基于DSP的水下機器人探測與搜索系統(tǒng)設(shè)計＊

賀鵬飛，唐少強，劉智博，張詩晗

（安徽省滁州學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

＊［基金項目］2021年安徽省滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目“基于DSP的水下機器人探測與搜索系統(tǒng)設(shè)計”（編號：2021CXXL068）

水下機器人的運行系統(tǒng)需要在復(fù)雜的水底環(huán)境中長時間工作，在水底可以搜集到的信息很少，不確定性高，將技術(shù)適當(dāng)進(jìn)行整合，取長補短，不但能夠提高水下的探測精度，而且可以適當(dāng)降低對單一的系統(tǒng)元器件的精度要求，從而降低系統(tǒng)總體的成本，提高系統(tǒng)的容錯性，增加系統(tǒng)的可靠性。

水下機器人有著廣闊的應(yīng)用前景，具有潛入浮出、可攜帶負(fù)載運輸、動作靈活等特點，通過運動控制系統(tǒng)與傳感器等感知系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)控、搜尋營救、災(zāi)情視察、探測、預(yù)警、打撈和水質(zhì)檢測等。水下動力控制技術(shù)已經(jīng)有成熟的理論基礎(chǔ)，如目前廣泛應(yīng)用于市場的ROV等[1]。水下機器人要實現(xiàn)實用化，探測和搜索技術(shù)是其所要具備的功能技術(shù)之一，依據(jù)自身條件進(jìn)行合理判斷，從而實現(xiàn)避障和探測監(jiān)測并傳遞出指定區(qū)域內(nèi)搜集到的信息。本文針對水下機器人探測與搜索這一特定問題，探討指定區(qū)域內(nèi)信息探測方法。

1 系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)及特點

魚類在水中擁有獨特的身體構(gòu)造，使其變得靈敏且特殊，為研究水下情況，按照魚的外形設(shè)計了該系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括機器主體部分、兩邊可拆卸的水平胸鰭、后方的垂直尾鰭、上下方的背鰭和腹鰭；所述主體為魚的外形殼體，機體上下左右后5個部位分別設(shè)有帶孔卡槽；所述的水平胸鰭是成對的，分開成軸對稱關(guān)系安置于機體左右兩邊；所述后方的垂直尾鰭安裝在所述機體的尾部卡槽；所述背鰭和腹鰭各有一件，分開設(shè)在機身中段上下方，魚鰭部分都為空心殼體，減輕了質(zhì)量，使得其在水中能夠更加靈活輕盈且降低了成本。

真實的魚類生物機體內(nèi)外條件難以完全真正實現(xiàn)模仿，為進(jìn)一步降低機器人的研發(fā)成本和使用成本并提高使用的便捷性，采用特殊的復(fù)合型材料以及木質(zhì)結(jié)構(gòu)體封閉結(jié)構(gòu)，再在表面涂上防水材料并貼上蒙皮，并對縫隙處進(jìn)行特殊防護(hù)處理，蒙皮上再進(jìn)行流線型處理，使機器人更接近仿真，水中游動速度變快，更加耐用，外形更加美觀。在已有的技術(shù)上，摒棄了傳統(tǒng)的包裝外形設(shè)計和舊式材料，充分發(fā)揮了各個模塊的特點，使得機器人更加靈活輕便，更具有潛在的競爭力。

2 整體系統(tǒng)運行原理

2.1 DSP成像識別

實驗系統(tǒng)搭建完成后，通過圖像分割、點運算、區(qū)域邊界檢測、編碼壓縮、幾何變換、EM最大期望算法和Camera 3A算法等對圖像進(jìn)行優(yōu)化處理。模擬信號需要用DSP（Digital Signal Processing）轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，待CCD（Charge Coupled Device）攝像頭搜集到可用信號便馬上將接收到的波形傳遞給DSP芯片，經(jīng)過再轉(zhuǎn)換成為可處理的量化信息，即CCD傳感器捕獲到模擬信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器采樣與預(yù)處理變?yōu)殡x散的數(shù)字信號，等進(jìn)入UDSP（Utilizing Digital Signal Processor）芯片中，此時的信號便是以二維矩陣的方式存在的。

2.1.1 DSP處理器

DSP處理器是經(jīng)過特殊指令和結(jié)構(gòu)設(shè)計的，能夠適應(yīng)DSP算法，處理運算量大的系統(tǒng)，且編譯和執(zhí)行速率都高于普通芯片。在FFT（Fast Fourier Transform）、譜分析等方面正大量被引入[2]。DSP芯片按照用途劃分，通?？梢苑譃閷Ｓ眯秃屯ㄓ眯?，通用型可以進(jìn)行指令編程，常用于普通的應(yīng)用裝置，而專用型則是為特定運算而專門設(shè)計。目前運用最多的是通用型TMS320系列芯片。

