一種高清小型水下救撈機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田 輝，齊海勇

（1.交通運(yùn)輸部救助打撈局，北京 100736；2.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011）

一種高清小型水下救撈機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田 輝1，齊海勇2

（1.交通運(yùn)輸部救助打撈局，北京 100736；2.中國(guó)交通通信信息中心，北京 100011）

本文對(duì)救撈行業(yè)水下作業(yè)需求進(jìn)行了深入的分析，給出了基于高清的水下微小型機(jī)器人的系統(tǒng)解決方案，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成、工作原理、特點(diǎn)。該系統(tǒng)對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行預(yù)判，為救助救撈提供輔助支撐。

高清；救撈；機(jī)器人；潛航器；浮標(biāo)

Abstract:This paper makes a deep analysis of the operational requirements of this industry under water, gives the system HD underwater micro robot based on the scheme, introduces the system composition, working principle and characteristics. The system to predict the underwater environment, provide auxiliary support for the rescue and salvage.

Keywords:HD; salvage; robot; underwater vehicles; buoy

1 引言

本文設(shè)計(jì)了基于高清微小型水下機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)搭載高清攝像和照明系統(tǒng)，在水下推進(jìn)系統(tǒng)，導(dǎo)航定位、深度溫度傳感器系統(tǒng)，通信傳輸系統(tǒng)配合下，實(shí)現(xiàn)水下高清影像，水下作業(yè)進(jìn)行監(jiān)控、水下環(huán)境預(yù)先進(jìn)行勘測(cè)，提前判斷下水安全，對(duì)打撈、救援工作提供了非常有效的輔助決策。

2 系統(tǒng)構(gòu)架及工作流程

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

高清微小型水下機(jī)器人系統(tǒng)潛航器、浮標(biāo)、顯控終端三部分組成，能夠獨(dú)立運(yùn)作，也能夠和外部系統(tǒng)對(duì)接，將視頻、水質(zhì)、深度等信息傳遞給外部指揮調(diào)度系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2.2 工作流程

系統(tǒng)的視頻流和控制流如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息流示意圖

整個(gè)系統(tǒng)工作流程：潛航器進(jìn)行視頻、溫度、位置等信息的采集、編碼、打包、存儲(chǔ)，并通過(guò)有線(xiàn)光纖向浮標(biāo)發(fā)送觀測(cè)信息；浮標(biāo)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)處理，通過(guò)有線(xiàn)、Wi-Fi、藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，把數(shù)據(jù)傳向用戶(hù)端。用戶(hù)端對(duì)視頻解碼，并把采集信息顯示。并通過(guò)浮標(biāo)通信終端作為中繼對(duì)機(jī)器人深度、轉(zhuǎn)向、云臺(tái)等進(jìn)行控制，達(dá)到需要的角度。

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 潛航器

潛航器由水下推進(jìn)子系統(tǒng)、高清攝像子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)組成，外觀如圖3所示。

圖3 潛航器外觀圖

3.1.1 水下推進(jìn)子系統(tǒng)

推進(jìn)子系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部分。推進(jìn)系統(tǒng)的性能是評(píng)判一個(gè)水下機(jī)器人的重要考慮指標(biāo)。該系統(tǒng)是四軸布局，采用泵噴推進(jìn)，具有具有噪音低、無(wú)橫滾、安全性高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)和機(jī)械操舵工程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)上浮、下潛及左右轉(zhuǎn)向燈。為了使機(jī)器人在水域更好保持自身的穩(wěn)定性，采用了控制矩陣和卡爾曼濾波算法。主要指標(biāo)如表1所示。

表1 推進(jìn)子系統(tǒng)主要指標(biāo)

3.1.2 高清攝像子系統(tǒng)

潛航器內(nèi)置了4K廣角鏡頭，支持拍攝最高4K視頻/1200萬(wàn)像素的高清圖片（JPEG/RAW格式），可以實(shí)時(shí)傳輸來(lái)自水下的高清影像，并且配備云臺(tái)和存儲(chǔ)裝置。同時(shí)了為適應(yīng)水下弱光/渾濁環(huán)境，機(jī)身兩側(cè)有白光LED補(bǔ)光燈（1200流明/手動(dòng)可調(diào)），真實(shí)還原拍攝場(chǎng)景。高清視頻圖像傳輸原理如圖4所示：

