自主導(dǎo)航水下勘測機器人

黃麗麗　黃強　蘇敏　臧紅巖

摘? 要：該文設(shè)計的主要思路是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)來完成圖像的識別并且進(jìn)行處理，與在水下工作的機器人系統(tǒng)進(jìn)行通信，該系統(tǒng)成功制作完畢后能夠通過聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行視頻動畫的傳輸。在光纜的應(yīng)用上選擇使用RS485作為控制總線，光纜線完成電信號的傳輸，通過加在光纜和以太網(wǎng)之間的光纖收發(fā)器，進(jìn)行對光電信號的轉(zhuǎn)換。光纖收發(fā)器的一端連接交換機，而交換機的一端連接雙絞線直到水面平臺。在創(chuàng)新應(yīng)用方面，該設(shè)計提出了通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控水下勘測機器人的功能完成度。在實際應(yīng)用中，一些專家不能親臨現(xiàn)場指導(dǎo)，這樣通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控就能完成，節(jié)省了人力、物力、財力，使得水下勘測機器人的技術(shù)更加科技化。

關(guān)鍵詞：智能水下機器人? 弱視覺圖像處理? 勘測

中圖分類號：G64 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0025-02

隨著人口的增長和耕地的減少，海洋占的比例原來越大，幾乎占地球表面積75%，有80%的生物資源在海洋，所以海洋的探索是值得我們研究的。1990年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)成立了金屬勘測和海洋采礦協(xié)會，就世界而論，有很多國家都在加強對海洋的研究和探索。一個國家科技水平的能力體現(xiàn)在對海洋的開發(fā)上。眾所周知，海洋底下環(huán)境復(fù)雜惡劣，人類是無法靠近并且能全面深入地探索其中的奧妙，這就需要一些特殊工具或者特殊技術(shù)代替人類對浩瀚的海洋進(jìn)行探索，傳遞有用信息及圖片從而提高人類的科研水平。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計

水下機器人運動控制流程如下：攝像頭等傳感器采集到水底的圖像，被水下的主控板接收到;然后主控器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的信息從端口輸出命令信號，該信號傳送至控制板，并實時通過光纖傳輸至上位機;上位機發(fā)出的控制信號和數(shù)據(jù)信息通過光纖收發(fā)器和RS485總線，傳送到水下的主控制板;水下控制器通過接受到的信號完成具體的PWM脈寬調(diào)制;H橋驅(qū)動板接收到PWM脈寬調(diào)制信號后就控制推進(jìn)器的完成水下動作。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主控芯片

主機器人運動部分主控芯片采用STC15單片機，此系列單片機是STC推向市場的一種8位超低功耗單片機，集成化較高的，功能較強的利用微處理器進(jìn)行工作的芯片。

2.2 采集處理系統(tǒng)的設(shè)計

由于系統(tǒng)需要控制推進(jìn)器和采集視頻數(shù)據(jù)，對處理器的性能要求較高。此外，處理器還要有很高的數(shù)據(jù)交換速度、較好的網(wǎng)絡(luò)支持以及較強的圖像處理能力。同時，要求處理器能為后續(xù)開發(fā)搭載各類傳感器預(yù)留接口，例如 SPI、IIC、RS232接口等。將運動控制處理器與圖像處理處理器分開使用。圖像處理部分使用OV9715 CMOS圖像傳感器， 圖像處理的主控芯片選用LPC4330。需要在通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了機器人圖像采集系統(tǒng)，采用了OmniVision 推出OV9715 CMOS圖像傳感器。該傳感器可用于360°視圖以及其他獨立攝像頭或多攝像頭汽車視覺系統(tǒng)中。這款100萬像素的OV9715是一款完全達(dá)到AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的CMOS圖像傳感器。

圖像處理的主控芯片選用LPC4330是針對嵌入式應(yīng)用的ARM Cortex-M4 微控制器，搭載1個ARMCortex-M0協(xié)處理器、高達(dá)264kB SRAM、高級可配置外設(shè)（如狀態(tài)可配置定時器（SCT）和串行通用I/O （SGPIO）接口）、2個高速USB控制器、以太網(wǎng)、液晶顯示器、1個外部存儲控制器和多個數(shù)字和模擬外設(shè)。LPC4330 CPU工作頻率高達(dá)204MHz。LPC4330將對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將數(shù)據(jù)上傳至上層機，同時分析數(shù)據(jù)后對運動主控芯片發(fā)出下一步指令。

2.3 推進(jìn)器設(shè)計

為了使機器人在水中各種情況下有充足的動力，動能部分設(shè)計為雙動能。推進(jìn)器使用了自主設(shè)計的同軸串聯(lián)主動反水系統(tǒng)。

