水面救助機器人的設(shè)計與應(yīng)用前景

朱海濤

摘 要：以習(xí)近平為主導(dǎo)的科技強國方針遍布全國。交通運輸部北海救助局響應(yīng)黨的號召，開始步入新技術(shù)新裝備的研發(fā)與采購，以新型的救助裝備--水面救助機器人為例，其設(shè)計理念為增加救助效率，減少救助成本與風(fēng)險，并彌補傳統(tǒng)救助的缺陷;介紹該設(shè)備的開發(fā)設(shè)計原理，主要從外形結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)以及操控系統(tǒng)上進行設(shè)計研究，再根據(jù)救助方面的實際情況對其應(yīng)用展開分析，以說明該設(shè)備的實用性。

關(guān)鍵詞：水面救助機器人;系統(tǒng)設(shè)計;動力艙;控制艙;遙控臺;

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0064-03

中國黃渤海域每年因船舶事故或天氣原因?qū)е麓瑔T落水身亡的人數(shù)居高不下，例如2017年1月11日，在距北海三號位東北約75海里處，運砂船“平安98”輪機艙失火，因為火勢太大，救助船舶無法靠近，只能利用消防炮進行遠程滅火降溫，船上14人遇險身亡。為了能在特殊環(huán)境下對難船人員進行可靠的施救，需研發(fā)一種海面救助設(shè)備以減少救助風(fēng)險與成本;并且便于操控，還能適應(yīng)大風(fēng)浪天氣的下航行，其動力要強勁，機動性能良好，此外要具備一定的防水性能。針對以上條件，開展基于遠程遙控的水面救助機器人（見圖1）的研發(fā)設(shè)計，為傳統(tǒng)救助船舶的救助提供有利技術(shù)支持與裝備保障。

1 水面救助機器人的設(shè)計

1.1水面救助機器人的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

（1）外形結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)流體力學(xué)的原理，為了減小其水中的阻力，其載體的外形采用魚雷的設(shè)計理念[1]，艏艉部采用圓錐形設(shè)計方案，中間整體結(jié)構(gòu)采用圓柱形外殼。為了兼顧載體在水中的浮力與電池的容量配重，采用雙艙室結(jié)構(gòu)，動力艙與控制艙（見圖2），動力艙是浸沒在水里，控制艙是露在水面的，兩艙室通過箭橋進行連接，動力艙包括電池艙與推進系統(tǒng)。推進系統(tǒng)包括推進器與穩(wěn)定翼，推進器采用雙定矩螺旋槳與同步電機，為載體提供充沛的動力以及轉(zhuǎn)向，穩(wěn)定翼可保持機器人載體在水中航行時穩(wěn)定不偏移。控制艙與天線組合在一起，并在控制艙艏部安裝一個頻閃的指示燈，為夜間救助提供便利;在控制艙的中間增加一個半圓形掛鉤，為方便釋放回收機器人做準備。

（2）結(jié)構(gòu)材料與密封設(shè)計。為減輕機器人的重量來提高浮力與機器人本身的強度，采用航空鋁材料作為機器人的機身外殼。在密封方面，殼體采用無縫焊接技術(shù)，艏艉可拆卸部分采用螺紋罩加橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，在充電口出，采用細螺紋螺絲帽加橡膠密封圈結(jié)構(gòu)（見下圖3）。整體外殼采用高度防水防腐蝕密封漆，并采用多道噴漆工藝。

1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制艙作為機器人載體的大腦，設(shè)計要求內(nèi)部器件重量輕，整體密度較小，為整個機器人載體提供浮力。其內(nèi)部搭載電源轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、通訊模塊、定位模塊等，如下圖4。

負責(zé)與控制臺的通訊，推進器的調(diào)速，接受GPS位置信號等，是機器人載體的通信、控制核心。包含由無線通訊、數(shù)字量輸入/輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等構(gòu)建的控制系統(tǒng);利用主控制模塊的信息處理能力接受控制臺發(fā)來的載體推進器控制命令，對載體前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作的控制信息進行處理，并將電池狀態(tài)信息、GPS信息、串口通訊狀況等發(fā)給控制臺從而達到控制整個載體的目的，其具體關(guān)系如下圖5。

主控系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計方案，可靈活對功能進行個性化管理，方便以后增加功能。對于該系統(tǒng)采用開環(huán)設(shè)計模式，主控模塊根據(jù)操控臺發(fā)出來的指令信號進行處理并發(fā)送兩路PWM信號給推進系統(tǒng)，最后由推進系統(tǒng)的變頻放大模塊控制左右兩螺旋槳電機的轉(zhuǎn)數(shù)與轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)機器人的前進、后退與轉(zhuǎn)向功能。

1.3電源系統(tǒng)的設(shè)計

動力艙占據(jù)了整個機器人載體的大部分重量，其內(nèi)部電池艙的高密度電池系統(tǒng)為載體提供靜態(tài)穩(wěn)性，電池為高密度的磷酸鐵鋰電池組，其設(shè)計容量約為1.8kwh，且滿負荷的續(xù)航時間不低于3小時;與其配套的電池組管理單元要滿足300V的升壓整流電壓。為了滿足裝配需求，須把電池組設(shè)計成圓柱形（見下圖6），在電池艙外面設(shè)計一個水密充電頭，平時充電時，擰開水密旋鈕蓋（類似礦泉水瓶蓋），可以接入350V5A的充電器。

