二合一全自動智能水底機械人

劉昭朗 劉冠華

研究背景

澳門由于地理位置原因，夏季經(jīng)常遭遇臺風(fēng)。而在臺風(fēng)來襲期間，澳門的低洼地區(qū)地面及地下停車場都會受到臺風(fēng)影響發(fā)生水浸，地面的水浸深度時常達(dá)到2 3米，足以淹沒一個成年人。如果每個水浸地點都需要蛙人進(jìn)行救援工作，那么需要很多人力，救援效率也很低；而如果能利用水底機械人進(jìn)行搜救工作，效率就可以大幅提高。所以我有了一個想法，設(shè)計一個既搭載對象識別系統(tǒng)，又方便易用的無線纜水底機械人。

設(shè)計過程

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機架

本機機架由6件3D打印的零部件及1塊亞克力板組成，機架可將3個防水艙、4個推進(jìn)器及1只機械手的位置固定。機架的設(shè)計是為了方便使用者可以在短時間內(nèi)將全自動智能水底機械人（以下簡稱為AUV）組裝好并方便使用。

防水艙

由于水底機械人需要在水下執(zhí)行任務(wù)，而機上搭載的電子系統(tǒng)不防水，所以AUV搭載的電子零件都要放進(jìn)防水艙內(nèi)。這只AUV搭載3個防水電子艙，分別為2個Blue robotics 3寸電池防水艙及1個主要電子防水艙。使用 3個防水艙可以令水底機械人更易取得平衡，不怕翻側(cè)，而且必要時可以多放入一個電池，增加續(xù)航時間。

3個電子艙內(nèi)的電子零件分布

左側(cè)3寸電子艙：電池控制板+總開關(guān)+負(fù)重；

右側(cè)3寸電子艙：Blue robotics lithiumion battery；

上層4寸電子艙：樹莓派+Pixhawk+推動器控制板。

動力系統(tǒng)

本機的動力系統(tǒng)由4只Blue robotics T100推進(jìn)器組成，分別為2只垂直、2只水平?？梢宰龅较蚯?、向后、浮、沉等基本動作。

機械手

本機搭載Blue robotics Newton subsea gripper機械手（圖1），可以增加水底機械人的通用性。例如，可以在水中移開或夾走對象，提高搜索的效率。同時，這只機械手可以根據(jù)程序自動執(zhí)行任務(wù)或岸上手動執(zhí)行任務(wù)。

電子結(jié)構(gòu)設(shè)計

電子系統(tǒng)本機的電子系統(tǒng)由1塊樹莓派第3代和1個無人機控制器作為中心，控制4個推進(jìn)器及機械手、傳感器等的運作。整個電子系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)先編程的任務(wù)，其中己成功測試的任務(wù)包括在水中識別及穿過水中的門，在水中識別不同的形狀、線條等。

影像系統(tǒng)

AUV使用的攝像頭為低亮度高清USB攝像頭，可以在低亮度的環(huán)境中有效率地將影像傳送到Raspberry Pi作圖像識別之用。低亮度高清攝像頭非常適合用于水底環(huán)境，在光線很暗的情況下也能保持色彩并保持良好的質(zhì)量。

制作步驟

● 用Solidworks畫出機體結(jié)構(gòu)，然后用3D打印機將結(jié)構(gòu)零件打印出來。

● 將電子零件整理好，組裝電子艙。

● 將電子艙與機械結(jié)構(gòu)組合，并將電線接頭用AB膠覆蓋好。

● 組合好后，在小水箱內(nèi)用氣泵測試電子艙是否漏氣。

● 全部安裝完畢后，在游泳池中測試二合一全自動智能水底機械人的性能。

設(shè)計特色

機械特色

容易組裝；

利用3D打印技術(shù)打印零件；

利用SolidWorks繪制CAD圖；

曲面設(shè)計減少水阻；

利用4個Blue Robotics T-100推進(jìn)器；

搭載機械手以便執(zhí)行任務(wù)；

最大向前推力5 kgf；

總重量為10.3 kg。

電子特色

系統(tǒng)搭載樹莓派控制板；

DIY Mavlink程序作圖像識別；

全自動智能水底機械人可以在必要時轉(zhuǎn)為纜控水底機械人。

創(chuàng)新點

這款水底機械人有圖像識別系統(tǒng)、方便使用者組裝的機架和一個綜合用戶界面。首先，圖像識別系統(tǒng)主要用來識別水中的障礙物及判斷是否有人被困在水底，可以令救援工作變得更快更準(zhǔn)確，也可以在救援時保障蛙人的安全。其次，水底機械人由6件3D打印的部件組成，使用者可以很快完成水底機械人的組裝。最后，使用者可以通過用戶界面查到即時數(shù)據(jù)，令搜救工作變得簡便。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學(xué)組工程學(xué)一等獎。

專家評語

本項目面向水下救援提供高效工具，具有較高的科學(xué)人文關(guān)懷精神。項目充分運用開源軟件等技術(shù)方法，體現(xiàn)了研究者的系統(tǒng)集成能力、知識面和動手能力。機械手的運作稍顯不足，建議增強機械手的運動能力，增強全自動水平。■