新型復合式水下機器人設計研究

辛光紅 周密 楊波 丁學用

摘? 要： 新型水下機器人是在遠程遙控水下機器人ROV、自主航行水下機器人AUV、水下滑翔機AUG的基礎上提出的全新融合體，兼顧了ROV，AUV，AUG的優點（簡稱ARG），其由上位機地面站和ARG本體組成。地面站由OpenWrt路由器、MCU、PC、電力載波模塊、高清顯示屏、工控屏和移動終端組成。ARG本體由水動力外殼、凈浮力裝置、重心調節裝置、水平推進動力系統、電源系統、通信系統、傳感器系統、視頻采集系統組成。地面站與ARG之間的信息通信方式有電力載波、WiFi、GSM通信。ARG本體通過重心調節裝置、凈浮力調整裝置和水平推進動力系統，實現全自由度運動、定深懸停及無動力滑翔。結合GPS定位和上位機軟件，ARG具有航跡規劃、航跡顯示、采集信息及航行日志輸出等功能，圖像采集系統可實現4K高清實時采集傳輸。

關鍵詞： 水下機器人; 外形設計; 抗壓設計; 控制系統設計; 圖像實時傳輸; 地面站設計

中圖分類號： TN98?34; TP24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）17?0180?03

Abstract： The new underwater vehicle is an entirely new fusion body designed based on the remotely operated vehicle （ROV）， autonomous underwater vehicle （AUV）， and autonomous underwater glider （AUG）. It combines the advantages of ROV， AUV and AUG， which is named autonomous remotely glider （ARG） for short. The designed vehicle is composed of upper computer ground station and ARG body， in which the former consists of OpenWrt router， MCU， PC， power carrier module， HD display screen， industrial control screen and mobile terminal， while the later consists of hydrodynamic enclosure， net buoyancy device， center of gravity adjustment device， horizontal propulsion power system， power supply system， communication system， sensor system and video acquisition system. The information communication modes between the ground station and ARG include power carrier， WiFi and GSM communication. The ARG body achieves full freedom motion， fixed depth hover and non?powered glide by the center of gravity adjustment device， net buoyancy adjustment device and horizontal propulsion power system. Integrated with GPS positioning and upper computer software， ARG has the functions of track planning， track display， information collection and navigation log output. The image acquisition system can realize 4K HD real?time collection and transmission.

Keywords： underwater robot; shape design; compression resistance design; control system design; image real?time transmission; ground station design

0? 引? 言

隨著現代社會的迅猛發展，人類對于資源、空間的要求越來越高，消耗的自然資源也隨之越來越多，陸地早已不能再滿足人類社會發展的需求。在地球上，陸地不比海洋，海洋的總面積達到了3.62億平方公里，占地球總面積的71%，平均深度[1]約3 820 m。同時，在廣闊的海洋中蘊藏有各種豐富的海洋生物資源、海洋礦產資源以及海洋能源。中國作為海洋大國，擁有32 000 km的海岸線和300 km×104 km以上的管轄海域。因此，開發海洋資源、保護海洋環境、維護海洋權益、海洋科考及預報，對中國的經濟發展與國防安全都具有重大意義[2]。

在海洋開發、環境保護及海洋軍事等領域，水下機器人占據了極為廣闊的應用前景。水下機器人作為最主要的海洋裝備，對其進行深入研究也成為發展海洋開發技術的重要手段。習總書記也先后在全國科技創新大會、兩院院士大會上相繼提出了“要向海洋要資源、向深海要資源”的號召。海南省是國家“一帶一路”戰略的重要支點，海南省在“十三五”規劃中也明確指出了會發展海南的特色經濟，重點在于發展海洋旅游、海洋油氣、海洋運輸、海洋裝備制造等海洋新型產業。海南省海洋資源豐富，島內河流密集，因此，在海洋環境監測、海底生態保護、海洋旅游服務、河流水庫治理等方面，合理利用水下機器人是具有積極意義和廣闊市場應用前景的[3?4]。

1? 新型水下機器人系統設計

新型水下機器人是遠程遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）、自主航行水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、水下滑翔機（Autonomous Underwater Glider，AUG）的全新融合體，其兼顧了ROV，AUV，AUG的優點，故稱為ARG（Autonomous Remotely Glider）。ARG具有機動性強、航程大、多端控制等特點，可實現一機多用，根據不同工作環境采用不同的工作模式。

1.1? 結構外形設計

ARG的結構外形如圖1所示。為了克服水阻力，ARG采用流線型設計，用凈浮力調節裝置代替豎向推進器，可實現懸停、低能耗的工作且無泥沙繞動。在ARG兩側增加機翼，可減輕水平推進器產生的水阻力，抗水浪、水流能力也有提升，從而提高ARG的橫縱穩定性。采用重心調節裝置改變ARG的俯仰角，配合凈浮力調節裝置和水平推進器實現快速上浮下潛運動[5]。

1.2? 抗壓水密性設計

工程結構設計中用于反映結構安全程度的系數稱為安全系數。安全系數的確定需要考慮荷載、材料的力學性能、試驗值和設計值與實際值的差別、計算模式和施工質量等各種不定性，其計算公式為：

