警用水下機器人設計方案研究

金碧霞，詹傳明

(中國船舶重工集團 第七一○研究所, 湖北 宜昌 443003)

0 引言

介紹了一種警用水下機器人，該水下機器人是中國船舶重工集團公司第七一O研究所于2010年針對“廣州市公安局水底搜索掃描機器人系統(tǒng)采購項目”而研發(fā)的。主要用于水下刑事證物的探測識別、涉案水下現(xiàn)場搜索調查，并承擔廣州亞運會期間的水下重點區(qū)域安保防護任務。警用水下機器人是一種裝備有聲、光、電等多種先進傳感器的小型ROV。其具有以下功能：

1) 具有水下攝像、拍照及存儲視頻、圖像的功能；

2) 具有聲納探測及存儲聲納視頻的功能；

3) 具有實時定位、實時航跡顯示水下機器人方位及存儲航跡圖像的功能；

4) 具有航向保持、深度保持、漏水報警、深度超限報警、遠光燈、近光燈等多種輔助ROV航行及執(zhí)行任務的功能。

1 方案組成及工作原理

1.1 方案組成

警用水下機器人可分為水下航行體、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)四部分。水下航行體是實現(xiàn)警用水下機器人探測作業(yè)的載體平臺，搭載有聲納、水下電視、磁羅經(jīng)、深度計等傳感器，可在水下懸停和定向對目標觀察，使搭載的水下電視能夠獲得較好的信息。采用超短基線定位系統(tǒng)，定位傳感器包括方位傳感器、衛(wèi)星定位(GPS)接收機、聲學換能器基陣、聲信標等，可給出水下航行體在水中的大地坐標、運動軌跡以及目標的大地坐標。用控制臺的兩個手柄來實現(xiàn)水下航行體的運動控制和作業(yè)過程中的各功能操作控制。母船或岸上的臍帶電纜絞車可為水下航行體源源不斷地輸送動力能源。

1.2 工作原理

操作手柄各種指令信號由水面控制臺主控計算機處理后傳送到上位光端機，上位光端機將送來的指令信號轉換為光信號送到水下航行體內部的下位光端機。下位光端機再將此光信號還原為電信號送給水下控制計算機以控制各執(zhí)行機構。水下控制計算機采集水下航行體的狀態(tài)信息送上位光端機。水下電視及聲納的視頻信號由下位光端機轉變?yōu)楣庑盘柡螅斔徒o上位光端機。上位光端機再將這些光信號還原并送控制臺主控計算機進行處理，經(jīng)處理后的信號可顯示在主控臺顯示器上。操作員根據(jù)顯示信息操縱手柄來操縱水下航行體的運動及懸停。警用水下機器人工作原理示意圖見圖1。

圖1 警用水下機器人工作原理示意圖

2 技術方案分析

2.1 水下航行體設計

水下航行體是帶有臍帶電纜的遙控操作潛水器。由頭部半球形迎流段、中部圓柱段、尾部錐形去流段組成流線型外形。為確保水下航行體的水中運行平穩(wěn)，尾部配置有三個呈倒“Y”形的穩(wěn)定翼板。頭部殼體、尾部殼體和穩(wěn)定翼板為不耐壓的輕質殼體，中部為耐壓殼體。探測識別組件(水下電視、水下攝像機)安裝在頭部的旋轉云臺上，可在俯仰機構電機的帶動下，隨云臺在-90°～45°的垂直面角度內進行俯仰動作，以增加其探測識別效果。在水下航行體兩側布置有動力推進器，其中輔助推進器以一定角度傾斜布置在水下航行休浮心前方附近，水平推進器沿水平方向布置于水下航行體后半部分。