2.1.2 DSP圖像處理實現(xiàn)

圖像處理主要可分為頻域處理和空域處理，頻域的處理本質(zhì)是卷積定理的應(yīng)用，圖像被轉(zhuǎn)換成波，再對其進(jìn)行數(shù)字信號處理。與此不相同是空域處理，空域處理本質(zhì)是灰度映射的變換，是直接對圖像中像素進(jìn)行處理。

2.2 空間姿態(tài)傳感系統(tǒng)

為了使機器運行更加穩(wěn)定、適應(yīng)能力更強，為主控制板帶上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合陀螺儀、加速度計和地磁[3]。把三軸角速率、三軸加速計、三軸磁場作為輸入，姿態(tài)角度作為輸出。經(jīng)過測試匹配，使用相應(yīng)的傳感器，經(jīng)過ARM（Advanced RISC Machine）處理器的轉(zhuǎn)換得到三維姿態(tài)信息和目標(biāo)方位的數(shù)據(jù)，共同組成空間姿態(tài)傳感系統(tǒng)，讓機器人在水中活動更加靈活穩(wěn)定。ARM處理器有著體積小且功耗低的特點，加上16/32位雙指令集、用戶模式的強大性能，非常適合用于對成本和功耗敏感的產(chǎn)品設(shè)計和裝置。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計過程

根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定好目標(biāo)需求，經(jīng)過算法推測和預(yù)設(shè)，對目標(biāo)功能進(jìn)行模擬演示，確定好可行的方案之后，再根據(jù)其運算的速率、誤差及儲存能力等參數(shù)對應(yīng)選擇合適的DSP芯片。

對芯片進(jìn)行多方面、多因素、多方式核算，評估可行性，單DSP與多DSP、串行和并行結(jié)構(gòu)等都是影響其處理能力的重要因素。進(jìn)一步優(yōu)化算法、高頻次完善性能。設(shè)計好合適的結(jié)構(gòu)，完成芯片的選擇，之后同步進(jìn)行硬件的設(shè)計與軟件的編譯，經(jīng)過軟硬件的反復(fù)調(diào)試與磨合，最終集成系統(tǒng)，再對系統(tǒng)進(jìn)行各項實驗測試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并依照數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳效果。

2.3.1 軟件、硬件設(shè)計

對各項需求進(jìn)行分類，確定軟硬件分別需要完成的部分，分工完成，再根據(jù)技術(shù)需要進(jìn)行硬件的設(shè)計，繪制相應(yīng)的能夠滿足基本需求的電路原理圖。最后為硬件編寫與之相符的滿足要求的DSP匯編語言程序，滿足軟件設(shè)計需求。

2.3.2 調(diào)試

硬件和軟件設(shè)計完成后，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，用硬件仿真器對硬件進(jìn)行仿真與調(diào)試，用DSP開發(fā)工具進(jìn)行軟件調(diào)試。將二者結(jié)合，同步進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)實時情況反饋來查看系統(tǒng)是否需要進(jìn)行相應(yīng)的改變和完善。

2.3.3 集成與測試

調(diào)試完成后，還需要對系統(tǒng)進(jìn)行集成處理和測試，可直接在應(yīng)用系統(tǒng)上單獨運行軟件，根據(jù)結(jié)果評估是否滿足目標(biāo)需求。由于軟硬件的匹配不是絕對成功的，需要多次匹配與磨合。因此，本階段需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和長期優(yōu)化處理，一旦運行與實時所需表現(xiàn)一致或者達(dá)不到目標(biāo)要求，就要進(jìn)行修改和再測試，如此反復(fù)直到完成目標(biāo)要求。

2.4 機器人的機身平衡技術(shù)

2.4.1 PID的選擇

PID（Proportion Integration Differentiation）控制的應(yīng)用有一定的魯棒性，其中P是比例，I是積分，D是微分，使用起來比較靈活，能夠達(dá)到更多的要求，更加適應(yīng)惡劣環(huán)境[4]。水底環(huán)境充滿未知和不確定性，對系統(tǒng)會有一定的影響，這也使得時變性和非線性等成為水下機器人在應(yīng)用過程中的運動特性，為了讓未知更加可控、降低潛在的損失與風(fēng)險、提升性能，通過線性微分化或模型簡化等方式簡化為基本可控的非時變性和線性的可控系統(tǒng)，經(jīng)過測試和技術(shù)篩選以及成本把控，PID各方面都可以滿足條件，進(jìn)而使用PID控制。

2.4.2 PID控制方式

模擬控制系統(tǒng)中有眾多控制規(guī)律，使用較多的是PID控制規(guī)律，可控性較強。比例P控制調(diào)節(jié)反應(yīng)靈敏度，P較小時反應(yīng)較慢，P變大則加快系統(tǒng)反應(yīng)速度，速度提升，實時性提高，系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定，偶然出錯率也被降低。積分I調(diào)節(jié)可以減小誤差；微分D反映誤差的變化速率。記錄相關(guān)數(shù)據(jù)條件，通過對PID各參數(shù)協(xié)調(diào)調(diào)控進(jìn)而對機體的速度大小和方向選擇進(jìn)行目標(biāo)把控，使機體維持平衡狀態(tài)。

