一種高清小型水下救撈機器人系統的設計

田 輝，齊海勇

（1.交通運輸部救助打撈局，北京 100736；2.中國交通通信信息中心，北京 100011）

一種高清小型水下救撈機器人系統的設計

田 輝1，齊海勇2

（1.交通運輸部救助打撈局，北京 100736；2.中國交通通信信息中心，北京 100011）

本文對救撈行業水下作業需求進行了深入的分析，給出了基于高清的水下微小型機器人的系統解決方案，詳細介紹了系統組成、工作原理、特點。該系統對水下環境進行預判，為救助救撈提供輔助支撐。

高清；救撈；機器人；潛航器；浮標

Abstract:This paper makes a deep analysis of the operational requirements of this industry under water, gives the system HD underwater micro robot based on the scheme, introduces the system composition, working principle and characteristics. The system to predict the underwater environment, provide auxiliary support for the rescue and salvage.

Keywords:HD; salvage; robot; underwater vehicles; buoy

1 引言

本文設計了基于高清微小型水下機器人系統，通過搭載高清攝像和照明系統，在水下推進系統，導航定位、深度溫度傳感器系統，通信傳輸系統配合下，實現水下高清影像，水下作業進行監控、水下環境預先進行勘測，提前判斷下水安全，對打撈、救援工作提供了非常有效的輔助決策。

2 系統構架及工作流程

2.1 系統架構

高清微小型水下機器人系統潛航器、浮標、顯控終端三部分組成，能夠獨立運作，也能夠和外部系統對接，將視頻、水質、深度等信息傳遞給外部指揮調度系統。如圖1所示。

圖1 系統組成圖

2.2 工作流程

系統的視頻流和控制流如圖2所示。

圖2 系統信息流示意圖

整個系統工作流程：潛航器進行視頻、溫度、位置等信息的采集、編碼、打包、存儲，并通過有線光纖向浮標發送觀測信息；浮標進行信息轉發處理，通過有線、Wi-Fi、藍牙等無線網絡設備，把數據傳向用戶端。用戶端對視頻解碼，并把采集信息顯示。并通過浮標通信終端作為中繼對機器人深度、轉向、云臺等進行控制，達到需要的角度。

3 分系統設計

3.1 潛航器

潛航器由水下推進子系統、高清攝像子系統、傳感子系統組成，外觀如圖3所示。

圖3 潛航器外觀圖

3.1.1 水下推進子系統

推進子系統是機器人的核心部分。推進系統的性能是評判一個水下機器人的重要考慮指標。該系統是四軸布局，采用泵噴推進，具有具有噪音低、無橫滾、安全性高等特點。該系統和機械操舵工程結合，實現上浮、下潛及左右轉向燈。為了使機器人在水域更好保持自身的穩定性，采用了控制矩陣和卡爾曼濾波算法。主要指標如表1所示。

表1 推進子系統主要指標

3.1.2 高清攝像子系統

潛航器內置了4K廣角鏡頭，支持拍攝最高4K視頻/1200萬像素的高清圖片（JPEG/RAW格式），可以實時傳輸來自水下的高清影像，并且配備云臺和存儲裝置。同時了為適應水下弱光/渾濁環境，機身兩側有白光LED補光燈（1200流明/手動可調），真實還原拍攝場景。高清視頻圖像傳輸原理如圖4所示：

圖4 視頻傳輸方框圖

高清攝像頭采集模擬信號，模擬信號通過A/D轉換變成數字信號，通過圖像算法和前后幀關聯性，濾除圖像噪聲，然后先采用H.264技術把視頻壓縮分為相同兩路，一路媒體流存儲，另一路RTP協議進行封裝，并進程傳輸；通過傳輸網路（200Mb/s帶寬的無浮力線纜和Wi-Fi、藍牙無線網絡），傳輸到流媒體服務器，流媒體服務器對每個請求終端進行媒體分發，終端APP進行解包、解碼、D/A轉換并視頻圖像播放。

3.1.3 傳感子系統

系統內置多種傳感器，包括深度傳感器、水溫傳感器、羅盤、陀螺儀、加速度計等傳感器組。確保在水下對周圍環境有精確的檢測。其中深度傳感器用于檢測機器在水下的實時深度，溫度傳感器檢測水的實時溫度，羅盤用于顯示機器的南北朝向。陀螺儀和加速度計用于輔助機器自動穩定。

表2 傳感子系統規格參數

3.2 浮標系統

浮標和繞線器一起，漂浮在機器人所在水域上方的水面，作為一個信號基站連接著App用戶端和水下機器人，目前基站轉發2.4G的Wi-Fi和藍牙無線信號，理想情況下使機器人能實現在離操控者方圓500m深度100m水域內工作。

圖5 浮標系統示意圖

浮標上具備繞線器，天線和燈組等。燈組具有晚上定位、電量、通信信號指示等功能。本系統采用半有纜技術，使操控者不必貼著潛航器移動，方便同時操控多個潛航器大范圍工作。采用全向天線。

3.3 控制終端

控制終端包括遙控和顯控兩大部分。

3.3.1 遙控部分

遙控終端利用手柄，通過上面的通信系統，對水下系統主體姿態及攝像動作進行控制，主要包括：水平方向控制（左右前后）；垂直方向控制（俯頭、仰頭、左翻滾、右翻滾）；拍照/視頻切換；燈光的調節；手動控制和自動控制模式轉換等功能。

3.3.2 顯控終端

在手持終端或者大屏上安裝客戶端軟件，顯示系統工作參數：潛航器狀態（電量，前照燈亮度和溫度信息，并可以按鈕控制亮度）；潛航器相對位置（通過聲吶探測位置作為參考，顯示主體的相對位置，便于及時控制航向，防止碰撞）；下潛深度；攝影功能設置（開始停止攝影、控制拍灰度、每秒幀數等攝影參數；影像功能（720p高清實時圖像、拍照，錄像，下載和預覽分享）；潛航器自身穩定度。

4 系統特點

（1）泵噴推進系統的應用，該部分由泵噴殼體、進口罩、出口罩和一體化槳葉組件等構成，解決了多推進器水下橫滾現象。

（2）超高清攝像及寬廣的活動范圍，采用高清攝像頭，帶寬很大的光纖，同時潛航器采用屬氧化鋁密封艙結構和電機耐腐蝕材料處理，到達防水抗壓、耐腐蝕性，增加了設備的活動范圍。

（3）便攜和操作簡單，設備僅重3kg，可放入雙肩包或手提箱內；操作是“手柄+APP+客戶端軟件”模式，簡單易學。

5 結束語

隨著器件的小型化、計算技術的飛速發展，水下機器人越來越小型化和智能化，在不遠的將來，將集成聲吶3D成像、H.265編解碼等技術，獲取更多水上作業現場信息，提高處置事故的效率，滿足救撈行業安全、高效、有序的發展要求。

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Design of a High Definition Small Rescue Underwater Robot System

Tian Hui1, Qi Haiyong2
(1.Rescue & Salvage Bureau Ministry of Transport, PRC, Beijing, 100736;2.China Transport Telecommunications & Information Center,Beijing,100011)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.09.003

U675.75文獻標示碼：A

1672-7274（2017）09-007-03