水下機器人自救系統的研制

1 引 言

AUV作為人類在海洋活動，特別是深?；顒又械闹匾娲吆蛨绦姓?，已被廣泛應用于科學考察、深海作業、打撈救生等領域，其應用前景極其廣泛。但AUV的深海作業環境是非常惡劣的，時常面臨著各種各樣的危險。研制一臺AUV需要大量的人力物力資源，而且每次實驗或作業所獲得的資料或數據具有極大價值，對于載人機器人還有生命保護任務。如果因故障造成AUV失事沉入海底，將會造成極大損失，對海洋開發或研究是一個沉重的打擊，因此，AUV的自救系統也成為AUV的關鍵設備之一[1，2]。

本文針對復雜海洋環境為某一探測AUV研制出1套高可靠性自救系統。

2 自救系統工作原理及方案設計

2.1 自救系統工作原理

水下機器人的自救，其實是AUV機器人通過某種手段使自身在面臨危險狀況時能夠快速上浮至水面而獲救。根據水下機器人的水下作業環境，分析其可能出現的各種故障和風險。

自救系統裝置作為一個相對獨立的子系統安裝在機器人主體上，在機器人下水前配置好自救用的壓載物和救生信標。當機器人在水下出現故障不能正常上浮時，水面工作人員通過水聲裝置發送自救命令，一旦自救系統接收到水聲自救命令，自救控制器就驅動自救執行機構拋出壓載物，為機器人提供足夠的浮力而使其能上浮。當機器人上浮到一定深度后，自救系統釋放出信標及強力纜繩浮到水面，借助信標內的GPS和無線電電臺向母船發出位置信號，待母船發現后，抓住信標上所附的強力纜繩，用吊車或絞車將浮出水面的水下機器人回收，從而實現機器人的自救[3]。

2.2 自救系統方案設計

根據系統應用實際要求，自救系統需要獨立機器人主體而自成系統，本文自救系統主要包括電源部分、通信及通信單元、控制單元、驅動單元、釋放機構及信標。其中，通信及通信單元主要用來與水面母船和水下機器人主體進行信號傳輸；控制單元完成命令判斷、數據處理等功能；驅動單元接受控制信號產生足夠的驅動功率來使釋放機構完成相應動作；釋放機構單元是特定的機械機構，能夠順利完成釋放動作；信標單元包括無線電電臺、GPS模塊、頻閃燈等，用來浮出水面后給機器人定位和幫助母船搜索目標。其方案具體框圖見圖1。

圖1 水下機器人自救系統框圖

2.3 水下機器人自救系統關鍵技術分析

自救系統是水下機器人水下作業安全的重要保證，本文分析其具體實際應用及方案設計，總結出其涉及的關鍵技術如下：

1) 復雜海洋環境下可靠自救技術

海洋環境與陸地不同，其自然條件十分苛刻，除海面上變化莫測的驚濤駭浪之外，隨著海中深度的增加而產生的壓力和溫度的變化也十分劇烈，并且機器人在海底作業過程中，還可能遇到不可知狀況，比如不規則暗流、淤泥、海底地震活動等。這就要求自救系統必須具有高可靠性，在惡劣的環境中也能順利完成自救任務[4]。

2) 深海可靠釋放壓載及信標技術

本文方案是采用拋載的方式來實現機器人的自救，因此拋載的成功是整個自救系統順利完成任務的重要保障，而深海拋載裝置涉及到耐壓和密封等相關問題，因此在系統實現過程中要對這些問題分析和解決。

3) 自救系統小型化、低功耗、工程化技術

由于自救系統是安裝在水下機器人外殼表面，其體積有一定的要求；并且其自帶電源，具有相對獨立性，因此要求自救裝置具有小型化、低功耗等特點。

3 系統方案實施

3.1 系統硬件結構組成

本文系統硬件結構框圖見圖2。

圖2 自救系統硬件框圖

1) 電源選型

本文所研制的自救系統自帶電源，要求所選用電池能量體積比高、安全可靠、方便使用。

對比各種電池特點，本文選用鋰子電池供電。其具有體積小、容量大、輸出電壓高、比能量高、放電電壓穩定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應等優點。具體電池型號選用武漢力興電源公司出品的ICP11S型鋰離子電池，其性能指標如下：額定電壓為3.6 V；充電終止電壓為4.2 V；工作溫度為充電0～45℃，放電-20～60℃；容量為11 A·h。

2) 電控驅動器

用于接收控制信號，將電能轉換為機械能，從而驅動釋放執行機構動作，一般為電機、電磁鐵、爆炸螺栓等。本文考慮到系統可靠性及小型化要求，選用美國遠洋電子公司(Pelagic Electronics)的1810 A系列深海電螺線管，其已經被用于伍爾霍茲海洋研究院的“阿爾文”號潛器以及其他工程應用中。

1800A系列深海電螺線管是Pelagic Electronics公司生產的一種獨特的開放式設備，能夠在任何海洋深度下工作。它能夠提供一系列可變的拉(推)力，用于釋放重物或儀器，操作機械連桿，或打開配套的設備。同時，它能夠通過聲學驅動，再輔以繼電器或定時器，從而在長期的命令或釋放系統中得到了廣泛的應用。當在電螺線管的內部或外部中配備1個彈簧，它就能夠重復地工作。這是它與其他深海應用的驅動裝置相比最大的優點。具體性能參數見表1。