本系統采用軟件Solidworks中的Simulation功能對ARG中各個主要受力部件進行應力分析，分析結果如表1所示。

ARG水密性設計主要采用O型圈密封方式，O型圈選型依據GB/T 3452.1—2005，O型圈的壓縮率[W]通常用下式表示：

式中：[d0]是O型圈在自由狀態下的截面直徑（單位為mm）; [h]是O型圈槽底與被密封表面的距離（單位為mm）。

ARG的密封對于ARG的電子器件乃至整個ARG系統來說都很關鍵，ARG的密封問題是所有問題中出現幾率最高的。本文設計的ARG需要密封的地方有耐壓艙體與前透明導流罩的密封、耐壓艙體與后蓋密封、耐壓艙體與水下推進器的密封、耐壓艙體與水密插頭的密封。

1.3? 控制系統設計

ARG整體設計方案結構圖如圖2所示。ARG具有有纜與無纜兩種工作方式：有纜模式下，ARG動力由臍帶纜提供，控制臺利用臍帶纜通過電力載波傳遞數據與視頻;無纜模式下，當ARG浮上水面時，上位機可通過WiFi，GSM兩種通信方式與ARG傳輸數據指令，使ARG完成一系列動作。在ARG內部主要有運動控制系統、通信系統、傳感器系統、圖像采集系統、電源系統。

ARG內部電子控制系統結構如圖3所示。傳感器系統中，由MPU 9250姿態傳感器可實現姿態慣導，GPS與壓力傳感器實現定位定深;運動控制系統中主要由凈浮力調節系統、重心調節系統和推進器組成，通過其間相互配合可完成上升、下潛、懸停、無動力滑翔等一系列動作;通信系統中主要有交流電力載波、WiFi和GSM 3種通信方式;圖像傳輸系統利用高清數字壓縮技術結合電力載波實現4K高清圖像實時傳輸[6]。

1.4? 圖像實時傳輸設計

ARG艏艉部各有1個攝像頭，其中艏部是4K高清攝像頭，在有纜模式下通過電力纜實時傳輸4K高清圖像，讓地面操作者更清晰地觀測海底環境，方便操作者操控ARG在水下工作。艉部是1個720P的高清攝像頭，用于ARG的空間定位，操作者通過觀察艉部攝像頭可以更直觀地感知ARG所處位置、方位。

艏部4K高清攝像頭輸出的HDMI（High Definition Multimedia Interface）信號，通過HDMI轉網絡傳輸器，利用H.264 High Profile高清數字視頻壓縮技術結合電力調制技術實現4K高清圖像實時傳輸[7]。艉部高清攝像頭將視頻流通過OpenWrt路由器輸出TCP/IP視頻流，通過電力載波傳輸至地面站顯示端。其原理結構如圖4所示。

2? 地面站及上位機設計

2.1? 地面站控制臺設計

地面站控制臺如圖5所示，主要由OpenWrt路由器、MCU、PC、電力載波解調模塊、高清顯示屏、工控顯示屏和移動終端組成。控制臺負責對下位機發送指令、顯示下位機所傳輸的圖像以及接收下位機的數據[1]。下位機采集數據后經電力載波調制模塊調制再通過電力線傳輸到地面站的電力載波解調模塊，經解調后通過網絡線傳輸到OpenWrt路由器，路由器通過TCP/IP協議將高清圖像傳輸到網絡延長器接收端，再通過HDMI線連接高清顯示屏并顯示。同時，地面上的PC端、移動終端、控制箱的MCU也通過TCP/IP協議連接OpenWrt路由器并接收來自下位機的數據，再由工控顯示屏顯示相關數據[8]。地面站的指令可通過控制臺和移動終端通過OpenWrt路由器和電力載波模塊傳送到下位機的通信模塊，再由其他模塊執行指令。

2.2? 上位機設計

上位機系統基于Microsoft Visual Studio是在Microsoft.NET平臺上編寫的。該系統具有RS 232通信、TCP/IP通信功能，能滿足ROV和AUV的控制和調試需求。應用內嵌有在線地圖，通過API接口的方式與服務器進行數據交互以實現定位的功能。應用窗體可接收、處理、顯示和保存下位機回傳的傳感器數據，還可以顯示實時視頻、以3D模型展示設備三維姿態，其控制面板如圖6所示。

3? 結? 語

本文對各系統與基礎模塊進行了實驗測試，驗證了各單元的可靠性，對ARG整體進行水池測試，完成一系列給定動作，驗證了設計的可行性。經室內水池實驗測試，本系統完成了全自由度運動控制測試、通信系統測試、傳感器系統測試，基本達到預期設計目標[9]。運動控制算法還需優化，其中能量和時間雙重約束下的最優路徑運動算法是后期改進的重點與難點。

參考文獻

[1] 徐玉如，李彭超.水下機器人發展趨勢[J].自然雜志，2011，33（3）：125?132.

[2] 李嘩，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] 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.

[4] 任福君.水下機器人的發展現狀[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2000，18（4）：317?320.

[5] 辛光紅，范瑞峰，陳小虎，等.一種水下潛器浮力調節裝置：CN201710245529.3[P].2017?08?04.

[6] 王洪達.混合驅動水下機器人控制系統設計[D].天津：天津大學，2010：22?23.

[7] 李建.淺談高清數字電視視頻壓縮編碼技術[J].西部廣播電視，2014（17）：189.

[8] 于海斌.海洋強國需要水下機器人[J].機器人產業，2017（1）：42?45.

[9] 張震，曾慶軍，戴曉強，等.遙控水下機器人用戶操作軟件設計[J].電子設計工程，2019，27（1）：31?36.