2.5 超聲波避障與數(shù)據(jù)傳波

由于溫度、能見度、介質(zhì)等環(huán)境因素，GPS（Global Positioning System）信號無法穿透水面，水下機器人工作不能采用GPS進(jìn)行組合與定位導(dǎo)航，而聲波可在液體介質(zhì)中傳播，因此運用超聲波避障與數(shù)據(jù)傳波，很好規(guī)避了信號無法傳播的問題。

超聲波避障系統(tǒng)擁有發(fā)送機械波與接收聲波的2個信息通道；依靠DSP芯片核心控制器部分產(chǎn)生的可被檢波器監(jiān)測到的矩形脈沖信號，脈沖信號功率被發(fā)送通道處理之后再進(jìn)行放大，從而驅(qū)動超聲波發(fā)生器形成超聲波并完成發(fā)送[5]；超聲波通過穩(wěn)壓裝置的前置放大濾波器提高分辨率和進(jìn)行降噪處理后傳遞給檢波器，再將接收到的信號傳輸?shù)胶诵目刂破鱀SP裝置中，提前調(diào)整自身的姿態(tài)或轉(zhuǎn)變方向來躲避或繞道，從而達(dá)到避障效果[6]。

2.6 傳感器的防水問題

普通的傳感器外形設(shè)計基本為圓柱體的復(fù)合塑料外殼，對其進(jìn)行浸入水中的實驗測試，結(jié)果表明防水效果較差。因此需要對所使用的傳感器進(jìn)一步做防水處理，在不損壞傳感器的條件下，對傳感器加熱，提高內(nèi)部溫度，增加內(nèi)部壓強，迫使內(nèi)部空氣排出，之后快速將傳感器浸入到常溫的凡立水中；隨著溫度的降低，凡立水由于內(nèi)外壓強差附著到傳感器的縫隙和表面，之后取出，放置在室外干燥處，待外部涂層自然風(fēng)干便可使用，如此便可以使其防水效果得以提升，能夠基本滿足防水要求[7-8]。

3 機器人驅(qū)動系統(tǒng)[9-10]

機器人的動力系統(tǒng)是一個驅(qū)動微電機，市面上大部分魚型機器人利用自身作為助推器，進(jìn)行S形擺動，機體左右協(xié)調(diào)擊水?dāng)[動，作用于水，再通過流體給予的反作用力獲得整體前進(jìn)的推力。水下機器人使用舵機驅(qū)動一個扇形橡膠尾鰭左右擺動，模擬大自然中的魚類，通過擺動尾鰭進(jìn)而實現(xiàn)在水中變向式游動，達(dá)到仿生效果，使機器魚能夠在水中游動的過程中降低自身耗能，提高能量利用率，增加持久力。

3.1 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的作用是對電路所輸出的脈沖進(jìn)行相應(yīng)的頻率和周期等信息的放大，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波處理，從而給逆變裝置提供通斷驅(qū)動信號。將電子電路信號接收后按照需求轉(zhuǎn)化到電子器件上，實現(xiàn)通斷效果。

3.2 舵機工作原理

接收器把控制信號傳遞到信號調(diào)制裝置中，調(diào)制處理完畢，便獲得相應(yīng)的偏置電壓。內(nèi)置的基準(zhǔn)電路產(chǎn)生基準(zhǔn)信號，電位器電壓和偏置電壓形成電壓差，產(chǎn)生輸出并驅(qū)動電機工作。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值時，可以通過級聯(lián)減速齒輪的轉(zhuǎn)動使電位器轉(zhuǎn)動，逐漸降低電壓差，當(dāng)電壓差減小直至為0時，電機便停止工作。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)分為DSP芯片核心處理系統(tǒng)、超聲波避障系統(tǒng)、快速反應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、快速反應(yīng)系統(tǒng)、三相電機控制系統(tǒng)，水下機器人入水進(jìn)行搜索和檢測，各系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)避障與游動前進(jìn)。通過DSP和各個控制器將各模塊控制調(diào)度和數(shù)據(jù)處理發(fā)送給中央處理器云端，經(jīng)過中央處理器云端處理后顯示下一步的工作模式與處理方案。

基于DSP的避障和傳輸技術(shù)等智能環(huán)境開發(fā)，目標(biāo)產(chǎn)品實現(xiàn)水下機器人穩(wěn)定控制、自動避障技術(shù)和基于PID的機身平衡技術(shù)。使用水下機器人處理各種問題，如可以實現(xiàn)水下搜索和探測等?？罩衅脚_的研究可以向水面和水中研究領(lǐng)域進(jìn)行擴展，使數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和人機同步等技術(shù)得到進(jìn)一步開發(fā)和利用。