表1 電螺線管機電參數

圖3 電螺線管

3) 釋放機構

完成釋放動作的機械裝置，其主要包括壓桿、搖桿和電螺線管等。具體構成如圖4。當電螺線管接受釋放驅動信號動作，其內芯柱塞回縮，搖桿由于壓載的重力將滑向電螺線管，壓桿也將被抬起。搖桿與壓載相連端是一缺口狀，當搖桿滑到一定距離時，壓載將脫離搖桿的連接，從而完成壓載的釋放。

圖4 釋放機構

4) 控制單元電路

主要用來產生時序控制脈沖，包括：釋放壓載1脈沖信號、釋放壓載2脈沖信號、釋放信標脈沖信號和給發送機電脈沖信號(圖5)。

圖5 時序控制信號圖

其中COM、控制1、控制2、控制3分別表示：自救命令信號、釋放壓載1和壓載2脈沖控制信號、給水聲應答器上電脈沖控制信號、釋放信標脈沖控制信號。自救命令下降沿觸發釋放壓載1和壓載2的脈沖控制信號及水聲應答器的上電脈沖控制信號，由于信標是在機器人上浮到接近水面時才允許釋放，所以其釋放控制信號是由水聲應答器上電脈沖控制信號的下降沿來觸發的。釋放控制脈沖脈寬為1 s(壓載釋放和信標釋放)，水聲應答器上電脈沖脈寬為10 s(初設值，實際具體值需根據水下機器人工作水深來確定)。

控制單元電路是自救系統的核心，用來響應水聲命令并控制執行器完成相應動作。因此它是自救系統順利完成自救任務的關鍵，必須保證其具有高可靠性，對此本文采用兩種相對獨立的控制方案：

▲ 采用以微控制器為核心的程序控制模塊;

▲ 采用以單穩態觸發器為核心的非程序時序發生模塊。

其中，以微控制器為核心的程序控制模塊采用低功耗單片機MSP43F149為控制器，配套相應的外圍電路實現控制任務。以單穩態觸發器為核心的非程序時序發生模塊采用CMOS芯片CD4538和雙555定時器NE7556為核心，構成4個單穩態觸發器，分別完成在不同時間段控制釋放壓載1、壓載2、信標和給水聲應答器發送機上電。

5) 時間監測電路

用來保證自救系統具有一定的自主自救能力。一般水下機器人在水下作業的時間是有限的，一旦自救系統出現故障不響應任何水聲命令而執行自救任務時，水面工作人員可以等待設定的定時時間到，此時，時鐘芯片將觸發單片機控制模塊和模擬控制模塊實施自救任務。本文選用PHILIPS公司生產的低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片PCF8563，其提供1個可編程時鐘輸出，1個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過I2C 總線接口串行傳遞。

3.2 控制系統的軟件體系結構

為了保證系統的可靠性和實時性，本課題軟件設計采用實時操作系統結構，選用源代碼公開的嵌入式實時操作系統uC/OS-II。uC/OS-II是完全占先式的實時內核，支持多任務操作，并且每個任務都有自己單獨的?？臻g。

uC/OS-II還提供很多系統服務，例如信號量、消息郵箱、事件標志組、內存管理等，并且和支持多達255層的中斷嵌套。利用這些系統服務可以完成各種復雜邏輯的要求，從而縮短開發周期，降低開發成本。同時，uC/OS-II具有良好的可擴展性和可移植性，使其能夠廣泛地應用在各種架構的微處理器上[5]。

在uC/OS-II操作系統的基礎上，將自救系統所需要完成的功能劃分為幾個任務，根據自救任務的需要以及出于高可靠性的考慮，自救系統必須包含以下功能：

1) 當水聲應答器接收指令后，自救控制器必須解析指令并完成相應的動作。

2) 自救控制器可以通過水聲應答器和水面通信，報告系統狀態及完成指令動作情況。

3) 自救系統具有通過串口通信接口，以方便在岸上系統調試，也是水下機器人主體與自救系統的通信接口。

4) 當由于某種不可預見的原因造成所有通信裝置都失效時，機器人石沉大海，這時自救系統可以根據超出預定時間，自動執行自救任務。

5) 由于海上試驗的需要，釋放任務不是一次就完成的。啟動電螺線管釋放壓載或浮球，可以分別單獨進行。

6) 自救系統不工作時，處于低功耗待機狀態。

出于以上的考慮，將系統劃分成4項普通任務和3項中斷任務共計8項任務，此外還針對uC/OS-II的空任務進行了低功耗設計。具體任務包括：命令解析任務；釋放壓載1或2；釋放壓載1和2；釋放信標；水聲命令接收中斷任務；外部定時器中斷任務；串口通信中斷任務。

系統軟件結構見圖6。

4 結 語

本文主要從系統的可靠性、低功耗、小型化等相關關鍵技術出發，探討了水下機器人自救系統實現的原理、方案設計及方案具體實現等。本文在進行實驗室調試過程中，各模塊功能均能正常工作，并且通過長時間大量試驗驗證，系統符合設計要求且滿足實際應用需要。

圖6 自救系統軟件結構

[1] 蔣新松,封錫盛，王棣棠．水下機器人[M]．遼寧：遼寧科學技術出版社，2006.

[2] 李 曄，常文田，孫玉山，等．自治水下機器人的研發現狀與展望[J]．機器人技術與應用，2007(1)：25-31．

[3] 向先波,徐國華,蔡濤，等．水下機器人智能自救系統[J]．華中科技大學學報(自然科學版)，2006，34(7)：111-114．

[4] 徐玉如，蘇玉民，龐永杰.海洋空間智能無人運載器技術發展展望[J].中國艦船研究，2006，1(3)：1-4.

[5] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統uC/OS-II[M]．第二版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.