新型復(fù)合式水下機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

辛光紅 周密 楊波 丁學(xué)用

摘? 要： 新型水下機(jī)器人是在遠(yuǎn)程遙控水下機(jī)器人ROV、自主航行水下機(jī)器人AUV、水下滑翔機(jī)AUG的基礎(chǔ)上提出的全新融合體，兼顧了ROV，AUV，AUG的優(yōu)點(diǎn)（簡稱ARG），其由上位機(jī)地面站和ARG本體組成。地面站由OpenWrt路由器、MCU、PC、電力載波模塊、高清顯示屏、工控屏和移動(dòng)終端組成。ARG本體由水動(dòng)力外殼、凈浮力裝置、重心調(diào)節(jié)裝置、水平推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)組成。地面站與ARG之間的信息通信方式有電力載波、WiFi、GSM通信。ARG本體通過重心調(diào)節(jié)裝置、凈浮力調(diào)整裝置和水平推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動(dòng)、定深懸停及無動(dòng)力滑翔。結(jié)合GPS定位和上位機(jī)軟件，ARG具有航跡規(guī)劃、航跡顯示、采集信息及航行日志輸出等功能，圖像采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4K高清實(shí)時(shí)采集傳輸。

關(guān)鍵詞： 水下機(jī)器人; 外形設(shè)計(jì); 抗壓設(shè)計(jì); 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì); 圖像實(shí)時(shí)傳輸; 地面站設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN98?34; TP24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0180?03

Abstract： The new underwater vehicle is an entirely new fusion body designed based on the remotely operated vehicle （ROV）， autonomous underwater vehicle （AUV）， and autonomous underwater glider （AUG）. It combines the advantages of ROV， AUV and AUG， which is named autonomous remotely glider （ARG） for short. The designed vehicle is composed of upper computer ground station and ARG body， in which the former consists of OpenWrt router， MCU， PC， power carrier module， HD display screen， industrial control screen and mobile terminal， while the later consists of hydrodynamic enclosure， net buoyancy device， center of gravity adjustment device， horizontal propulsion power system， power supply system， communication system， sensor system and video acquisition system. The information communication modes between the ground station and ARG include power carrier， WiFi and GSM communication. The ARG body achieves full freedom motion， fixed depth hover and non?powered glide by the center of gravity adjustment device， net buoyancy adjustment device and horizontal propulsion power system. Integrated with GPS positioning and upper computer software， ARG has the functions of track planning， track display， information collection and navigation log output. The image acquisition system can realize 4K HD real?time collection and transmission.

Keywords： underwater robot; shape design; compression resistance design; control system design; image real?time transmission; ground station design

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的迅猛發(fā)展，人類對于資源、空間的要求越來越高，消耗的自然資源也隨之越來越多，陸地早已不能再滿足人類社會(huì)發(fā)展的需求。在地球上，陸地不比海洋，海洋的總面積達(dá)到了3.62億平方公里，占地球總面積的71%，平均深度[1]約3 820 m。同時(shí)，在廣闊的海洋中蘊(yùn)藏有各種豐富的海洋生物資源、海洋礦產(chǎn)資源以及海洋能源。中國作為海洋大國，擁有32 000 km的海岸線和300 km×104 km以上的管轄海域。因此，開發(fā)海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境、維護(hù)海洋權(quán)益、海洋科考及預(yù)報(bào)，對中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國防安全都具有重大意義[2]。

