一種小型水下機器人平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

賈永興，陳 斌，楊 宇，朱 瑩

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

?

一種小型水下機器人平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

賈永興，陳 斌，楊 宇，朱 瑩

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

設(shè)計并實現(xiàn)了一套功能高度集成的遠程控制水下機器人平臺，該平臺由水下機器人、中繼浮標(biāo)和上位機控制終端組成。機器人自身搭載的傳感器和攝像頭可以對環(huán)境狀態(tài)進行偵測，并通過中繼浮標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)給控制終端，由控制終端遠程控制水下機器人完成水下作業(yè)。該平臺實現(xiàn)方案具有成本低、功耗低、可移植性和擴展性強等特點，可用于水下探測和簡單清障任務(wù)。

水下機器人；中繼浮標(biāo)；上位機終端；遠程控制

0 引言

隨著智能控制和傳感器技術(shù)的發(fā)展[1]，用機器人來替代人完成水下作業(yè)已得到國內(nèi)外的廣泛重視。尤其是在未知的水下環(huán)境，由于機器人的承受能力大大超過載人系統(tǒng)，并且能完成許多載人系統(tǒng)無法完成的工作，所以水下機器人逐漸扮演著越來越重要的角色。它可以輔助人類完成海洋探測、水下救援等工作，也可以用于長時間地在水下偵察敵方潛艇、艦艇的活動情況，所以在民用和軍用上都有廣泛的前景。目前一些水下機器人雖具有觀察能力和一定的水下簡單作業(yè)功能[2]，但是平臺和設(shè)備比較固定，價格昂貴，改造起來不靈活，許多水下機器人的本體只是推進器和防水?dāng)z像頭的簡單組裝，通過岸上連接多根電纜線對其進行控制，適用場合受限，可拓展性不強。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款小型水下機器人平臺，可通過遠程操作，控制機器人在未知水域下潛，對周圍水域環(huán)境進行初步的探察，并控制機械臂和抓手，完成簡單的清障等功能，同時預(yù)留了各種傳感器和功能拓展的端口，以適應(yīng)不同的水下任務(wù)。

1 平臺整體框架

圖1 水下機器人平臺總體設(shè)計架構(gòu)

水下機器人與控制終端可以采用多種通信和控制方式[3]。為了擴展機器人活動范圍，本文設(shè)計了水下光纖、水上無線的方式，具體架構(gòu)如圖1所示。水下機器人平臺主要由水下機器人、中繼浮標(biāo)、上位機控制終端和相應(yīng)的控制軟件組成。水下機器人接收經(jīng)中繼浮標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的上位機命令，完成水下作業(yè)，同時將采集的視頻和傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)中繼浮標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機顯示。中繼浮標(biāo)工作于水面，通過光纖與水下機器人通信完成命令和數(shù)據(jù)的中繼，通過無線方式與上位機進行數(shù)據(jù)中繼。上位機接收來自水下機器人的采集視頻和數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲得的信息，發(fā)出控制命令，遠程控制機器人的運動。

2 硬件設(shè)計

為了完成探測和清障等水下作業(yè)，水下機器人主要由機械結(jié)構(gòu)、光端機、主控板、推進器、攝像頭和各種傳感器等組成，架構(gòu)如圖2所示。從功能上分為機械動力模塊、信息采集模塊、通信模塊、控制模塊、供電穩(wěn)壓模塊等。

圖2 水下機器人硬件構(gòu)成

機械動力模塊主要包括水下平臺核心艙、外形構(gòu)架、機械臂、電機和防水舵機等部分。核心艙用于安裝攝像頭和電控系統(tǒng)，六個直流電機用于驅(qū)動機器人運動，其中兩個電機負責(zé)水平方向的運動，包括前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，四個電機負責(zé)機器人垂直方向的運動，包括上浮和下潛。機械臂采用了兩自由度結(jié)構(gòu)，由兩個防水舵機和連接件構(gòu)成，分別控制機械臂的夾持器的轉(zhuǎn)動和抓手的開合的動作。

核心艙中的主控板CPU采用基于Cortex-M4架構(gòu)的STM32F407[4]，該控制器具有豐富的外設(shè)資源。設(shè)計中使用了GPIO口控制電機驅(qū)動板、機械臂舵機和云臺舵機，使用了I2C接口讀取水深測量傳感器的數(shù)據(jù)，使用兩個串口與光端機通信。主要完成以下功能：(1)通過串口1讀取來自光端機的控制命令，解析后根據(jù)參數(shù)控制機械模塊，以調(diào)整云臺姿勢，驅(qū)動水下推進器、機械臂等裝置進行水下作業(yè)；(2)讀取水深測量傳感器MS5803-30BA的數(shù)據(jù)，并通過串口2轉(zhuǎn)發(fā)給光端機。

