biāo)識別、避障或者水下目標(biāo)聲成像。聲納通過機械旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)聲學(xué)掃描聲納，可進行聲學(xué)放大、及時反轉(zhuǎn)和扇區(qū)掃描。軟件可對發(fā)射頻率、增益、聲納作用距離、掃描扇區(qū)和速度／分辨率等進行設(shè)置。水下電視包括1個攝像機及2個照明燈。其中2個照明燈以向下約30°的角度固定布置在攝像機兩側(cè)，可隨俯仰機構(gòu)在縱截面內(nèi)轉(zhuǎn)動，保證近距離識別時對水下攝像機視場的覆蓋。

2．2 動力推進艙段

動力推進器采用模塊化設(shè)計，通過電機直接驅(qū)動導(dǎo)管螺旋漿轉(zhuǎn)動。由推進電機、連接架、螺旋槳、導(dǎo)流罩和傳動軸等組成。動力推進器結(jié)構(gòu)如圖2所示。機器人的水下潛浮、進退和轉(zhuǎn)彎運動是通過2個水平推進器和1個垂直推進器組合配置方式來實現(xiàn)的，其中水平推進器以外掛方式布置在航行體左右兩側(cè)，垂直推進器以槽道的方式布置在艙段中間一個貫穿的筒體內(nèi)。控制3個導(dǎo)管螺旋漿的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、差速和同速轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機器人的水下空間運動。當(dāng)左右2個螺旋漿以相同轉(zhuǎn)速同向轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)機器人沿直線前進或后退；當(dāng)左右2個螺旋漿以相同轉(zhuǎn)速反向轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)機器人原地轉(zhuǎn)動；當(dāng)左右2個螺旋漿以差速轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)彎。垂直螺旋漿可實現(xiàn)機器人水下下潛和上浮。推進器電機控制板安裝固定在動力推進艙內(nèi)，通過水密插座和水密電纜與艙外進行電氣連接。

圖2 動力推進器結(jié)構(gòu)

2．3 控制艙段

控制模塊是水下機器人的大腦，它擔(dān)負(fù)著水下機器人的控制命令的發(fā)送，反饋狀態(tài)信息的接收以及各種數(shù)據(jù)的處理等重要信息?？刂颇K采用分布式控制系統(tǒng)，分為水上模塊和水下模塊。水下模塊主要包括中央控制單元、傳感器單元和通信單元。

中央控制單元是水下機器人的控制核心，實時接收操控臺的指令并按照指令控制各執(zhí)行部件?？刂栖浖饕ǘ嗝襟w視頻顯示、串行通訊、數(shù)據(jù)采集與處理、I／O控制、航向控制、深度控制和安全性控制等模塊。控制硬件采用PC104總線計算機，在其運行Vx Works嵌入式操作系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)實時性和遙控操作性［2］。通過A／D采集接口接收水下航行體各傳感器信息，通過數(shù)字量輸入接口采集電機各狀態(tài)參數(shù)，所有水下航行體狀態(tài)參數(shù)經(jīng)微處理控制器處理后，通過通訊接口送至水面顯控臺顯示。采用D／A接口電路來控制各推進電機。執(zhí)行機構(gòu)控制電路主要用開關(guān)量輸出驅(qū)動繼電器的方式，來控制各執(zhí)行機構(gòu)的動作。機器人的水下控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

圖3 水下控制系統(tǒng)硬件組成

傳感器包括2種類型，測量運行狀態(tài)的傳感器（深度計、磁羅盤和聲應(yīng)答器）和測量自身安全的傳感器（漏水檢測器）。選擇高精度壓力傳感器作為深度檢測設(shè)備，利用深度偏差信號作為深度控制系統(tǒng)的主控信號。深度控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)方法，通過參考模型對其進行參數(shù)整定。為提高航向的控制精度，增強抗干擾能力，采用閉環(huán)航向角控制，航向角的檢測傳感器選擇磁羅經(jīng)。主平臺通過自身的聲納詢問安裝在航行體背部的應(yīng)答器，實現(xiàn)航行體的跟蹤和定位。

水下機器人的耐壓艙不僅用來裝載電子功能設(shè)備和傳感器，還要提供機器人航行時的浮力，因此，要有可靠的密封。為保證機器人正常工作和航行安全，在每個艙段均設(shè)計有漏水檢測器。漏水檢測器分別接在不同的I／O端口，控制臺可具體地判斷每個模塊艙的安全情況，提高了檢測效率。

2．4 艉部去流艙段

水下機器人在水中運行時，不可避免地會受到水體粘性阻力的影響，不利于水下機器人低阻力、高效率的空間運動［3］。所以減小行進阻力及動力消耗是設(shè)計中的一個主要關(guān)鍵點。艉部去流艙段與艏部半球迎流艙段、舯部圓柱艙段組成水下機器人的流線型外形。為保證機器人的水中運行平穩(wěn)，在殼體外表面配置有4個穩(wěn)定翼板，成“十”字形布置。

3 通訊及信號傳輸

機器人的通訊及信號傳輸由存儲在電纜絞車上的光電復(fù)合臍帶電纜來完成，同時光電復(fù)合臍帶電纜也傳輸航行體所需的電力。光端機是信號傳輸?shù)臉屑~，光端機將視頻信號、聲納信號和機器人的各種狀態(tài)信息進行調(diào)制處理，并轉(zhuǎn)換為光信號，通過光電復(fù)合臍帶電纜內(nèi)的光纖傳輸?shù)剿婵刂婆_，由光纖通訊裝置轉(zhuǎn)換為電信號，在水面控制臺屏幕上顯示。同時，光端機也接收水面控制臺光纖通訊裝置發(fā)送來的光信號，并轉(zhuǎn)換為電信號送給航行體水下控制單元以實現(xiàn)對機器人的水下運動控制。機器人通訊及信號傳輸如圖4所示。

圖4 通訊及信號傳輸

4 結(jié)束語

2011年，分別在湖北清江和漳河水庫對模塊化設(shè)計的探測型水下機器人進行試驗。將一個模擬目標(biāo)預(yù)先用浮標(biāo)吊掛在水下，操縱水下機器人到達預(yù)定水域，當(dāng)聲納搜索探測到可疑目標(biāo)后，操作人員在聲納的導(dǎo)引下，操縱水下機器人進一步接近目標(biāo)點，并利用聲納或水下電視觀察識別目標(biāo)。試驗取得了令人滿意的結(jié)果，該水下機器人有良好的機動性，能滿足進行水下作業(yè)所需的運動控制要求，所采集到的數(shù)據(jù)也能較好地反映目標(biāo)的實況。

［1］ 徐玉如，李彭超．水下機器人發(fā)展趨勢［J］．自然雜志，2011，33（3）：125－132．

［2］ 孫玉山，龐永杰，萬 磊，等．堤壩檢測水下機器人GDROV方案研究［J］．船海工程，2006，（1）：84－86．

［3］ 宋思利，劉甜甜，康凱燦，等．自主水下機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．機器人技術(shù)與應(yīng)用，2012，（4）：29－31．