水下航行體的控制是由控制臺上兩個操作手柄完成的，右操作手柄控制前進及轉向運動，左操作手柄控制上浮和下潛運動。利用兩個操作手柄的聯(lián)合作用，水下機器人能夠在一定距離上繞目標轉動。水下航行體深度控制采用經(jīng)典的PID調節(jié)方法，利用深度偏差信號作為深度控制系統(tǒng)的主控信號，通過控制輔助推進器吹向推力來完成其深度控制。采用磁羅經(jīng)作為航向角的檢測傳感器，為了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。當確定水下航行體向某一航向定向航行時，如偏離了航向，則磁羅經(jīng)將偏航信號傳遞給控制計算機，控制計算機根據(jù)偏航的差值，向左右推進器發(fā)出修正航向的命令，修正航向，使水下航行體保持確定的航向航行。水下航行體在水中有輕微正浮力，不進行操控時，水下航行體將會緩慢上浮到水面。水下航行體頭部安裝有定位信標。水下航行體外形如圖2。

圖2 警用水下機器人水下航行體外形示意圖

2.2 定位系統(tǒng)設計

采用“水面GPS+水聲跟蹤定位系統(tǒng)”的方式，能為水下航行體運動控制提供必要的位置信息，可給出水下航行體在水中的大地坐標，運動軌跡以及目標的大地坐標。

定位系統(tǒng)由水聲跟蹤定位系統(tǒng)、方位傳感器、衛(wèi)星定位(GPS)接受機等組成，系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

圖3 定位系統(tǒng)組成示意圖

1) 水聲跟蹤定位系統(tǒng)

水聲跟蹤定位系統(tǒng)包含跟蹤系統(tǒng)處理器、聲學換能器基陣、聲信標，其中跟蹤系統(tǒng)處理器放置于水面，聲學換能器基陣布放于水下，聲信標安裝于機器人本體上。水聲跟蹤定位系統(tǒng)選用ORE公司的TrackPoint 3P水聲跟蹤系統(tǒng)。

TrackPoint 3P是一套便攜式超短基線聲學定位系統(tǒng)，它具有良好的用戶接口界面。其主要技術指標如下：

不考慮波浪影響時，水平位置的絕對精度：±0.75%(斜距RMS)；

最大作用距離：≥500m。

2) 衛(wèi)星定位(GPS)接受機

衛(wèi)星定位(GPS)接受機選用星網(wǎng)宇達公司研制的XW-GPS1000型接收機，它是一款高精度、高動態(tài)、高性能的GPS接收機。在無SA時，自主定位精度可達1.1m CEP，數(shù)據(jù)更新率可達20Hz。是高精度、高動態(tài)領域的最佳選擇。

3) 定位系統(tǒng)集成軟件

綜合定位集成軟件用來把聲信標的相對位置換算成絕對位置，顯示目標位置、水下機器人本體位置、控制臺位置，機器人航跡，便于操作機器人作業(yè)。定位系統(tǒng)軟件包括TrackMan和IPS兩套軟件，當警用水下機器人作業(yè)時需要在后臺運行TrackMan

2.3 控制系統(tǒng)設計

警用水下機器人采用分布式控制系統(tǒng)[1]，由水上和水下兩個節(jié)點組成，水上節(jié)點采用高性能低功耗的JNB-140系列加固筆記本電腦。這款產品使用 Intel 雙核處理器，支持Windows XP Windows2000/Vista操作系統(tǒng)。水下節(jié)點采用PC104總線計算機，在其上運行VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)以實現(xiàn)系統(tǒng)實時性、遙控操作性。

2.3.1 水下控制單元

水下控制單元通過通訊接口接收操控臺指令用于完成水下航行體的運動控制和作業(yè)過程中的各功能操作控制。水下控制單元原理框圖如圖4所示。

圖4 水下控制單元原理框圖

水下控制單元用于完成水下航行體的運動控制和作業(yè)過程中的各功能操作控制。通過通訊接口接收操控臺指令，控制水下航行體的各執(zhí)行機構；通過A/D采集接口采集水下航行體各傳感器信息，通過開關量I/O接口采集電機各狀態(tài)參數(shù)，水下航行體的所有狀態(tài)參數(shù)經(jīng)水下控制單元處理后發(fā)送至操控臺顯示；采用D/A接口模塊控制水下航行體各推進電機的轉速。為了消除或減小電機對水下控制單元的干擾，在電機控制與水下航行體計算機之間加入光電隔離和高隔離度模擬放大電路。執(zhí)行機構的控制主要是用開關量I/O驅動繼電器的方式來實現(xiàn)。