機器人與浮標(biāo)之間采用光纜通信，所以水下機器人和浮標(biāo)都安裝了ANT-數(shù)字視頻光端機。該光端機包括一個光接口、兩路以太網(wǎng)端口和三路485數(shù)據(jù)端口。攝像頭將采集的視頻通過RJ45口連至光端機網(wǎng)口，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)主控板和光端機之間的232與485電平轉(zhuǎn)換電路，交付給光端機485口。視頻和傳感數(shù)據(jù)通過光端機合成后，由一根光纜傳送到浮標(biāo)上的光端機。

2.2 中繼浮標(biāo)

中繼浮標(biāo)工作是浮在水面上，由電池組、多功能光端機、主控板、無線模塊等組成，主要完成水下機器人和上位機之間的信號中繼以及給水下機器人供電。具體硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 中繼浮標(biāo)的硬件構(gòu)成

中繼浮標(biāo)的主控板CPU仍采用STM32F407，以完成水下機器人和上位機之間的數(shù)據(jù)交換。水下機器人采集的視頻和傳感器數(shù)據(jù)在中繼浮標(biāo)上使用了不同的信道傳送給上位機。視頻信號由光端機網(wǎng)口直接轉(zhuǎn)發(fā)給無線路由器，通過WiFi鏈路傳送給上位機；主控板從光端機讀取傳感器數(shù)據(jù)后，通過DL-22無線串口模塊轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。無線串口模塊同時接收來自上位機的控制命令，經(jīng)主控板轉(zhuǎn)發(fā)給光端機485端口，以傳送給水下機器人，控制機器人的動作。主控板和光端機之間同樣使用了RS232與RS485電平轉(zhuǎn)換電路。

2.3 上位機控制終端

3.2.2 評價方法（1）期末操作考試按健康評估實訓(xùn)教學(xué)大綱要求，實行評分標(biāo)準(zhǔn)一樣、操作項目一樣、考試時間一樣，兩組按學(xué)號抽簽考試，操作滿分為100分，60分為及格，90分以上為優(yōu)秀。實驗組和對照組平均成績以Mean表示，采用t檢驗；優(yōu)良率采用χ2檢驗進行統(tǒng)計學(xué)分析。

圖4 上位機終端構(gòu)成

上位機包括手柄控制器、無線收發(fā)模塊、計算機三個部分，架構(gòu)如圖4所示。手柄控制器由雷霆PXN-2013搖桿改造而成，通過USB接口連接至電腦，通過搖動搖桿和操作搖桿上的按鍵，遠程控制機器人的運動。電腦通過WiFi鏈路接收并顯示水下機器人采集上傳的視頻；通過無線串口模塊接收并顯示傳感器信息。同時檢查手柄搖桿狀態(tài)的變化，將搖桿狀態(tài)信息進行編碼，轉(zhuǎn)換為對機器人的控制命令，并交由無線模塊發(fā)送給中繼浮標(biāo)。

3 軟件設(shè)計

軟件代碼主要用于控制機器人平臺各模塊的工作和通信，以完成所需的任務(wù)。包括上位機終端的軟件代碼、中繼浮標(biāo)的控制代碼和水下機器人的控制代碼。上位機代碼是在Microsoft Visual Studio 2010集成環(huán)境下采用C#語言編寫[5]，中繼浮標(biāo)和水下機器人代碼是在Keil集成環(huán)境下采用C語言編寫，生成目標(biāo)代碼后，下載到STM32F407上運行。

3.1 水下機器人平臺

圖5為控制水下機器人工作的軟件流程圖。水下機器人軟件主要完成讀取傳感器信息、接收控制命令、驅(qū)動推進器和機械臂、數(shù)據(jù)打包傳輸?shù)热蝿?wù)。

圖5 水下機器人軟件流程

實現(xiàn)中STM32F407定時讀取水深測量傳感器數(shù)據(jù)，并通過串口2傳送給光端機。同時通過串口1接收上位機經(jīng)光端機轉(zhuǎn)發(fā)的命令，根據(jù)預(yù)先定義的編碼格式，解析命令參數(shù)，分析所需控制的電機和舵機編號、轉(zhuǎn)速和方向等，以驅(qū)動水下機器人的行進、調(diào)整攝像頭云臺姿態(tài)和控制機械臂抓取、釋放物體等動作。

攝像頭采集的視頻信息則通過RJ45網(wǎng)線直接傳給光端機，不需要編寫專門的控制代碼，光電轉(zhuǎn)換后通過光纜傳到水面。

3.2 水面浮標(biāo)