在海洋開發(fā)、環(huán)境保護(hù)及海洋軍事等領(lǐng)域，水下機(jī)器人占據(jù)了極為廣闊的應(yīng)用前景。水下機(jī)器人作為最主要的海洋裝備，對其進(jìn)行深入研究也成為發(fā)展海洋開發(fā)技術(shù)的重要手段。習(xí)總書記也先后在全國科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)上相繼提出了“要向海洋要資源、向深海要資源”的號(hào)召。海南省是國家“一帶一路”戰(zhàn)略的重要支點(diǎn)，海南省在“十三五”規(guī)劃中也明確指出了會(huì)發(fā)展海南的特色經(jīng)濟(jì)，重點(diǎn)在于發(fā)展海洋旅游、海洋油氣、海洋運(yùn)輸、海洋裝備制造等海洋新型產(chǎn)業(yè)。海南省海洋資源豐富，島內(nèi)河流密集，因此，在海洋環(huán)境監(jiān)測、海底生態(tài)保護(hù)、海洋旅游服務(wù)、河流水庫治理等方面，合理利用水下機(jī)器人是具有積極意義和廣闊市場應(yīng)用前景的[3?4]。

1? 新型水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型水下機(jī)器人是遠(yuǎn)程遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）、自主航行水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、水下滑翔機(jī)（Autonomous Underwater Glider，AUG）的全新融合體，其兼顧了ROV，AUV，AUG的優(yōu)點(diǎn)，故稱為ARG（Autonomous Remotely Glider）。ARG具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、航程大、多端控制等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，根據(jù)不同工作環(huán)境采用不同的工作模式。

1.1? 結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)

ARG的結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。為了克服水阻力，ARG采用流線型設(shè)計(jì)，用凈浮力調(diào)節(jié)裝置代替豎向推進(jìn)器，可實(shí)現(xiàn)懸停、低能耗的工作且無泥沙繞動(dòng)。在ARG兩側(cè)增加機(jī)翼，可減輕水平推進(jìn)器產(chǎn)生的水阻力，抗水浪、水流能力也有提升，從而提高ARG的橫縱穩(wěn)定性。采用重心調(diào)節(jié)裝置改變ARG的俯仰角，配合凈浮力調(diào)節(jié)裝置和水平推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)快速上浮下潛運(yùn)動(dòng)[5]。

1.2? 抗壓水密性設(shè)計(jì)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用于反映結(jié)構(gòu)安全程度的系數(shù)稱為安全系數(shù)。安全系數(shù)的確定需要考慮荷載、材料的力學(xué)性能、試驗(yàn)值和設(shè)計(jì)值與實(shí)際值的差別、計(jì)算模式和施工質(zhì)量等各種不定性，其計(jì)算公式為：

本系統(tǒng)采用軟件Solidworks中的Simulation功能對ARG中各個(gè)主要受力部件進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如表1所示。

ARG水密性設(shè)計(jì)主要采用O型圈密封方式，O型圈選型依據(jù)GB/T 3452.1—2005，O型圈的壓縮率[W]通常用下式表示：

式中：[d0]是O型圈在自由狀態(tài)下的截面直徑（單位為mm）; [h]是O型圈槽底與被密封表面的距離（單位為mm）。

ARG的密封對于ARG的電子器件乃至整個(gè)ARG系統(tǒng)來說都很關(guān)鍵，ARG的密封問題是所有問題中出現(xiàn)幾率最高的。本文設(shè)計(jì)的ARG需要密封的地方有耐壓艙體與前透明導(dǎo)流罩的密封、耐壓艙體與后蓋密封、耐壓艙體與水下推進(jìn)器的密封、耐壓艙體與水密插頭的密封。

1.3? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ARG整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。ARG具有有纜與無纜兩種工作方式：有纜模式下，ARG動(dòng)力由臍帶纜提供，控制臺(tái)利用臍帶纜通過電力載波傳遞數(shù)據(jù)與視頻;無纜模式下，當(dāng)ARG浮上水面時(shí)，上位機(jī)可通過WiFi，GSM兩種通信方式與ARG傳輸數(shù)據(jù)指令，使ARG完成一系列動(dòng)作。在ARG內(nèi)部主要有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。

