小型水下機器人的設計與制作

朱科名 張藝瀝 許偉燦 高 潔 張亞紅

（南通理工學院 電氣與能源工程學院，南通 226001）

隨著人口數量的不斷增長，資源與環(huán)境之間的矛盾逐漸顯露，促使人們逐漸把目光轉向海洋。深海開發(fā)離不開探索工具，因此海洋探索工具發(fā)展前景廣闊。全球70.8%的面積為海洋，同時陸地上還有1.5%的湖泊面積[1]。因為呼吸方式制約，所以人類不能在水下持續(xù)作業(yè)，嚴重影響了工作效率。水下機器人具有水下觀察和水下作業(yè)的能力，可代替人在水下進行一些原來人類不能完成的工作。小型水下機器人可以從事的工作包括水產養(yǎng)殖業(yè)觀測、水下科學勘測、水下救援打撈以及水下作業(yè)等[2-3]。面對這些行業(yè)需求，本文制作了一款適用于淺水域的小型水下機器人。

1 水下機器人整體設計

本設計基于有纜水下機器人，研制了一款小型水下機器人，可用于基礎的水下觀測和水下打撈任務。采用模塊化設計，水下部分由外框架、設備倉、電池倉以及4個推進器4部分構成，外部尺寸為300 mm×350 mm×180 mm，在空氣中的質量約為4 kg，設計最大深潛為10 m，具體結構如圖1所示。

該機器人由左右兩塊側板和一塊底板作為主要框架，可以有效保護水下機器人的內部設備。框架內部有兩塊T型支架固定推進器和上下兩個艙室。水平推進器安裝在T型支架的下部，左右各一個。垂直推進器安裝在T型支架的上部分的圓孔中，同樣左右各一個。垂直推進器和水平推進器安裝在同一軸線上。T型支架中間夾著設備倉和電池倉，其中上部分帶圓頭的為設備倉。所有的電子設備都被安裝在設備倉中。下面部分是電池倉，內部裝有一塊4串1并的鋰電池。

圖1 三維設計整體效果圖

2 水下機器人控制系統選型和設計

為了提高水下機器人的穩(wěn)定性，必須了解當前機器人在水中的姿態(tài)和深度信息，通過當前水下機器人的姿態(tài)和深度信息調整推進器電機的速度。本設計利用姿態(tài)傳感器采集水下機器人自身的姿態(tài)信息，利用壓力傳感器采集水壓信息，并將壓力數據轉換成深度信息，以得到當前機器人的深度信息。利用PID控制器分析處理傳感器數據，并動態(tài)調整水下機器人的運動狀態(tài)，以實現水下機器人的運動控制[4]。水下機器人控制系統結構如圖2所示。

從整體的控制系統結構圖（圖2）可知，電源通過穩(wěn)壓電路為各個模塊供電，系統由PIXHAWK控制。當陸上操作人員通過遙控器發(fā)出操作指令后，信號將發(fā)送給接收機。接收機收到信號并將信號傳輸給PIXHAWK，PIXHAWK通過轉換為PWM波命令使推進器動作。壓力傳感器和姿態(tài)傳感器將收集到的姿態(tài)、壓力信息反饋給PIXHAWK，PIXHAWK做出指令調整推進器，從而使水下機器人穩(wěn)定。PIXHAWK將獲取的壓力和深度信息等信息通過攝像頭和圖傳發(fā)射反饋給陸上操作人員。

圖2 水下機器人控制系統結構圖

3 水下機器人系統組裝與調試

水下機器人組裝完成后需要先在陸上進行電路測試，測試電路是否能夠正常工作。首先，目檢接線是否接好，正負接口是否反接，插線是否接線錯誤。其次，進行通電測試。設備主電源通電后推進器工作正常，轉向和設計一致，傳感器工作正常，主控芯片工作正常。一切正常后，可以進行水下測試。先測試設備的防水性能，給水下機器人裝好電源，但此時并不需要接通電源。將電池放入水下機器人，是為了模擬水下機器人實際的質量。機器人完全浸在水中，看電池倉是否有水泡冒出。如有水泡冒出，可以判斷電池倉進水，需加強密封。待無進水現象時，方可進行下一步實驗。最后，水下機器人水下航行測試。經過測試，水下機器人可以在水中完成基礎動作，如下潛、上浮、前進以及后退等，為后期水下機器人作業(yè)奠定基礎。圖3為水下機器人下水畫面。圖4為水下機器人水下拍攝的畫面。

圖3 水下機器人準備下潛

圖4 水下機器人拍攝回傳視頻截圖

4 結語

本設計完成了水下機器人的結構、動力裝置及基本控制系統的設計，并進行了水下航行試驗。設計的小型水下機器人操作簡單、控制靈活以及動力強勁，基本達到了預期目標。但是，本設計的通信方式為水上水下有纜傳輸方式，因此水下機器人運動范圍和下潛深度受到了電纜線長的制約。采用低頻無線信號作為傳輸方法能解決信號干擾問題，提高水下機器人活動范圍，擴展水下機器人的功能，使水下機器人能夠參與更多的工作。