警用水下機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)

□ 金碧霞

中國(guó)船舶重工集團(tuán) 第七一○研究所 湖北宜昌 443003

警用水下機(jī)器人本體是由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一O研究所于2010年針對(duì) “廣州市公安局水底搜索掃描機(jī)器人系統(tǒng)采購(gòu)項(xiàng)目”而研發(fā)的，主要用于水下刑事證物的探測(cè)識(shí)別、涉案水下現(xiàn)場(chǎng)搜索調(diào)查，并承擔(dān)廣州亞運(yùn)會(huì)期間的水下重點(diǎn)區(qū)域安保防護(hù)任務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)要求，警用水下機(jī)器人本體應(yīng)具有以下功能。

（1） 具有前進(jìn)/后退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)、上浮/下潛機(jī)動(dòng)能力。

（2）具有水下目標(biāo)搜索、探測(cè)和識(shí)別能力。

（3）具有深度檢測(cè)、顯示及自動(dòng)深度保持功能。

（4）具有航向檢測(cè)、顯示及自動(dòng)航向保持功能。

（5）有一定的水下證物定位打撈能力。

1 方案制定及工作原理

沒(méi)有一種能完成所有任務(wù)的全功能機(jī)器人，所以要依據(jù)其任務(wù)使命和工作環(huán)境制定機(jī)器人的總體方案[1]。警用機(jī)器人水下平臺(tái)根據(jù)作業(yè)要求搭載有聲納、水下電視、機(jī)械手，具有對(duì)水下目標(biāo)的聲納探測(cè)、光學(xué)識(shí)別能力和小型物件的打撈能力。裝備有與控制相關(guān)的深度計(jì)、磁羅經(jīng)等傳感器和計(jì)算機(jī)，可實(shí)現(xiàn)其在水下的自主定深定向航向。其推進(jìn)裝置采用4個(gè)導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器，2個(gè)主推進(jìn)器用于水下機(jī)器人前后直航和左右機(jī)動(dòng)，2個(gè)用于上浮、下潛和懸停。根據(jù)工作要求及推進(jìn)器布置，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在水中的前后、浮潛和左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。采用“水面GPS+水聲跟蹤定位系統(tǒng)”的超短基線(xiàn)定位方式，可將警用水下機(jī)器人導(dǎo)向目標(biāo)處。

警用水下機(jī)器人本體主要由機(jī)械本體、動(dòng)力推進(jìn)器、水下控制單元、水下作業(yè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成。

2 技術(shù)方案分析

2.1 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)器人類(lèi)型確定

水下機(jī)器人按控制方式一般分為自治式水下機(jī)器人（AUV)和遙控式水下機(jī)器人（ROV)。AUV的優(yōu)點(diǎn)在于其擺脫了電纜的束縛，活動(dòng)范圍不受限制，但其水下的續(xù)航力及所攜帶儀器的數(shù)量和復(fù)雜度大大受制于載體上能源容量的大小。ROV的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)力充足，信息和數(shù)據(jù)的傳遞和交換快捷方便，數(shù)據(jù)量大。通過(guò)人機(jī)交互的方式來(lái)遙控ROV本體，因而其總體決策能力和水平往往高于AUV。

由于警用水下機(jī)器人的作業(yè)使命需要長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行探測(cè)、觀察和識(shí)別工作，且聲納等探測(cè)傳感器設(shè)備與水面處理機(jī)有很大的數(shù)據(jù)傳輸與處理，故將警用水下機(jī)器人設(shè)計(jì)成ROV的型式。

2.1.2 機(jī)器人形體確定

水下機(jī)器人在水中航行時(shí)，不可避免地會(huì)受到水體黏性阻力的影響，不利于水下機(jī)器人運(yùn)行速度的提高和靈活運(yùn)轉(zhuǎn)，所以減小阻力是設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要關(guān)鍵點(diǎn)。為減小阻力,降低功耗，外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上利用仿生學(xué)原理，仿造魚(yú)類(lèi)的梭形魚(yú)體，將警用水下機(jī)器人外形加工為旋轉(zhuǎn)體，以減小水下機(jī)器人水下運(yùn)行時(shí)的阻力，從而減小動(dòng)力消耗［1］。警用水下機(jī)器人由頭部半球形迎流段、舯部圓柱段、艉部圓錐形去流段組成回轉(zhuǎn)體流線(xiàn)型結(jié)構(gòu)。頭部及艉部為非水密部分，采用玻璃鋼材質(zhì)。舯部圓柱段設(shè)計(jì)為耐壓殼體，為水下機(jī)器人提供航行浮力及電子功能設(shè)備的密閉安裝空間，采用玻璃鋼材料制作的薄壁殼板加鋁合金環(huán)肋的結(jié)構(gòu)形式。為增加機(jī)器人在水中運(yùn)行的平穩(wěn)性，在機(jī)器人艉部布置了3個(gè)穩(wěn)定翼板并呈倒“Y”形。機(jī)器人下方設(shè)計(jì)有底座，可保護(hù)機(jī)械本體不撞碰損壞。底座上還能安裝各種儀器設(shè)備，最大限度地適應(yīng)各種水下作業(yè)。