圖4 視頻傳輸方框圖

高清攝像頭采集模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)圖像算法和前后幀關(guān)聯(lián)性，濾除圖像噪聲，然后先采用H.264技術(shù)把視頻壓縮分為相同兩路，一路媒體流存儲(chǔ)，另一路RTP協(xié)議進(jìn)行封裝，并進(jìn)程傳輸；通過(guò)傳輸網(wǎng)路（200Mb/s帶寬的無(wú)浮力線(xiàn)纜和Wi-Fi、藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)），傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)器，流媒體服務(wù)器對(duì)每個(gè)請(qǐng)求終端進(jìn)行媒體分發(fā)，終端APP進(jìn)行解包、解碼、D/A轉(zhuǎn)換并視頻圖像播放。

3.1.3 傳感子系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)置多種傳感器，包括深度傳感器、水溫傳感器、羅盤(pán)、陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器組。確保在水下對(duì)周?chē)h(huán)境有精確的檢測(cè)。其中深度傳感器用于檢測(cè)機(jī)器在水下的實(shí)時(shí)深度，溫度傳感器檢測(cè)水的實(shí)時(shí)溫度，羅盤(pán)用于顯示機(jī)器的南北朝向。陀螺儀和加速度計(jì)用于輔助機(jī)器自動(dòng)穩(wěn)定。

表2 傳感子系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)

3.2 浮標(biāo)系統(tǒng)

浮標(biāo)和繞線(xiàn)器一起，漂浮在機(jī)器人所在水域上方的水面，作為一個(gè)信號(hào)基站連接著App用戶(hù)端和水下機(jī)器人，目前基站轉(zhuǎn)發(fā)2.4G的Wi-Fi和藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)信號(hào)，理想情況下使機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)在離操控者方圓500m深度100m水域內(nèi)工作。

圖5 浮標(biāo)系統(tǒng)示意圖

浮標(biāo)上具備繞線(xiàn)器，天線(xiàn)和燈組等。燈組具有晚上定位、電量、通信信號(hào)指示等功能。本系統(tǒng)采用半有纜技術(shù)，使操控者不必貼著潛航器移動(dòng)，方便同時(shí)操控多個(gè)潛航器大范圍工作。采用全向天線(xiàn)。

3.3 控制終端

控制終端包括遙控和顯控兩大部分。

3.3.1 遙控部分

遙控終端利用手柄，通過(guò)上面的通信系統(tǒng)，對(duì)水下系統(tǒng)主體姿態(tài)及攝像動(dòng)作進(jìn)行控制，主要包括：水平方向控制（左右前后）；垂直方向控制（俯頭、仰頭、左翻滾、右翻滾）；拍照/視頻切換；燈光的調(diào)節(jié)；手動(dòng)控制和自動(dòng)控制模式轉(zhuǎn)換等功能。

3.3.2 顯控終端

在手持終端或者大屏上安裝客戶(hù)端軟件，顯示系統(tǒng)工作參數(shù)：潛航器狀態(tài)（電量，前照燈亮度和溫度信息，并可以按鈕控制亮度）；潛航器相對(duì)位置（通過(guò)聲吶探測(cè)位置作為參考，顯示主體的相對(duì)位置，便于及時(shí)控制航向，防止碰撞）；下潛深度；攝影功能設(shè)置（開(kāi)始停止攝影、控制拍灰度、每秒幀數(shù)等攝影參數(shù)；影像功能（720p高清實(shí)時(shí)圖像、拍照，錄像，下載和預(yù)覽分享）；潛航器自身穩(wěn)定度。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）泵噴推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，該部分由泵噴殼體、進(jìn)口罩、出口罩和一體化槳葉組件等構(gòu)成，解決了多推進(jìn)器水下橫滾現(xiàn)象。

（2）超高清攝像及寬廣的活動(dòng)范圍，采用高清攝像頭，帶寬很大的光纖，同時(shí)潛航器采用屬氧化鋁密封艙結(jié)構(gòu)和電機(jī)耐腐蝕材料處理，到達(dá)防水抗壓、耐腐蝕性，增加了設(shè)備的活動(dòng)范圍。

（3）便攜和操作簡(jiǎn)單，設(shè)備僅重3kg，可放入雙肩包或手提箱內(nèi)；操作是“手柄+APP+客戶(hù)端軟件”模式，簡(jiǎn)單易學(xué)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著器件的小型化、計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，水下機(jī)器人越來(lái)越小型化和智能化，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將集成聲吶3D成像、H.265編解碼等技術(shù)，獲取更多水上作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息，提高處置事故的效率，滿(mǎn)足救撈行業(yè)安全、高效、有序的發(fā)展要求。

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Design of a High Definition Small Rescue Underwater Robot System

Tian Hui1, Qi Haiyong2
(1.Rescue & Salvage Bureau Ministry of Transport, PRC, Beijing, 100736;2.China Transport Telecommunications & Information Center,Beijing,100011)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.09.003

U675.75文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）09-007-03