水面浮標(biāo)主要負責(zé)供電和通信中繼，相關(guān)控制代碼同樣是在Keil集成環(huán)境下采用C語言編寫，下載到STM32F407主控板上執(zhí)行，具體軟件流程圖如圖6所示。CPU讀取無線串口接收來自上位機的命令數(shù)據(jù)，經(jīng)STM32主控板傳送給光端機的RS485數(shù)據(jù)端，經(jīng)光端機轉(zhuǎn)化成光信號后，由光纜傳給水下機器人；同時STM32主控板接收來自光端機RS485口的傳感器數(shù)據(jù)，再通過無線串口發(fā)送給上位機。視頻信號由光端機的網(wǎng)絡(luò)口直接連至無線路由器，通過WiFi直接發(fā)送，不需要專門編寫控制軟件。

圖6 水面浮標(biāo)軟件流程

3.3 上位機控制終端

上位機代碼是基于PC采用C#語言編寫，完成視頻和傳感器數(shù)據(jù)的顯示，同時遠程控制機器人的水下動作。軟件流程如圖7所示。啟動程序后，首先檢測USB口連接的操控手柄和無線串口模塊，并進行初始化。然后讀取無線串口接收到的傳感器信息，進行解析后，將機器人下潛的深度信息在計算機上顯示。同時通過USB口讀取和解析手柄的狀態(tài)信息，進行編碼后，通過無線串口轉(zhuǎn)發(fā)給中繼浮標(biāo)。

圖7 上位機軟件流程圖

視頻的接收和顯示過程是：通過建立計算機與水面浮標(biāo)路由器之間的WiFi連接，再使用攝像頭自帶的相關(guān)軟件，即可顯示水下機器人采集到的視頻。

4 平臺功能的實現(xiàn)和測試

根據(jù)上述設(shè)計，實現(xiàn)了一款小型的水下機器人平臺原型機。表1給出了機器人在水下測試的各項參數(shù)指標(biāo)。在上位機可實時觀測到機器人采集的水下視頻和水深傳感器信息，通過手柄搖桿操作，可遠程控制機器人在水下的動作。中繼浮標(biāo)工作于水面上，通過無線方式與上位機通信，完成信號的中繼和水下機器人的供電。水下機器人在上位機遠程控制下，能夠完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上浮、下潛和機械臂抓取釋放物體等水下任務(wù)。

表1 機器人的各項參數(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套集接收指令、控制驅(qū)動、采集數(shù)據(jù)、分析反饋等多種功能于一身的水下機器人平臺，通過遠程控制，可利用機器人搭載的傳感器和攝像頭對水下環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，完成基本的偵察和清障任務(wù)。該平臺實現(xiàn)方案具有成本低、體積小、可移植性和擴展性強等特點。平臺水上無線、水下光纖的通信方式使水下機器人的使用范圍得到了拓展。下一步需要完善平臺控制軟件和功能，加裝更多的傳感器和作業(yè)器件，提高機器人的智能化，以適應(yīng)多種水下作業(yè)任務(wù)，提高該機器人平臺在軍事、科研、海洋開發(fā)等方面的應(yīng)用價值。

[1] 秦志強.先進機器人傳感器技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 柯冠巖，吳濤，李明.水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 國防科技，2013, 34(5):44-47.

[3] 楊薇.水下機器人通信與控制技術(shù)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2015,37(6):206-209.

[4] 廖義奎.ARM Cortex-M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解—基于STM32F4[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[5] 胡學(xué)鋼，劉東杰，呂進來.C#應(yīng)用開發(fā)與實踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

Design and realization of a small underwater vehicle platform

Jia Yongxing, Chen Bin, Yang Yu, Zhu Ying

(College of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

This paper designs and realizes a set of highly-integrated remote control underwater vehicle platform. It is composed of an underwater vehicle, a relay buoy and an upper computer control terminal. Based on camera and other sensors in it, the vehicle can detect environmental parameters and transmit them to upper computer terminal by relay buoy. The upper computer terminal can realize remote control of the vehicle to complete some underwater tasks. The platform has many advantages, such as low cost, low power consumption, good portability and scalability. It can be used to survey and obstacle removal.

underwater vehicle; relay buoy; upper computer terminal; remote control

TP242.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.011

賈永興，陳斌，楊宇，等.一種小型水下機器人平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(12)：36-38.

2016-12-25)

賈永興(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電路設(shè)計、智能控制和多媒體信息處理。

陳斌(1975-)，男，碩士，講師，主要研究方向：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

楊宇(1984-)，男，碩士，講師，主要研究方向：單片機技術(shù)。