水下控制單元功能主要包括：

a) 實現(xiàn)對推進電機的正反轉與加減速控制；

b) 自動深度控制；

水下航行體通過控制輔助推進器吹向推力來完成其深度控制。選擇高精度壓力傳感器作為深度檢測設備，利用深度偏差信號作為為深度控制系統(tǒng)的主控信號。深度控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的PID調節(jié)方法，通過參考模型對其進行參數(shù)整定，效果比較理想。

c) 自動航向控制；

為了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)。

d) 執(zhí)行機構控制(俯仰機構、機械手)；

e) 聲納、照明燈、攝像機的電源控制；

f) 信號采集功能，包括：推進電機狀態(tài)、漏水信號、深度、航向、俯仰角度、儀器電流、動力電流、動力電壓信號等。

2.3.2 水面控制臺

水面控制臺由主控計算機、操縱桿、接口轉換器以及光端機等功能擴展單元組成。主控計算機運行水下機器人顯控軟件，實現(xiàn)操縱、顯示、記錄及聲光報警功能，是整個水下機器人的監(jiān)控中心。水下機器人在水下獲取的電視圖象、傳感器數(shù)據(jù)及水下航行體的狀態(tài)信息都在此實時地綜合顯示出來，以便操縱員對水下航行體發(fā)出遙控指令。接口轉換器將多種通信信號和視頻信號轉換成統(tǒng)一的信號便于和計算機連接。包括視頻信號轉換器、串口信號轉換器、USB-HUB、網(wǎng)絡交換器。光端機將多種通信信號和視頻信號轉換成光信號，和水下航行體內部的光通信機進行通信。警用水下機器人光端機傳輸?shù)男盘柊ù?32信號、網(wǎng)絡信號以及視頻信號。其中串行232信號主要指上位機與下位機之間通信的串行信號，網(wǎng)絡主要傳輸前視聲納的網(wǎng)絡信號，視頻信號指的是攝像頭攝制的視頻信號。

水面控制臺原理框圖如下圖5所示。

圖5 水面控制臺原理框圖

2.4 系統(tǒng)軟件設計

在水面主控計算機上利用Windows下強大的Visual C++6.0編程工具，開發(fā)出高效的人機操作程序。為了便于調試和程序的修改，控制軟件為模塊化設計，分為主程序、中斷服務程序、顯示子程序、濾波程序、推力分配子程序、顯示子程序、運動控制算法子程序等。警用水下機器人顯控軟件是操作人員操控水下航行體作業(yè)的主要人機交互界面，實現(xiàn)的主要功能包括：

a) 人機接口界面；

b) 水下電視圖像顯示及存儲；

c) 水下航行體狀態(tài)信息監(jiān)測顯示：航向、深度、電流、電壓、電機轉速、橫傾角、縱傾角；

d) 水下航行體操控指令處理；

e) 綜合導航軌跡圖顯示；

f) 漏水報警顯示。

警用水下機器人操控軟件界面如圖6所示。

圖6 警用水下機器人操控軟件界面

3 結論

2010年7月在珠江對警用水下機器人進行了交付驗收試驗。試驗過程是：選擇水深20～40m左右的開闊水域，將模擬目標用浮標吊掛在水下約5～10m；操縱水下航行體到達預定水域，利用聲納設備進行大范圍的水下搜索探測任務；聲納設備搜索探測到可疑目標后，操作人員在聲納的導引操縱水下航行體下進一步接近目標點，并利用高分辨率圖像聲納或水下電視觀察識別目標。試驗結果表明警用水下機器人能正常探測到目標，圖像記錄器能記錄觀察目標的實況，并且水下航行體的航行軌跡可實時顯示在控制臺上水聲跟蹤定位的軌跡圖上。

通過具體的試驗結果驗證了警用水下機器人具有安全可靠、工作效率高等優(yōu)點。在深度、航向和定距控制上都取得了令人滿意的結果，完全能滿足進行水下探測識別所需的運動控制要求，所采集到的數(shù)據(jù)也能較好的反映目標的實況。對水下機器人的研究工作和生產具有深遠的現(xiàn)實意義。

[1] 蔣新松.水下機器人[M] .沈陽：遼寧科學技術出版社，2000 .