▲圖1 總體布置設(shè)計(jì)流程

2.1.3 總體布置制定

水下機(jī)器人的總體布置對(duì)其使用性能是非常重要的因素，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到水下機(jī)器人的總體性能和使用。進(jìn)行總體布置時(shí)，要采用合理的空間布置與質(zhì)量分布，使水下機(jī)器人的浮心位于質(zhì)心的正上方，從而保證機(jī)器人在水中的平衡和良好的機(jī)動(dòng)能力。按圖1總體布置設(shè)計(jì)流程來(lái)進(jìn)行總體布置。

經(jīng)反復(fù)計(jì)算修正，得到圖2所示警用水下機(jī)器人外形示意圖，其中探測(cè)識(shí)別組件（水下電視、水下攝像機(jī)）布置在機(jī)器人的頭部。推進(jìn)裝置布置在水下機(jī)器人舯部?jī)蓚?cè)：輔助推進(jìn)器以一定角度傾斜布置在水下機(jī)器人浮心前方附近，主推進(jìn)器沿水平方向布置于水下機(jī)器人后半部分。

2.2 控制系統(tǒng)方案制定

警用水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)［2］，由水上和水下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，水下節(jié)點(diǎn)采用Intelx86或其兼容CPU體系結(jié)構(gòu)，在其上運(yùn)行WindowXP操作系統(tǒng)。另外，水下節(jié)點(diǎn)還采用PC104總線(xiàn)計(jì)算機(jī)，其上運(yùn)行VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，遙控操作性。水下節(jié)點(diǎn)掛接磁羅經(jīng)、深度計(jì)、漏水檢測(cè)等傳感器。圖3為警用水下機(jī)器人的底層控制硬件框圖。

▲圖3 警用水下機(jī)器人的底層控制硬件框圖

▲圖2 警用水下機(jī)器人外形示意圖

當(dāng)警用水下機(jī)器人確定向某一航向定向航行時(shí)，如偏離了航向，則磁羅經(jīng)將偏航信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)偏航數(shù)值，向主推進(jìn)器發(fā)出修正航向的命令，控制警用水下機(jī)器人自主保持航向航行。深度計(jì)實(shí)時(shí)地將機(jī)器人自身的深度信號(hào)反饋給控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)根據(jù)深度差值向輔推進(jìn)器發(fā)出浮潛命令，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定深航行。

2.3 定位系統(tǒng)方案制定

由水聲跟蹤定位系統(tǒng)、方位傳感器、衛(wèi)星定位（GPS）接受機(jī)等組成的超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)，能為警用水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制提供必要的位置信息（包括速度、高度、下潛深度、航向角等）。定位系統(tǒng)組成示意如圖4所示。

2.4 水下作業(yè)系統(tǒng)

警用水下機(jī)器人要完成探測(cè)、識(shí)別和打撈作業(yè)，就要配備有水下電視、聲納和作業(yè)機(jī)械手等傳感器。

（1）水下電視包括攝像機(jī)和照明燈。

攝像機(jī)用于對(duì)目標(biāo)的觀察和識(shí)別。選用三洋彩色一體化攝像機(jī)模塊，其型號(hào)為VCC-MD610PC，性能為：攝像管類(lèi)型：（1/4）″interline transfer CCD；解析度：540 TVlines；信噪比：大于 50 dB；光學(xué)鏡頭：30x光學(xué)變焦；制式：PAL。

照明燈選用鹵鎢杯燈，每個(gè)35W，電壓12V，視場(chǎng)角 36°。

▲圖4 警用水下機(jī)器人的定位系統(tǒng)原理框圖

（2）前視聲納選用加拿大IMAGENEX公司的837型多波束聲納,其性能指標(biāo)如下：

① 頻率：260 kHz。

② 換能器波束寬度。 接受 ：120°（水平方向）×20°（垂直方向）；發(fā)射： 120°（水平方向）×20°（垂直方向）。

③ 有效水平波束寬度：3°，1.5°，0.75°。

④ 分辨率：0.2%。

⑤ 最小檢測(cè)范圍：0.5 m。

⑥ 圖像更新率：可達(dá)20 fps。

（3）機(jī)械手選用美國(guó)SeaBotix Inc公司的TJG300型，其主要性能為夾持力：6.5 kgf；最大開(kāi)口直徑：40 mm。

3 試驗(yàn)

2010年7月在珠江進(jìn)行了警用水下機(jī)器人交付驗(yàn)收試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程是將模擬目標(biāo)用浮標(biāo)吊掛在水下約5～10m處，并置于開(kāi)闊水域中。在定位系統(tǒng)的導(dǎo)航下，操縱警用水下機(jī)器人本體駛向目標(biāo)區(qū)域，在距目標(biāo)2～5m處，打開(kāi)照明燈并利用水下電視對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察，并操控機(jī)械手對(duì)目標(biāo)進(jìn)行夾持作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明警用機(jī)器人本體能正常完成作業(yè)使命，同時(shí)，在自動(dòng)航向保持、自動(dòng)深度保持和機(jī)動(dòng)性控制上都取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果，完全能滿(mǎn)足進(jìn)行作業(yè)使命的運(yùn)動(dòng)控制要求。

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

［2］ 孫玉山，甘永，王麗榮，等.基于VxWorks的水下機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)［J］.南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，38（增刊）：174-177.

［3］ 蔣新松.水下機(jī)器人［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.