警用水下機器人本體的設計

□ 金碧霞

中國船舶重工集團 第七一○研究所 湖北宜昌 443003

警用水下機器人本體是由中國船舶重工集團公司第七一O研究所于2010年針對 “廣州市公安局水底搜索掃描機器人系統采購項目”而研發的，主要用于水下刑事證物的探測識別、涉案水下現場搜索調查，并承擔廣州亞運會期間的水下重點區域安保防護任務。根據系統要求，警用水下機器人本體應具有以下功能。

（1） 具有前進/后退、左轉/右轉、上浮/下潛機動能力。

（2）具有水下目標搜索、探測和識別能力。

（3）具有深度檢測、顯示及自動深度保持功能。

（4）具有航向檢測、顯示及自動航向保持功能。

（5）有一定的水下證物定位打撈能力。

1 方案制定及工作原理

沒有一種能完成所有任務的全功能機器人，所以要依據其任務使命和工作環境制定機器人的總體方案[1]。警用機器人水下平臺根據作業要求搭載有聲納、水下電視、機械手，具有對水下目標的聲納探測、光學識別能力和小型物件的打撈能力。裝備有與控制相關的深度計、磁羅經等傳感器和計算機，可實現其在水下的自主定深定向航向。其推進裝置采用4個導管螺旋槳推進器，2個主推進器用于水下機器人前后直航和左右機動，2個用于上浮、下潛和懸停。根據工作要求及推進器布置，機器人可實現在水中的前后、浮潛和左右轉彎運動。采用“水面GPS+水聲跟蹤定位系統”的超短基線定位方式，可將警用水下機器人導向目標處。

警用水下機器人本體主要由機械本體、動力推進器、水下控制單元、水下作業系統、定位系統等組成。

2 技術方案分析

2.1 機械本體結構設計

2.1.1 機器人類型確定

水下機器人按控制方式一般分為自治式水下機器人（AUV)和遙控式水下機器人（ROV)。AUV的優點在于其擺脫了電纜的束縛，活動范圍不受限制，但其水下的續航力及所攜帶儀器的數量和復雜度大大受制于載體上能源容量的大小。ROV的優點在于動力充足，信息和數據的傳遞和交換快捷方便，數據量大。通過人機交互的方式來遙控ROV本體，因而其總體決策能力和水平往往高于AUV。

由于警用水下機器人的作業使命需要長時間地進行探測、觀察和識別工作，且聲納等探測傳感器設備與水面處理機有很大的數據傳輸與處理，故將警用水下機器人設計成ROV的型式。

2.1.2 機器人形體確定

水下機器人在水中航行時，不可避免地會受到水體黏性阻力的影響，不利于水下機器人運行速度的提高和靈活運轉，所以減小阻力是設計中的一個主要關鍵點。為減小阻力,降低功耗，外形結構設計上利用仿生學原理，仿造魚類的梭形魚體，將警用水下機器人外形加工為旋轉體，以減小水下機器人水下運行時的阻力，從而減小動力消耗［1］。警用水下機器人由頭部半球形迎流段、舯部圓柱段、艉部圓錐形去流段組成回轉體流線型結構。頭部及艉部為非水密部分，采用玻璃鋼材質。舯部圓柱段設計為耐壓殼體，為水下機器人提供航行浮力及電子功能設備的密閉安裝空間，采用玻璃鋼材料制作的薄壁殼板加鋁合金環肋的結構形式。為增加機器人在水中運行的平穩性，在機器人艉部布置了3個穩定翼板并呈倒“Y”形。機器人下方設計有底座，可保護機械本體不撞碰損壞。底座上還能安裝各種儀器設備，最大限度地適應各種水下作業。

▲圖1 總體布置設計流程

2.1.3 總體布置制定

水下機器人的總體布置對其使用性能是非常重要的因素，其質量的優劣直接影響到水下機器人的總體性能和使用。進行總體布置時，要采用合理的空間布置與質量分布，使水下機器人的浮心位于質心的正上方，從而保證機器人在水中的平衡和良好的機動能力。按圖1總體布置設計流程來進行總體布置。

