水上救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)

楊健瑋，龔椿彭，姜逸川，潘偉文，何偉鋒

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

在如今的城市景區(qū)公園建設(shè)中，大多數(shù)情況下都有湖畔區(qū)域的建設(shè)，為了保證游客的人身安全，湖畔邊緣都盡可能設(shè)置一定高度的安全圍欄。雖然具備如此安全措施，但仍會(huì)有一部分游客因?yàn)槟承┰蚨缭絿鷻?，并不幸落入水中，有些湖畔區(qū)域半徑較大且游客稀少，事故發(fā)生后并未被發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致救援人員無(wú)法及時(shí)趕到進(jìn)行救援。對(duì)于此類(lèi)情況，本文設(shè)計(jì)的水上救援機(jī)器人在水域巡航時(shí)只要發(fā)現(xiàn)以上狀況，便能靈活快速地行駛到該事故區(qū)域，對(duì)落水人員實(shí)施救援行動(dòng)，這樣就能趕在救援人員到達(dá)之前實(shí)施前期救助，為落水人員爭(zhēng)取寶貴的救援時(shí)間。

1 水上救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水上救援機(jī)器人的船體采用了高韌度ABS材料和環(huán)氧樹(shù)脂（防腐、防湖泊生物污染）制成，堅(jiān)固耐用。船身采用斜V型構(gòu)造，具備線型中央底部構(gòu)造，從而能夠在水的浮力作用下懸浮于水面而不沉[1]。動(dòng)力裝置安置在船體尾部，采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是以汽油作為燃料，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能的發(fā)動(dòng)機(jī)。在保證有充足的動(dòng)力條件下，船體尾部配置有螺旋槳，對(duì)整體進(jìn)行前進(jìn)驅(qū)動(dòng)。船底前端設(shè)計(jì)有舵機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以配合螺旋槳進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。救援船體兩側(cè)分別配置兩個(gè)救生圈，并設(shè)有彈射裝置，通過(guò)超聲測(cè)距得出船體與落水者的距離，準(zhǔn)確彈射出救生圈到落水者附近。前端設(shè)置有紅外線探測(cè)傳感器探頭，以仿照機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，在各轉(zhuǎn)動(dòng)副上配置電機(jī)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)多角度的探測(cè)[2]。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水上救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 水上救援機(jī)器人的工作流程

水上救援機(jī)器人的工作狀態(tài)分為自動(dòng)巡航和人機(jī)遙控控制兩個(gè)模式。當(dāng)模式為自動(dòng)巡航時(shí)，在救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)中編好巡航軌跡，按照設(shè)定好的航行軌跡進(jìn)行巡邏，同時(shí)前方的紅外線探測(cè)傳感器運(yùn)行工作，對(duì)湖畔區(qū)域進(jìn)行掃描，通過(guò)自身攝像頭和內(nèi)存記錄行駛數(shù)據(jù)。當(dāng)探測(cè)到落水者險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，探測(cè)器監(jiān)測(cè)到大幅度動(dòng)態(tài)險(xiǎn)情影像，鎖定險(xiǎn)情方位，修正船體運(yùn)動(dòng)方向后快速向事故位置駛?cè)?，同時(shí)響起警報(bào)和通知救援人員[3]。當(dāng)?shù)竭_(dá)落水者附近后，彈射裝置根據(jù)實(shí)時(shí)距離彈彈射出救生圈對(duì)落水者進(jìn)行前期救助，落水者拿到救生圈后，彈射裝置對(duì)綁在救生圈的引繩進(jìn)行收回，使落水者到達(dá)船體。落水者在恢復(fù)體力的情況下，可自行爬上船艙等待救援人員到來(lái)。

在人機(jī)遙控控制模式下，救援人員通過(guò)遙控器精確判斷落水者的方位，遙控救援機(jī)器人快速達(dá)到指定位置，彈射出救生圈，實(shí)施前期救援[4]；當(dāng)落水者套上救生圈時(shí)，可遙控船體拖動(dòng)落水者靠向岸邊，完成救助。

3 水上救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于救援機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)快速確定到達(dá)指定位置的要求，為使各部分功能相互不干擾，需將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化。船體上的控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。其中采用電源模塊12 V的鋰電池進(jìn)行供電；核心控制采用微控制器，控制救援船體的各功能協(xié)調(diào)運(yùn)行；舵機(jī)控制船體的運(yùn)動(dòng)方向，其驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)控制，反饋采用反饋傳感器；采用測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)距離判定及規(guī)避障礙的功能；無(wú)線通信與測(cè)距模塊采用NanoPAN5375芯片模塊組成[5]。遙控器采用單片機(jī)，通過(guò)接收遙控船體的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)遙控器上的LCD屏幕動(dòng)態(tài)顯示。

（1）電源模塊。船體由12 V鋰電池提供電源，鋰電池經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊后可以提供2.5 V、12 V兩種不同規(guī)格的電壓。其中2.5 V用于提供無(wú)線通信與測(cè)距模塊電壓，12 V用于嵌入式主控板。電源模塊是救援船體的動(dòng)力來(lái)源，為控制系統(tǒng)提供電力保障。