1.4推進系統(tǒng)的設(shè)計

推進系統(tǒng)作為整個機器人載體的動力核心，其螺旋槳采用四葉片定矩槳結(jié)構(gòu)，動力電機的轉(zhuǎn)速可線性調(diào)節(jié)，設(shè)計單機最大功率為500W的同步電機。要滿足在靜水狀態(tài)下帶纜航行時，最大設(shè)計航速不低于4.5節(jié)，系樁設(shè)計拉力不小于35Kg。為了避免纜繩纏繞到螺旋槳，在螺旋槳前后安裝了網(wǎng)狀格柵。穩(wěn)定翼采用兩片不銹鋼板鑲嵌在動力艙的艉部，其外形做成魚鰭狀，促使載體在水中前進時更加豎直平穩(wěn)。

1.5遙控系統(tǒng)的設(shè)計

遙控系統(tǒng)設(shè)計為可移動式控制臺（簡稱遙控器），操作人員可以隨身攜帶，對機器人載體進行遠程操控。遙控器是一個由無線通訊、數(shù)字量輸入/輸出模塊與模擬量輸入/輸出模塊等構(gòu)建的控制系統(tǒng);利用操控桿及開關(guān)實現(xiàn)了載體推進器的開關(guān)，載體前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作的控制與對電池信息、GPS信息、串口通訊狀況以及電池狀態(tài)的監(jiān)視等，具體控制臺反饋信息如下表1。遙控器的操作在控制面板上完成，控制面板布局如下圖7。

遙控器的內(nèi)部硬件部分的主要劃分為：電源模塊（24VDC電池與24VDC-5VDC電源轉(zhuǎn)換模塊）、主控模塊、Xtend無線通訊模塊、顯示屏、三軸搖桿等。電源模塊為其他模塊提供電源，主控模塊采集操作手柄的控制信號，通過控制臺上的無線通信模塊在載體發(fā)送指令，載體將采集到的載體電池信息、GPS信息、狀態(tài)信息等通過載體的無線通信模塊向控制臺發(fā)送，由顯示模塊進行綜合信息顯示，其模塊關(guān)系如下圖8。

Xtend無線通訊模塊為美國DIGI的遠距離射頻模塊，（見圖9），采用FHSS（調(diào)頻擴頻）技術(shù)，具有良好的抗干擾性;設(shè)置該模塊的工作頻段為ISM900M，搭配RPSMA接口型天線的數(shù)據(jù)吞吐量高達115.2kbps[2]，足以滿足機器人的數(shù)據(jù)傳輸能力;在功耗方面表現(xiàn)出優(yōu)異的成績：1mW-1W，并且根據(jù)自身要求可以通過軟件進行調(diào)整;Xtend具有超遠的傳輸距離的能力，通過增加高增益天線在戶外無遮擋的情況下最遠可以達到65公里。

2 水面救助機器人的應(yīng)用前景

2.1人員救助

當人員落水后，通過遙控器操控機器人拖帶救生圈、救生衣與救生艇等到水面遇險人員附近實施救助。

2.2 ?帶纜功能

在惡劣天氣下，船舶搖晃較為劇烈，傳統(tǒng)的打撇纜的方式無法準確擊中難船，可以通過釋放機器人快速拖帶纜繩到難船附近，實現(xiàn)對難船及時就行拖帶作業(yè)，創(chuàng)造進一步救援條件。

2.3 ?可用于礁石、淺灘以及狹窄水域等特殊水域下救援

救助機器人的外形最大尺寸僅為1500mm（長）*650mm（寬）*750mm（高），結(jié)構(gòu)靈活小巧能滿足大型船舶或救助艇無法到達的特殊水域下救助。

2.4 ?降低救助風(fēng)險與成本

救助機器人可用于高危海域下的救助，如起火的油輪，溢油的船舶。發(fā)生火災(zāi)的油輪有爆燃的風(fēng)險，如果救助人員冒然前往救援，會增加救助風(fēng)險，救助船舶用消防炮一邊進行遠程灑水冷卻，然后一邊配合救助機器人前往失火油輪進行人員救助轉(zhuǎn)移。既減少人員傷亡的風(fēng)險，同時又降低了救助的經(jīng)濟成本[3]。

2.5 ?具有較強的抗風(fēng)浪能力

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，可以做到與魚雷一樣在水中穿梭，即使惡劣的風(fēng)浪環(huán)境，也能正常航行，加上強勁的動力，能夠在較短的時間內(nèi)到達目標位置，為救援爭取時間。

3 結(jié)束語

本文針對船舶在特殊環(huán)境下無法進行科學(xué)施救的情況下研制出一款可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力救助的水面救助機器人。并對系統(tǒng)的設(shè)計進行詳細的分類說明，并對24VDC-5VDC電源轉(zhuǎn)換模塊進行詳細的計算分析，最后對其應(yīng)用進行了合理分析，突出該設(shè)備的應(yīng)用價值。由此得出以下結(jié)論：

（1）通過海上一個月的實測，滿足海上實際特殊環(huán)境的應(yīng)用的要求，在其機動性能與防水防腐蝕性能上表現(xiàn)出優(yōu)秀;在操控性能上方面，表現(xiàn)良好，由于機器人的自身大小的限制，在遠距離遙控時，仍難把握其方向，可能需要增配無線攝像頭來彌補這一缺點。

（2）水面救助機器人使用范圍廣，不僅可以用于救助，還可以用于勘測，水面拍攝等其他應(yīng)用，也為其他海上新型救生設(shè)備研發(fā)提供有利的參考價值。

參考文獻：

[1] 王鵬，宋保維等.魚雷外形多科學(xué)設(shè)計優(yōu)化與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報.2008.20（7）：1915-1916

[2] linhaixiang. 5公里無線數(shù)傳電臺設(shè)計[J/OL]. 百度文庫.2012-06-28.https：//wenku.baidu.com/view/94646218650e52ea5518982e.html

[3] 王全杰，鄭州.無人救助艇的功能性應(yīng)用及技術(shù)展望[J].航海技術(shù).2018.6：