一種用于安保的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

彭阿靜（中國船舶重工集團(tuán)公司第710研究所，湖北宜昌443003）

一種用于安保的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

彭阿靜
（中國船舶重工集團(tuán)公司第710研究所，湖北宜昌443003）

從載體結(jié)構(gòu)、軟件及硬件方面對一種用于安保的水下機(jī)器人作了介紹。并提出了該水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)難點(diǎn)及相應(yīng)的解決措施。試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人能較好地滿足使用要求，對于同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價值和推廣意義。

安保；水下機(jī)器人；關(guān)鍵技術(shù)

0　前言

水下機(jī)器人目前已成為水下觀測和水下作業(yè)最有效的裝備[1]。水下機(jī)器人技術(shù)也逐漸成為研究熱點(diǎn)，很多研究所和高校都致力于水下機(jī)器人的研究并相繼研制了多型樣機(jī)。本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人主要用于涉案水下現(xiàn)場調(diào)查，水下刑事證物的搜索和小型物件的打撈，是一種用于安保的水下機(jī)器人。

設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人能從各種支持平臺上布放回收，并具有以下主要功能：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)水中前進(jìn)/后退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)、上浮/下潛三維機(jī)動能力，并具有自動深度保持、自動航向保持功能和較好的可控制性能；

（2）具有比較完善的安全性，包括深度超限報(bào)警、漏水報(bào)警、防碰撞保護(hù)、緊急狀況下自動快速上浮等功能；

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)一定的水下目標(biāo)探測定位功能和水下小型物體打撈功能；

（4）能夠測量其自身參數(shù)及運(yùn)動狀態(tài)，如航向角、深度等，并能在水面控制臺實(shí)時顯示其狀態(tài)信息、位置信息、電視圖像以及聲納圖像。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

1.1系統(tǒng)組成

沒有一種能夠完成所有任務(wù)的水下機(jī)器人。因此首先必須根據(jù)任務(wù)使命要求，結(jié)合使用水域條件，構(gòu)建系統(tǒng)的軟硬件體系[2]。安保用水下機(jī)器人采用ROV形式，組成從結(jié)構(gòu)上可劃分為水面支持設(shè)備和水下載體兩大部分，系統(tǒng)組成框圖如圖1。水面支持設(shè)備包括水面操控臺、定位設(shè)備（包括方位傳感器、衛(wèi)星定位（GPS）、水聲跟蹤設(shè)備）、絞車、水面供電裝置等。水面與水下通過卷繞在絞車卷盤上的光電復(fù)合纜進(jìn)行信息傳輸。

1.2工作原理

水下載體的空間運(yùn)動是由水面操控臺上的兩個操作手柄分別控制主推進(jìn)器和輔推動器完成的。主推進(jìn)器同速同向轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人進(jìn)行直航運(yùn)動；同速反向轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)動；差動轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。輔助推進(jìn)器用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上浮和下潛運(yùn)動。兩個推進(jìn)器的聯(lián)合作用，可使機(jī)器人能夠在一定距離上繞目標(biāo)轉(zhuǎn)動。水下載體安裝有聲納、水下電視、攝像裝置和機(jī)械手，用于對目標(biāo)的探測、識別和打撈。此外機(jī)器人還配置有與控制相關(guān)的磁羅經(jīng)、深度計(jì)、漏水報(bào)警器等傳感器。磁羅經(jīng)、深度計(jì)可實(shí)現(xiàn)其定深定向航行，漏水報(bào)警器實(shí)時檢測耐壓殼體的水密。機(jī)器人還裝載有超深拋載和應(yīng)急拋載，一旦機(jī)器人航行超過設(shè)定安全深度或遇到緊急情況（如進(jìn)水、超深、姿態(tài)失控等），則釋放壓載，機(jī)器人由于正浮力增加而自動上浮至水面。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　水下載體結(jié)構(gòu)