經反復計算修正，得到圖2所示警用水下機器人外形示意圖，其中探測識別組件（水下電視、水下攝像機）布置在機器人的頭部。推進裝置布置在水下機器人舯部兩側：輔助推進器以一定角度傾斜布置在水下機器人浮心前方附近，主推進器沿水平方向布置于水下機器人后半部分。

2.2 控制系統方案制定

警用水下機器人的控制系統采用分布式控制系統［2］，由水上和水下兩個節點組成，水下節點采用Intelx86或其兼容CPU體系結構，在其上運行WindowXP操作系統。另外，水下節點還采用PC104總線計算機，其上運行VxWorks嵌入式操作系統以實現系統實時性，遙控操作性。水下節點掛接磁羅經、深度計、漏水檢測等傳感器。圖3為警用水下機器人的底層控制硬件框圖。

▲圖3 警用水下機器人的底層控制硬件框圖

▲圖2 警用水下機器人外形示意圖

當警用水下機器人確定向某一航向定向航行時，如偏離了航向，則磁羅經將偏航信號傳遞給計算機，控制計算機根據偏航數值，向主推進器發出修正航向的命令，控制警用水下機器人自主保持航向航行。深度計實時地將機器人自身的深度信號反饋給控制計算機，控制計算機根據深度差值向輔推進器發出浮潛命令，從而實現機器人的定深航行。

2.3 定位系統方案制定

由水聲跟蹤定位系統、方位傳感器、衛星定位（GPS）接受機等組成的超短基線定位系統，能為警用水下機器人運動控制提供必要的位置信息（包括速度、高度、下潛深度、航向角等）。定位系統組成示意如圖4所示。

2.4 水下作業系統

警用水下機器人要完成探測、識別和打撈作業，就要配備有水下電視、聲納和作業機械手等傳感器。

（1）水下電視包括攝像機和照明燈。

攝像機用于對目標的觀察和識別。選用三洋彩色一體化攝像機模塊，其型號為VCC-MD610PC，性能為：攝像管類型：（1/4）″interline transfer CCD；解析度：540 TVlines；信噪比：大于 50 dB；光學鏡頭：30x光學變焦；制式：PAL。

照明燈選用鹵鎢杯燈，每個35W，電壓12V，視場角 36°。

▲圖4 警用水下機器人的定位系統原理框圖

（2）前視聲納選用加拿大IMAGENEX公司的837型多波束聲納,其性能指標如下：

① 頻率：260 kHz。

② 換能器波束寬度。 接受 ：120°（水平方向）×20°（垂直方向）；發射： 120°（水平方向）×20°（垂直方向）。

③ 有效水平波束寬度：3°，1.5°，0.75°。

④ 分辨率：0.2%。

⑤ 最小檢測范圍：0.5 m。

⑥ 圖像更新率：可達20 fps。

（3）機械手選用美國SeaBotix Inc公司的TJG300型，其主要性能為夾持力：6.5 kgf；最大開口直徑：40 mm。

3 試驗

2010年7月在珠江進行了警用水下機器人交付驗收試驗，試驗過程是將模擬目標用浮標吊掛在水下約5～10m處，并置于開闊水域中。在定位系統的導航下，操縱警用水下機器人本體駛向目標區域，在距目標2～5m處，打開照明燈并利用水下電視對目標進行觀察，并操控機械手對目標進行夾持作業。試驗結果表明警用機器人本體能正常完成作業使命，同時，在自動航向保持、自動深度保持和機動性控制上都取得了令人滿意的結果，完全能滿足進行作業使命的運動控制要求。

［1］ 徐玉如 ,李彭超 .水下機器人發展趨勢 ［J］.自然雜志,2011（3）:125-132.

［2］ 孫玉山，甘永，王麗榮，等.基于VxWorks的水下機器人控制器的設計［J］.南開大學學報（自然科學版），2005，38（增刊）：174-177.

［3］ 蔣新松.水下機器人［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2000.