一種用于安保的水下機器人設計

彭阿靜（中國船舶重工集團公司第710研究所，湖北宜昌443003）

一種用于安保的水下機器人設計

彭阿靜
（中國船舶重工集團公司第710研究所，湖北宜昌443003）

從載體結構、軟件及硬件方面對一種用于安保的水下機器人作了介紹。并提出了該水下機器人的設計難點及相應的解決措施。試驗結果表明該機器人能較好地滿足使用要求，對于同類產品的設計具有一定的借鑒價值和推廣意義。

安保；水下機器人；關鍵技術

0　前言

水下機器人目前已成為水下觀測和水下作業最有效的裝備[1]。水下機器人技術也逐漸成為研究熱點，很多研究所和高校都致力于水下機器人的研究并相繼研制了多型樣機。本文設計的水下機器人主要用于涉案水下現場調查，水下刑事證物的搜索和小型物件的打撈，是一種用于安保的水下機器人。

設計的水下機器人能從各種支持平臺上布放回收，并具有以下主要功能：

（1）能夠實現水中前進/后退、左轉/右轉、上浮/下潛三維機動能力，并具有自動深度保持、自動航向保持功能和較好的可控制性能；

（2）具有比較完善的安全性，包括深度超限報警、漏水報警、防碰撞保護、緊急狀況下自動快速上浮等功能；

（3）能夠實現一定的水下目標探測定位功能和水下小型物體打撈功能；

（4）能夠測量其自身參數及運動狀態，如航向角、深度等，并能在水面控制臺實時顯示其狀態信息、位置信息、電視圖像以及聲納圖像。

1　系統組成及工作原理

1.1系統組成

沒有一種能夠完成所有任務的水下機器人。因此首先必須根據任務使命要求，結合使用水域條件，構建系統的軟硬件體系[2]。安保用水下機器人采用ROV形式，組成從結構上可劃分為水面支持設備和水下載體兩大部分，系統組成框圖如圖1。水面支持設備包括水面操控臺、定位設備（包括方位傳感器、衛星定位（GPS）、水聲跟蹤設備）、絞車、水面供電裝置等。水面與水下通過卷繞在絞車卷盤上的光電復合纜進行信息傳輸。

1.2工作原理

水下載體的空間運動是由水面操控臺上的兩個操作手柄分別控制主推進器和輔推動器完成的。主推進器同速同向轉動時，機器人進行直航運動；同速反向轉動時，機器人可實現原地轉動；差動轉動時，機器人進行轉彎。輔助推進器用于實現機器人的上浮和下潛運動。兩個推進器的聯合作用，可使機器人能夠在一定距離上繞目標轉動。水下載體安裝有聲納、水下電視、攝像裝置和機械手，用于對目標的探測、識別和打撈。此外機器人還配置有與控制相關的磁羅經、深度計、漏水報警器等傳感器。磁羅經、深度計可實現其定深定向航行，漏水報警器實時檢測耐壓殼體的水密。機器人還裝載有超深拋載和應急拋載，一旦機器人航行超過設定安全深度或遇到緊急情況（如進水、超深、姿態失控等），則釋放壓載，機器人由于正浮力增加而自動上浮至水面。

圖1　系統組成框圖

2　水下載體結構

水下載體采用流線型加外圍框架的外形結構。由頭部球冠形迎流殼體、中部圓柱形平行殼體和尾部圓錐形去流殼體組成ROV的主殼體流線型外形。該外形具有阻力小、功耗低的優點。為防止主殼體受到碰撞而損壞，同時方便加掛設備儀器來擴展ROV的作業能力，在主殼體周圍安裝有外圍框架。探測設備和觀察設備按功能模塊分別密封，安裝在頭部。中部為鋁合金材料制造的耐壓殼體，提供電子功能設備的裝載空間。并在殼體內鋪設有導軌，可用作電子功能設備進、出殼體的運行軌道和安裝固定的支撐平臺。尾部是用玻璃鋼材料制造的輕質殼體。用水平外掛的兩個主推進器和傾斜外掛的兩個輔助推進器來實現水下載體的空間運動。推進器采用模塊化設計，由一體化電機直接驅動螺旋槳，并在螺旋槳外安裝有導流罩以提高推進效率。此外用水密插座與水密插頭對接實現推進器與機器人的電氣接口。

3　控制系統

控制系統是水下機器人的核心部分，它由相應的軟件和硬件組成[3]。

3.1控制軟件

控制軟件主要包括多媒體視頻顯示、串行通訊、數據采集與處理、I/O控制、航向控制、深度控制、安全性控制等模塊。用于安保的水下機器人的控制系統采用分布式控制，主要由水面操控臺和水下控制單元組成，水面與水下的信息通過光電復合纜中的光纖實時傳輸。水下載體通過A/ D采集接口采集各傳感器信息，通過開關量I/O接口采集電機各狀態參數，采用D/A接口模塊控制推進電機的轉速。水下載體的所有狀態參數和傳感器數據經水下控制單元處理后發送至水面操控臺顯示。操作員通過兩個手柄實現對水下載體的運動控制和作業過程中的各功能操作控制。

3.2控制硬件

控制硬件采用基于CPCI總線接口標準的板卡構成高性能、可靠的嵌入式系統，主要由系統核心板、CAN通信接口板、串口通信擴展板、電源板及底板構成。使用Intel雙核處理器，支持Win?dows XPWindows2000/Vista操作系統。機箱為全封閉結構，采用無風扇設計，具有防水功能，支持5路CPCI外圍卡擴展。機箱內各功能模塊采用標準的3U CPCI板卡。采用全金屬盒密封技術（CPCI總線插座外露），提高電磁兼容能力；板卡使用整塊冷板作為散熱器，提高散熱能力；模塊之間保留一定的風道，不因采用金屬盒密封而損失了CPCI板卡的散熱優勢；在金屬盒正面（對應到CPCI的前擋板），設置適當的LED指示、測試點等，提高系統的測試性、維修性。