水下載體采用流線型加外圍框架的外形結(jié)構(gòu)。由頭部球冠形迎流殼體、中部圓柱形平行殼體和尾部圓錐形去流殼體組成ROV的主殼體流線型外形。該外形具有阻力小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。為防止主殼體受到碰撞而損壞，同時方便加掛設(shè)備儀器來擴(kuò)展ROV的作業(yè)能力，在主殼體周圍安裝有外圍框架。探測設(shè)備和觀察設(shè)備按功能模塊分別密封，安裝在頭部。中部為鋁合金材料制造的耐壓殼體，提供電子功能設(shè)備的裝載空間。并在殼體內(nèi)鋪設(shè)有導(dǎo)軌，可用作電子功能設(shè)備進(jìn)、出殼體的運(yùn)行軌道和安裝固定的支撐平臺。尾部是用玻璃鋼材料制造的輕質(zhì)殼體。用水平外掛的兩個主推進(jìn)器和傾斜外掛的兩個輔助推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)水下載體的空間運(yùn)動。推進(jìn)器采用模塊化設(shè)計(jì)，由一體化電機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳，并在螺旋槳外安裝有導(dǎo)流罩以提高推進(jìn)效率。此外用水密插座與水密插頭對接實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器與機(jī)器人的電氣接口。

3　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是水下機(jī)器人的核心部分，它由相應(yīng)的軟件和硬件組成[3]。

3.1控制軟件

控制軟件主要包括多媒體視頻顯示、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、安全性控制等模塊。用于安保的水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用分布式控制，主要由水面操控臺和水下控制單元組成，水面與水下的信息通過光電復(fù)合纜中的光纖實(shí)時傳輸。水下載體通過A/ D采集接口采集各傳感器信息，通過開關(guān)量I/O接口采集電機(jī)各狀態(tài)參數(shù)，采用D/A接口模塊控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。水下載體的所有狀態(tài)參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)水下控制單元處理后發(fā)送至水面操控臺顯示。操作員通過兩個手柄實(shí)現(xiàn)對水下載體的運(yùn)動控制和作業(yè)過程中的各功能操作控制。

3.2控制硬件

控制硬件采用基于CPCI總線接口標(biāo)準(zhǔn)的板卡構(gòu)成高性能、可靠的嵌入式系統(tǒng)，主要由系統(tǒng)核心板、CAN通信接口板、串口通信擴(kuò)展板、電源板及底板構(gòu)成。使用Intel雙核處理器，支持Win?dows XPWindows2000/Vista操作系統(tǒng)。機(jī)箱為全封閉結(jié)構(gòu)，采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，具有防水功能，支持5路CPCI外圍卡擴(kuò)展。機(jī)箱內(nèi)各功能模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的3U CPCI板卡。采用全金屬盒密封技術(shù)（CPCI總線插座外露），提高電磁兼容能力；板卡使用整塊冷板作為散熱器，提高散熱能力；模塊之間保留一定的風(fēng)道，不因采用金屬盒密封而損失了CPCI板卡的散熱優(yōu)勢；在金屬盒正面（對應(yīng)到CPCI的前擋板），設(shè)置適當(dāng)?shù)腖ED指示、測試點(diǎn)等，提高系統(tǒng)的測試性、維修性。

4　設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決措施

4.1總體結(jié)構(gòu)的小型化

安保用ROV要滿足能從各種支持平臺上便于布放和回收的要求，因而決定了其水下載體要具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。為此對水下載體采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，將主殼體按功能劃分為不同的模塊艙，并對推進(jìn)器、傳感器、信號處理器等模塊單元在滿足性能和功能指標(biāo)的要求下進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，通過標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口和電氣接口將各個獨(dú)立的模塊單元連接起來，形成初步的總體布局。在初步確定的總體布局基礎(chǔ)上，利用相關(guān)軟件仿真分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供合理的總體布置方案，合理布局各功能模塊的裝載空間，同時便于拆裝、調(diào)試和維修。

4.2對目標(biāo)較高的探測、識別能力

安保用ROV是一種集觀察與作業(yè)功能為一體的水下機(jī)器人，要求對目標(biāo)有較高的探測、識別能力。但由于水下壞境的特殊性和水作為傳播介質(zhì)的一些特性以及懸浮物、水流等因素影響，都會給最終的視覺任務(wù)帶來很大的影響[4]。本方案采用了對光學(xué)圖像和視頻信息具有獲取、處理、特征提取等能力的水下機(jī)器人光視覺目標(biāo)識別技術(shù)。并采用一些措施來提高ROV對目標(biāo)的探測、識別能力：選用傳感器與信號處理分裝的探測識別設(shè)備，將信號處理部分放到母船或岸基上的控制臺內(nèi)，只將傳感器和電路部分放在水下載體上；選用高性能的聲納和水下電視；在攝像機(jī)上安裝輔助照明燈，輔助照明燈可根據(jù)圖像灰度和自然光照，自動調(diào)節(jié)光強(qiáng)以獲取更清晰的圖像；為增大觀察視角，探測設(shè)備和觀察設(shè)備安裝在能在±90°范圍內(nèi)進(jìn)行俯仰動作的云臺上。