2.4 H橋驅(qū)動設(shè)計

有刷直流電機的正反轉(zhuǎn)是由電壓的正負(fù)極控制的，其控制方法比較簡單，通過改變電壓的大小從而控制電機的轉(zhuǎn)速。目前很多的直流電機通過PWM脈寬調(diào)制信號控制電機的平均電壓的大小，從而對電機的速度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。直流電機的轉(zhuǎn)速公式如（1）所示。

式中，Uα為電機兩端電壓;Iα為電機電流;∑Rα為電機電路總電阻;φ為每級磁通量（Wb）;Ce為電機常數(shù)。

全橋芯片來完成對驅(qū)動板的設(shè)計，這樣設(shè)計相對來說比較穩(wěn)定，但該芯片的缺點也很多，其內(nèi)阻比較大，對大電流電機啟動時，芯片常常過熱，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。并且，該芯片的內(nèi)阻很大會阻礙推進(jìn)器的加速度?；谏鲜龇治?，該文采用基于MOS管組成H橋電路來完成設(shè)計。每個推進(jìn)設(shè)備備一個H驅(qū)動板，單獨工作，設(shè)置時序后可以協(xié)同工作?？刂瓢鍌鬏?shù)腜WM信號送至驅(qū)動可以完成電機的雙向轉(zhuǎn)動，改變PWM信號占空比即可調(diào)節(jié)推進(jìn)器速度。

2.5 光纖收發(fā)器

該文用到的光纖收發(fā)器是一種網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，主要用來轉(zhuǎn)換光電的器件。通過光纖收發(fā)器轉(zhuǎn)換雙絞線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)。這樣雙絞線的傳輸距離得到了很大的擴(kuò)展，該系統(tǒng)共需要兩個光纖收發(fā)器，一個安裝在水面平臺系統(tǒng)中，另一個安裝在水下機器人上。

3? 系統(tǒng)軟件部分

（1）水下勘測機器人應(yīng)用程序。采集程序有兩個包括圖像和視頻，控制程序如推進(jìn)器的工作，端口的驅(qū)動工作程序，聯(lián)網(wǎng)的通信程序，多方位運行程序。設(shè)計時應(yīng)該著重考慮現(xiàn)場工作的實時性，能夠并行處理信息，用來提高處理器的使用效率。（2）水面涉及平臺應(yīng)用程序。人機觸摸界面，遠(yuǎn)程操縱控制程序，機器人通信程序。

4? 課題的創(chuàng)新點

機器人動能部分設(shè)計為雙動能，一為電機驅(qū)動車輪，二為推進(jìn)器。在水中懸浮狀態(tài)運動時以推進(jìn)器為主要動力，在水底以車輪為主要動力。該推進(jìn)器為項目組自主設(shè)計的單軸聯(lián)動主動式防水推進(jìn)器。在外部推力螺旋槳作業(yè)時，會有水流入，而內(nèi)部泄流排水渦輪會同時轉(zhuǎn)動將水排出，且兩葉輪交錯分布，經(jīng)過計算達(dá)到動平衡，運轉(zhuǎn)時可以減少軸的震動。

該水下機器人采用的機械臂為創(chuàng)新設(shè)計。該機械臂模擬人手抓取物品并采用MG996R舵機控制，可對水下資源樣本及養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的附著物進(jìn)行抓取。

機載攝像頭快速導(dǎo)航，在機載攝像頭上對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理：（1）圖像增強。（2）動態(tài)閾值分割。結(jié)合圖像的分割結(jié)果和超聲波探測結(jié)果，快速確定障礙物范圍，規(guī)劃行進(jìn)路線。

上位機回傳的精確導(dǎo)航：機載攝像頭將圖像元數(shù)據(jù)傳達(dá)至上位機，經(jīng)上位機深入處理，進(jìn)行最優(yōu)路徑規(guī)劃和復(fù)雜動作設(shè)計后將指令回傳至勘測機器人。

5? 結(jié)語

水下勘測機器人的主要技術(shù)是如何進(jìn)行通信和如何進(jìn)行控制的，該文使用嵌入式系統(tǒng)來研究水下勘測機器人的核心部件。充分利用了嵌入式功能較強，性能穩(wěn)定不易可變，系統(tǒng)可以隨時定制的特點，該文設(shè)計的一款水下勘測機器人體積較小與嵌入式系統(tǒng)相互配合，使控制更加的科學(xué)。通過理論的分析，對實物加以制作，通過試運行，有很好的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

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