基于圖像識(shí)別無(wú)人自主巡游航行器

楊軒軒 金章勇 郭星宇 王瀚琦

摘 ?要：越障機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，主要憑借傳感器等設(shè)備在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境里進(jìn)行自主決策及動(dòng)作執(zhí)行，多運(yùn)用于地形檢測(cè)，災(zāi)害搜救等方面。本文將對(duì)越障機(jī)器人背景進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并將對(duì)其組成原理和市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)行分析

關(guān)鍵詞：巡游航行器：圖像識(shí)別：組成原理和市場(chǎng)應(yīng)用

1背景

隨著智能控制和傳感器的發(fā)展，水下機(jī)器人在完成水下作業(yè)方面扮演著越來(lái)越重要的角色。尤其是在未知的水下環(huán)境，機(jī)器人的承受能力大大超過(guò)人工，能完成許多潛水員無(wú)法完成的工作。目前一些水下機(jī)器人雖具有觀察能力和一定的水下簡(jiǎn)單作業(yè)能力，但是平臺(tái)和設(shè)備比較固定，價(jià)格昂貴，許多機(jī)器人的本體只是推進(jìn)器和防水?dāng)z像機(jī)的簡(jiǎn)單組裝，通過(guò)岸上的電纜線控制，適用場(chǎng)合受限，可拓展性不強(qiáng)。

據(jù)了解，目前螺旋槳推進(jìn)器作為動(dòng)力裝置廣泛應(yīng)用于船舶和水下機(jī)械。

我們決定提高水中推進(jìn)操控性能和水環(huán)境交互性能，可用于軍用潛艇，魚(yú)雷;實(shí)現(xiàn)靜態(tài)觀測(cè);結(jié)合圖像處理，智能決策等技術(shù)，完成水中目標(biāo)追蹤，水中救援等任務(wù)，可進(jìn)行戶外水中探測(cè)或水中檢測(cè)，或進(jìn)行擴(kuò)展開(kāi)發(fā)，完成路徑規(guī)劃，任務(wù)分配，姿態(tài)控制等任務(wù)的研究與試驗(yàn)。擴(kuò)大水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)水下機(jī)器人技術(shù)蓬勃發(fā)展，使水下機(jī)器人創(chuàng)造更多的價(jià)值。

2原理

該水下巡游航行器將仿生、機(jī)械、電子、人工智能相結(jié)合。采用無(wú)刷正反槳推進(jìn)方式，自抵自旋，減少水中阻力，提高行進(jìn)方式具有優(yōu)良的水中推進(jìn)操控性能和水環(huán)境交互功能。結(jié)合圖像處理、智能決策等技術(shù)可以完成水中目標(biāo)追蹤、水中救援等任務(wù)，可進(jìn)行戶外水中探測(cè)或水中監(jiān)測(cè)或進(jìn)行擴(kuò)展開(kāi)發(fā)完成路徑規(guī)劃、任務(wù)分配、姿態(tài)控制等任務(wù)的研究與試驗(yàn)。

水下推進(jìn)原理

水下推進(jìn)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路，直流電機(jī)，單片機(jī)和螺旋槳組成。使用驅(qū)動(dòng)電路的模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)一端連接螺旋槳，通過(guò)STM32單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂坡菪龢耐七M(jìn)。制作水下推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，需要選擇電機(jī)的種類(lèi)，驅(qū)動(dòng)電路的搭建，以及螺旋槳的選擇和最終的連接。最需要注意的是電機(jī)的防水問(wèn)題，我們采用無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力部分，其沒(méi)有電刷，可以在水下進(jìn)行工作，但因?yàn)楹Ｋ母g性，我們對(duì)無(wú)刷電機(jī)的線圈和軸承部分做了特殊處理，使其壽命更長(zhǎng)。

3應(yīng)用

3.1水環(huán)境監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)收集

可搭載相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行經(jīng)常性水質(zhì)監(jiān)測(cè)，對(duì)地表水及地下水進(jìn)行經(jīng)常性監(jiān)測(cè)，監(jiān)視和測(cè)定水體中污染物的種類(lèi)、各類(lèi)污染物的濃度及變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)水中色度、濁度、電導(dǎo)率、懸浮物和溶解氧等指標(biāo)，評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況;

3.2漁業(yè)養(yǎng)殖，水生物研究

可以滿足經(jīng)常性工作，例如檢查水質(zhì)的溫度、鹽度、PH值和溶解氧等，以及魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)和海參等的生存狀況觀察。另一方面，通過(guò)對(duì)水生物的觀察可獲得其生活大數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)化養(yǎng)殖，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.3娛樂(lè)活動(dòng)，水下拍攝。

可以用于水下拍攝，其配備的六軸陀螺儀可以確保機(jī)器人在水下保持高度平衡狀態(tài)，LED前燈可以照亮視野，液位變送器可以讓機(jī)器人準(zhǔn)確停留在所需水下深度。使用者可以用計(jì)算設(shè)備上的開(kāi)源軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，最高時(shí)速能夠達(dá)到2m/s，續(xù)航時(shí)長(zhǎng)2小時(shí)以上。

3.4水下搜索救援與觀察

攝像頭獲取的圖像信息經(jīng)過(guò)后臺(tái)算法處理可以得到關(guān)鍵信息，可用于檢查大壩、橋墩結(jié)構(gòu)好壞情況，遙控偵察、危險(xiǎn)品靠近檢查，水下基陣協(xié)助安裝/拆卸，船側(cè)、船底走私物品檢測(cè)（公安、海關(guān)），水下目標(biāo)觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等，搜尋水下證據(jù)（公安、海關(guān)），海上救助打撈、近海搜索等。

3.5管道檢查

可用于市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫(kù)檢查;排污/排澇管道、下水道檢查;洋輸油管道檢查;跨江、跨河管道檢查;船舶河道海洋石油;船體檢修;水下錨、推進(jìn)器、船底探查;碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查;航道排障、港口作業(yè);鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程。

3.6科研教學(xué)、考古

可為水環(huán)境、水下生物等課題的研究和教學(xué)提供極大的便利。還可進(jìn)行海洋考察、冰下觀察、水下考古、水下沉船考察等學(xué)術(shù)性觀測(cè)和研究，為海洋科學(xué)、考古工作者提供有利條件。

3..7服務(wù)于能源產(chǎn)業(yè)

在人為檢查非常不易的條件下，該作品可以幫助我們進(jìn)行核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測(cè)和取出。除此之外，還可以進(jìn)行水電站船閘檢修;水電大壩、水庫(kù)堤壩檢修（排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修）。

參考文獻(xiàn)

[1] ?馬鳳瑞，曾奕淇，楊帆，王憶麟，魯奇欣.基于機(jī)器視覺(jué)的新型降噪水下生態(tài)調(diào)查機(jī)器人[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（10）：94

[2] ?率鵬.水下機(jī)器人在海洋石油工程中的應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備，2019，22（05）：63-65

[3] ?唐鴻儒，奚家烽，沈天鶴，包加桐，劉其銘.基于ROS的遙控水下機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)研制[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，11（02）：138-143

作者簡(jiǎn)介：楊軒軒（1997-），男，漢族，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2016級(jí)學(xué)生。