4.3完善的系統(tǒng)集成和電磁兼容設(shè)計(jì)

安保用ROV總體結(jié)構(gòu)的小型化決定了在有限的空間內(nèi)，各個功能模塊在布置上應(yīng)盡量緊湊。而為了保證信息流傳輸?shù)目煽啃院瓦\(yùn)動控制的穩(wěn)定性，要求系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。因此采用了屏蔽、濾波和接地等一系列措施防電磁干擾。將電纜套上屏蔽層以切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑；將不同功能模塊安裝在用鋁合金材料制作的屏蔽箱體內(nèi)，并在箱體縫隙填充導(dǎo)電橡膠條以消除不導(dǎo)電點(diǎn)，防止電磁波泄露；對電源內(nèi)部布線時，充分考慮其電流的方向，以使電流產(chǎn)生的磁場相互抵消，避免形成電流環(huán)；強(qiáng)電和弱電設(shè)備以及線纜按強(qiáng)電及弱電、高頻及低頻、敏感及干擾等不同類別的分組安裝、布線；在制造工藝上對主殼體及連接結(jié)構(gòu)件在焊接加工過程中進(jìn)行退磁處理；對磁性較強(qiáng)的部組件，考慮整體消磁處理。

4.4較好的機(jī)動性和操縱性

受水下環(huán)境復(fù)雜及水聲噪聲的影響，各種水聲定位設(shè)備普遍存在精度較差、跳變頻繁的缺點(diǎn)。同時安保用ROV自身體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，使其更易受到水流、浪涌、渦場等的影響。為保證ROV的高效作業(yè)，要求水下載體有較好的機(jī)動性和操縱性。設(shè)計(jì)上采用了一系列措施來提高ROV的運(yùn)動控制。殼體連接處光順平滑，無局部的凸起和凹陷部分，并對突出的吊環(huán)、推進(jìn)器進(jìn)行整流設(shè)計(jì)以降低水動力噪聲；電機(jī)出軸直接驅(qū)動螺旋槳和嚴(yán)格控制電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動平衡以減小推進(jìn)噪聲；對主要振動源進(jìn)行隔振減振處理，并適當(dāng)采用阻尼材料制作連接件隔離振動源來降低振動噪聲；采用濾波技術(shù)消除水聲傳感器的跳變及無效數(shù)據(jù)；提供水下載體低阻力的流線型外形、合理的流體動力布局以及衡重參數(shù)，使其具有良好的航行性能；在去流殼體外粘接呈“十”字形的四個翼板來提高ROV航行的穩(wěn)定性；加裝配重壓載或浮力材料使能進(jìn)行俯仰動作的部分在水下處于靜平衡，以避免俯仰動作對ROV運(yùn)動平穩(wěn)性的干擾；增加推進(jìn)器的功率以提高ROV頂流作業(yè)的能力。

5　總結(jié)

安保用水下機(jī)器人于2010年在珠江水域進(jìn)行了交付試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人能滿足使用要求，具有良好的操縱性和平臺穩(wěn)定性。并且性能可靠。本機(jī)器人對于同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒價值和推廣意義。

［1］蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機(jī)器人［M］.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［2］彭學(xué)倫.水下機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2004（4）：43-47.

［3］David Smallwood，Ralf Bachmayer.A New Remotely Op?erated Underwater Vehicle for Dynamics and Control Re?search［J］.Department of Mechanical Engineering Johns Hopkin University，Sep．1999.

［4］唐旭東，朱煒，龐永杰，等.水下機(jī)器人光視覺目標(biāo)識別系統(tǒng)［J］.機(jī)器人，2009（3）：171-178.

(編輯：阮毅)

Design of an Underwater Vehicle for Security

PENG A-jing
（The 710thResearch Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Yichang 443003，China）

The paper presents structure，software and hardware of an underwater vehicle for security.And it gives the corresponding solutions for the design difficulties.Experimental results show that the underwater vehicle canmeet the requirements better.Ithas certain reference valueand promotion significance for the design ofsimilarproducts.

security；underwater vehicle；key technologies

TP242

A

1009－9492(2015)06－0059－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.014

2014－06－23；

2015－04－24

彭阿靜，男，1986年生，湖北仙桃人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文2篇。