（2）核心控制。為滿足救援功能，要求船體具有高精度航速控制、靈活的方向控制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋功能，并具有防撞保護(hù)。該系統(tǒng)中的所有任務(wù)要求由1個(gè)CPU完成，因此采用了嵌入式主控板[6]。

（3）舵機(jī)確定。舵機(jī)是確定船體運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)鍵，如果運(yùn)行路徑與指定航線偏差往往能導(dǎo)致救援船無(wú)法到達(dá)指定位置進(jìn)行求援作業(yè)。本系統(tǒng)舵機(jī)控制采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與舵機(jī)采用齒輪嚙合傳動(dòng)方式，反饋傳感器直接安裝在舵機(jī)的軸上作為位置反饋，進(jìn)行位置閉環(huán)控制，精確控制船體舵機(jī)的方向[7]。

（4）運(yùn)動(dòng)模塊。救援機(jī)器人的前進(jìn)后退的運(yùn)動(dòng)由汽油機(jī)提供動(dòng)力支持，通過(guò)加裝運(yùn)動(dòng)控制傳感器，以遙控指令的方式對(duì)救援船的螺旋槳的轉(zhuǎn)速加以限制，使其能在規(guī)定的路線上行進(jìn)或停止。船體方向通過(guò)步進(jìn)電機(jī)放大器，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制舵機(jī)進(jìn)而使得救援船轉(zhuǎn)向。

（5）電路設(shè)計(jì)。嵌入式主控板采用高度集成的芯片，目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流采樣和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｇ度胧街骺匕逯饕褪菍?shí)現(xiàn)CPU的功能，通過(guò)它來(lái)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)模塊、無(wú)線通信與測(cè)距模塊和監(jiān)視無(wú)線等模塊的執(zhí)行情況。同時(shí)主控板還有一個(gè)重要的外圍電路，它主要包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路等，通過(guò)它們與各個(gè)模塊進(jìn)行連接。

（6）無(wú)線通信與測(cè)距模塊。本系統(tǒng)采用具有測(cè)距功能的無(wú)線模塊，在完成遙控功能的同時(shí)可以完成測(cè)距功能，可以根據(jù)測(cè)距信息完成無(wú)線定位功能。由于救援船是通過(guò)拋救生氣墊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其主要功能的因而其測(cè)距精度要求并不是特別的高，而該救援船的測(cè)距功能不應(yīng)只局限的單一方向上的，又要求具有一定的精度，綜合各方面的考慮，因此系統(tǒng)采用基于NanoPAN5375的定位方法[8]。

圖2 水上救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)框圖

（7）監(jiān)視無(wú)線模塊。因?yàn)榫仍谛旭偟倪^(guò)程中的控制是通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行遙控，就是需要利用無(wú)線電波來(lái)傳輸指令等信號(hào)。而監(jiān)視無(wú)線模塊主要的作用就是接收新的指令進(jìn)確定的寄存位置中同時(shí)不斷讀取無(wú)線模塊狀態(tài)寄存器狀態(tài)當(dāng)顯示有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)[9]。

4 系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試

該水上救援機(jī)器人的系統(tǒng)測(cè)試主要測(cè)試3個(gè)模塊：控制、軟件、硬件。首先先試運(yùn)行一遍系統(tǒng)的人工控制，確保系統(tǒng)在開(kāi)端、持續(xù)運(yùn)行、停止3個(gè)階段能夠流暢接通運(yùn)行；第二步對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試，使船體的運(yùn)行計(jì)算和無(wú)線通信階段能夠準(zhǔn)確無(wú)誤完成，并反饋到終端；最后對(duì)硬件進(jìn)行最終的檢查，經(jīng)過(guò)試下水運(yùn)行后，可以按照要求在水面上行駛，基本可按照預(yù)定要求完成工作。綜合這3個(gè)模塊的測(cè)試，克服環(huán)境阻力的情況下該救援機(jī)器人能夠及時(shí)到達(dá)落水者處，并且不對(duì)落水者造成二次傷害。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前各個(gè)設(shè)有湖泊區(qū)域景區(qū)的救援人員不足的需求，結(jié)合傳統(tǒng)的遙控船構(gòu)造設(shè)計(jì)出一種具有自動(dòng)巡航檢測(cè)、快速遙控并彈射救生圈的水上救援機(jī)器人。該水上救援機(jī)器人最初由SolidWorks軟件繪制模型、裝配，進(jìn)而購(gòu)買(mǎi)材料進(jìn)行組裝、編程和調(diào)試，最終制作完成。通過(guò)在周?chē)皡^(qū)的湖泊水域上，對(duì)設(shè)計(jì)的此款水上救援機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，基本滿足救援要求。該水上救援機(jī)器人設(shè)計(jì)便攜輕巧、使用簡(jiǎn)單、安全性高，其本身具有紅外感應(yīng)裝置，可快速定位搜尋落水者，爭(zhēng)取更多的救援時(shí)間[10]。