4　設計難點及解決措施

4.1總體結構的小型化

安保用ROV要滿足能從各種支持平臺上便于布放和回收的要求，因而決定了其水下載體要具有體積小、質量輕的特點。為此對水下載體采用了模塊化的設計思路，將主殼體按功能劃分為不同的模塊艙，并對推進器、傳感器、信號處理器等模塊單元在滿足性能和功能指標的要求下進行小型化設計，通過標準的機械接口和電氣接口將各個獨立的模塊單元連接起來，形成初步的總體布局。在初步確定的總體布局基礎上，利用相關軟件仿真分析，進行優化設計，提供合理的總體布置方案，合理布局各功能模塊的裝載空間，同時便于拆裝、調試和維修。

4.2對目標較高的探測、識別能力

安保用ROV是一種集觀察與作業功能為一體的水下機器人，要求對目標有較高的探測、識別能力。但由于水下壞境的特殊性和水作為傳播介質的一些特性以及懸浮物、水流等因素影響，都會給最終的視覺任務帶來很大的影響[4]。本方案采用了對光學圖像和視頻信息具有獲取、處理、特征提取等能力的水下機器人光視覺目標識別技術。并采用一些措施來提高ROV對目標的探測、識別能力：選用傳感器與信號處理分裝的探測識別設備，將信號處理部分放到母船或岸基上的控制臺內，只將傳感器和電路部分放在水下載體上；選用高性能的聲納和水下電視；在攝像機上安裝輔助照明燈，輔助照明燈可根據圖像灰度和自然光照，自動調節光強以獲取更清晰的圖像；為增大觀察視角，探測設備和觀察設備安裝在能在±90°范圍內進行俯仰動作的云臺上。

4.3完善的系統集成和電磁兼容設計

安保用ROV總體結構的小型化決定了在有限的空間內，各個功能模塊在布置上應盡量緊湊。而為了保證信息流傳輸的可靠性和運動控制的穩定性，要求系統有較強的抗電磁干擾能力。因此采用了屏蔽、濾波和接地等一系列措施防電磁干擾。將電纜套上屏蔽層以切斷電磁干擾沿信號線或電源線傳播的路徑；將不同功能模塊安裝在用鋁合金材料制作的屏蔽箱體內，并在箱體縫隙填充導電橡膠條以消除不導電點，防止電磁波泄露；對電源內部布線時，充分考慮其電流的方向，以使電流產生的磁場相互抵消，避免形成電流環；強電和弱電設備以及線纜按強電及弱電、高頻及低頻、敏感及干擾等不同類別的分組安裝、布線；在制造工藝上對主殼體及連接結構件在焊接加工過程中進行退磁處理；對磁性較強的部組件，考慮整體消磁處理。

4.4較好的機動性和操縱性

受水下環境復雜及水聲噪聲的影響，各種水聲定位設備普遍存在精度較差、跳變頻繁的缺點。同時安保用ROV自身體積小、質量輕的特點，使其更易受到水流、浪涌、渦場等的影響。為保證ROV的高效作業，要求水下載體有較好的機動性和操縱性。設計上采用了一系列措施來提高ROV的運動控制。殼體連接處光順平滑，無局部的凸起和凹陷部分，并對突出的吊環、推進器進行整流設計以降低水動力噪聲；電機出軸直接驅動螺旋槳和嚴格控制電機轉子的轉動平衡以減小推進噪聲；對主要振動源進行隔振減振處理，并適當采用阻尼材料制作連接件隔離振動源來降低振動噪聲；采用濾波技術消除水聲傳感器的跳變及無效數據；提供水下載體低阻力的流線型外形、合理的流體動力布局以及衡重參數，使其具有良好的航行性能；在去流殼體外粘接呈“十”字形的四個翼板來提高ROV航行的穩定性；加裝配重壓載或浮力材料使能進行俯仰動作的部分在水下處于靜平衡，以避免俯仰動作對ROV運動平穩性的干擾；增加推進器的功率以提高ROV頂流作業的能力。

5　總結

安保用水下機器人于2010年在珠江水域進行了交付試驗，試驗結果表明該機器人能滿足使用要求，具有良好的操縱性和平臺穩定性。并且性能可靠。本機器人對于同類產品的設計具有一定的借鑒價值和推廣意義。

［1］蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機器人［M］.沈陽：遼寧科學技術出版社，2000.

［2］彭學倫.水下機器人的研究現狀與發展趨勢［J］.機器人技術與應用，2004（4）：43-47.

［3］David Smallwood，Ralf Bachmayer.A New Remotely Op?erated Underwater Vehicle for Dynamics and Control Re?search［J］.Department of Mechanical Engineering Johns Hopkin University，Sep．1999.

［4］唐旭東，朱煒，龐永杰，等.水下機器人光視覺目標識別系統［J］.機器人，2009（3）：171-178.

(編輯：阮毅)

Design of an Underwater Vehicle for Security

PENG A-jing
（The 710thResearch Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Yichang 443003，China）

The paper presents structure，software and hardware of an underwater vehicle for security.And it gives the corresponding solutions for the design difficulties.Experimental results show that the underwater vehicle canmeet the requirements better.Ithas certain reference valueand promotion significance for the design ofsimilarproducts.

security；underwater vehicle；key technologies

TP242

A

1009－9492(2015)06－0059－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.014

2014－06－23；

2015－04－24

彭阿靜，男，1986年生，湖北仙桃人，碩士，工程師。研究領域：水下機器人結構設計。已發表論文2篇。