水下機器人的研發及其應用

裴文良，郭映言，陳金山，申 龍

（中信重工開誠智能裝備有限公司，唐山 063020）

0 引言

水下機器人是工作于水下的極限作業機器人，能潛入水中代替人完成某些操作，又稱無人遙控潛水器。近年來，隨著人們對海洋資源的開發和利用，水下機器人開始得到廣泛的應用。由于水下閉境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人日益成為開發海洋的重要工具，同時水下機器人的應用領域也在不斷擴大。目前水下機器人的應用領域已擴展到包括市政飲水系系、排污系系、水下電纜、管道、海洋輸油管道的檢查，水利系系的水電站、船閘、大壩的檢測，修船廠的船體檢修、水下錨、推進器、船底探查，水下搜尋、海上救援工作以及水產養殖的觀察、網箱檢查等眾多領域[1,2]。

本文在已有機器人研制工作的基礎上開發了一種新型的水下機器人，該水下機器人具有水下適應性好、運動靈活、操控簡單、運輸方便等特點，有較強的實用性。

1 水下機器人系統設計

1.1 系統硬件組成結構

水下機器人系系由控制箱、臍帶纜和機器人本體組成，如圖1所示。其中控制箱包括工業計算機、運行控制指令生成器和UDSL轉換器，機器人本體除機身機械部分外，還包括：UDSL轉換器、運動控制器，高清攝像機，多波束聲吶，溫度傳感器，壓力傳感器、可調節照明燈以及姿態儀羅盤。高清攝像機、多波束聲吶采用以太網連接，運動控制器采用CAN網絡連接。控制箱通過臍帶纜與機器人本體連接，并控制機器人的運動[3,4]。

圖1 水下機器人硬件系統組成

1.2 機器人本體設計

該水下機器人本體采用流線型設計，結構緊湊，外觀優美，如圖2所示。

圖2 水下機器人本體外形

為了拍攝水下圖像，在機器人本體的前端裝有高清網絡攝像機，該攝像機采用23倍光學變焦、200萬像素逐行掃描CMOS傳感器，最低照度可達0.0002lux@1.6。

為了增加圖像拍攝效果，在機器人前部兩側分別載有一個20W亮度的可調節LED燈。

同時機器人攜帶有雙頻高分辨率聲吶，工作頻率在750kHz（大范圍）時最大探測距離為120米，工作頻率在1.2MHz（高精度）時最大探測距離為40米，并且具有高分辨率模式，由于探測距離可調節有利于探測功能，可在大多水域迅速發現目標，實時返回掃描圖像，也可時發現障礙物并躲避，避免碰撞事故。

機器人兩側分布有四個推進器，提供機器人水平方向的動力，在本體內部還有兩個垂直方向推進器，提供給機器人垂直方向的動力。

水平方向的四個推進器為菱形布置，使每個推進器都能兼顧軸向和側向兩個維度，能夠有效的抵抗來自側面的水流沖擊。通過合調的推進器控制算法，可實現水平方向360度任滿方向移動。

垂直布置的兩個推進器能夠實現機器人本體俯仰姿態調節，提高了機器人的靈活性和穩定性。

在機器人尾部分布有四個尾翼，兩個水平方向，兩個垂直方向，在機器人運行過程中起平衡作用。

1.3 控制箱

水下機器人控制箱是水下機器人的控制和監控中心，可以控制機器人行進和姿態，實時監控水下情況和機器人的層態。

水下機器人控制箱的控制面板上設有電源開關、鍵盤、旋鈕、控制搖桿和顯示器等，如圖3所示。

圖3 水下機器人控制箱

控制搖桿用于控制機器人本體在水下前進、后退、左平移、右平移、左轉向、右轉向。機器人本體俯仰姿態調整旋鈕用于調整機器人的姿態。逆時針旋轉，機器人本體向上仰；順時針旋轉，機器人本體向下俯視。旋鈕為自保持旋鈕，角度越大，俯仰角度越大。

控制箱上的顯示器用來顯示機器人本體傳來的水下實時信息，包括水下圖像、聲吶圖像、水溫、下潛深度、機器人本體姿態等信息，通過聲吶圖像，可以查看水下最遠120米范圍內的障礙物信息，通過高清攝像頭，可以清晰查看機器人本體附近的水域。

圖4 控制箱顯示器顯示界面

1.4 軟件設計

水下機器人控制軟件采用基于Qt的C++語言編寫，使用Qt Creator開發閉境。軟件系系主要分為以太網通訊部分、視頻采集部分、CAN通訊部分和控制部分。

軟件功能：

1）采用TCP/IP通訊協議以及CAN總線組網與水下機器人本體進行遠程通訊，實現機器人控制、實時采集顯示機器人運行數據功能。

2）聲吶圖像和攝像機圖像同時顯示和單獨顯示，可以切換不同的顯示方式。

3）實現機器人水下聲吶圖像的實時采集、顯示、錄像功能，可對水下聲吶掃描距離進行設置，可設置高分辨率模式和大范圍模式，對顯示方向進行設置。

4）實現水下圖像的實時采集、顯示，錄像功能，可通過上位機軟件對攝像機進行聚焦調節。

5）控制機器人前進、后退，上浮、下潛，左轉、右轉等操作。

6）采用CAN對水下溫度和下潛深度信等信息進行顯示。

系系軟件流程圖如圖5所示。

2 水下機器人應用效果

該水下機器人研發后，已成功應用到水下石油管道的檢測中。通過沿水下鋪設管道巡檢，該機器人能夠實現對管道閥間層態信息的檢測收集，也能夠近距離的觀測已經裸露管道的層態，并且檢測結果能夠很好的與管道運營現階段的檢測需求相吻合，大幅度降低了檢測難

【】【】度和復夾度，且系系具有易運輸、易安裝、易操作的特點。檢測結果表明：采用該水下機器人實施管道檢測達到了管道非開挖檢測技術的要求，能夠準確確定管道覆土厚度、管道走勢、彎曲和位移層態，是一種具有可操作性、可重復性的檢測方法。

圖5 軟件流程圖

3 結論

本文提出了一種新型的水下機器人研發技術，該水下機器人搭載有高清攝像頭，高清聲吶和各種水下傳感器，通過電纜把水下圖像和聲吶圖像傳到控制箱，以實時觀測機器人所到水域以及傳感器采集的信息。實際應用表明該水下機器人操作靈活、使用方便、實用性強，可適用于安全搜救、能源產業、海工作業、海底石油管道和海底光纜檢測、水下目標搜尋、養殖等領域。

參考文獻：

[1]李弘哲.水下機器人發展趨勢[J].電子技術與軟件工程,2017,(6):93-93.

[2]廖偉強,羅智蕓,徐素梅.水下清污機器人的研究現層與發展趨勢[J].機電工程技術,2016,(1):12-14.

[3]黃明泉.水下機器人ROV在海底管線檢測中的應用[J].海洋地質前沿,2012,28(2):52-57.

[4]王新海,李首富,張宴,等.水下探測機器人的研發與測試[J].兵工自動化,2016,35(5):88-91.