ARG內(nèi)部電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器系統(tǒng)中，由MPU 9250姿態(tài)傳感器可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)慣導(dǎo)，GPS與壓力傳感器實(shí)現(xiàn)定位定深;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要由凈浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)和推進(jìn)器組成，通過其間相互配合可完成上升、下潛、懸停、無動(dòng)力滑翔等一系列動(dòng)作;通信系統(tǒng)中主要有交流電力載波、WiFi和GSM 3種通信方式;圖像傳輸系統(tǒng)利用高清數(shù)字壓縮技術(shù)結(jié)合電力載波實(shí)現(xiàn)4K高清圖像實(shí)時(shí)傳輸[6]。

1.4? 圖像實(shí)時(shí)傳輸設(shè)計(jì)

ARG艏艉部各有1個(gè)攝像頭，其中艏部是4K高清攝像頭，在有纜模式下通過電力纜實(shí)時(shí)傳輸4K高清圖像，讓地面操作者更清晰地觀測海底環(huán)境，方便操作者操控ARG在水下工作。艉部是1個(gè)720P的高清攝像頭，用于ARG的空間定位，操作者通過觀察艉部攝像頭可以更直觀地感知ARG所處位置、方位。

艏部4K高清攝像頭輸出的HDMI（High Definition Multimedia Interface）信號(hào)，通過HDMI轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸器，利用H.264 High Profile高清數(shù)字視頻壓縮技術(shù)結(jié)合電力調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)4K高清圖像實(shí)時(shí)傳輸[7]。艉部高清攝像頭將視頻流通過OpenWrt路由器輸出TCP/IP視頻流，通過電力載波傳輸至地面站顯示端。其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2? 地面站及上位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1? 地面站控制臺(tái)設(shè)計(jì)

地面站控制臺(tái)如圖5所示，主要由OpenWrt路由器、MCU、PC、電力載波解調(diào)模塊、高清顯示屏、工控顯示屏和移動(dòng)終端組成?？刂婆_(tái)負(fù)責(zé)對下位機(jī)發(fā)送指令、顯示下位機(jī)所傳輸?shù)膱D像以及接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)[1]。下位機(jī)采集數(shù)據(jù)后經(jīng)電力載波調(diào)制模塊調(diào)制再通過電力線傳輸?shù)降孛嬲镜碾娏d波解調(diào)模塊，經(jīng)解調(diào)后通過網(wǎng)絡(luò)線傳輸?shù)絆penWrt路由器，路由器通過TCP/IP協(xié)議將高清圖像傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)延長器接收端，再通過HDMI線連接高清顯示屏并顯示。同時(shí)，地面上的PC端、移動(dòng)終端、控制箱的MCU也通過TCP/IP協(xié)議連接OpenWrt路由器并接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)，再由工控顯示屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)[8]。地面站的指令可通過控制臺(tái)和移動(dòng)終端通過OpenWrt路由器和電力載波模塊傳送到下位機(jī)的通信模塊，再由其他模塊執(zhí)行指令。

2.2? 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)基于Microsoft Visual Studio是在Microsoft.NET平臺(tái)上編寫的。該系統(tǒng)具有RS 232通信、TCP/IP通信功能，能滿足ROV和AUV的控制和調(diào)試需求。應(yīng)用內(nèi)嵌有在線地圖，通過API接口的方式與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以實(shí)現(xiàn)定位的功能。應(yīng)用窗體可接收、處理、顯示和保存下位機(jī)回傳的傳感器數(shù)據(jù)，還可以顯示實(shí)時(shí)視頻、以3D模型展示設(shè)備三維姿態(tài)，其控制面板如圖6所示。

3? 結(jié)? 語

本文對各系統(tǒng)與基礎(chǔ)模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了各單元的可靠性，對ARG整體進(jìn)行水池測試，完成一系列給定動(dòng)作，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。經(jīng)室內(nèi)水池實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)完成了全自由度運(yùn)動(dòng)控制測試、通信系統(tǒng)測試、傳感器系統(tǒng)測試，基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)[9]。運(yùn)動(dòng)控制算法還需優(yōu)化，其中能量和時(shí)間雙重約束下的最優(yōu)路徑運(yùn)動(dòng)算法是后期改進(jìn)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

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