水下機器人移動路徑智能規劃系統

王 歡

（南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京 210043）

引言

智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業數字化、網絡化、智能化的主攻方向。智能制造在我國獲得了快速發展的新契機，已成為我國現代先進制造業新的發展方向。新常態下，有過制造業輝煌的江南智能制造業，當前應對以數字化制造和網絡化組織為主要特征的新工業革命，是江南智能制造業的重大歷史課題。機器人的研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。江南智能制造業全面把握制造行業發展現狀，迎接智能制造時代浪潮，進一步促進傳統制造業轉型升級，對實現經濟又好又快發展具有重要意義[1]。

政府引導，企業、高校和科研院所聯合，建設一批機器人產業控制技術、驅動技術、傳動技術和傳感通訊技術等共性技術研發平臺，推進機器人產業升級協同發展。強化機器人共性技術標準研制提高國際標準轉化率。

傳統水下機器人移動路徑規劃系統，采用固定輸入模式，利用載入離線地圖的方式，進行路徑的規劃[2]。當行至復雜水域，或為能夠提前獲得準確的離線地圖，水下機器人移動存在較大的安全隱患，具體表現為無法到達目的地，行駛較遠距離到達目的地，移動過程中與其他障礙物產生刮碰等現象，存在移動路徑規劃不準確的不足，為此提出水下機器人移動路徑智能規劃系統。基于水下機器人路徑智能規劃系統整體結構設計，依托超聲波技術，設計路徑識別空間三維傳感器，完成了其硬件設計，依托水下障礙物的三維識別過程設計，和路徑智能規劃算法設計，完成了其軟件設計，實現水下機器人移動路徑智能規劃系統設計。為了保證設計的水下機器人移動路徑智能規劃系統的準確性，模擬障礙物基本形態，進行仿真試驗驗證，試驗結果表明，提出的水下機器人移動路徑智能規劃系統具有較高的準確性。

1 水下機器人移動路徑智能規劃系統硬件設計

1.1 水下機器人路徑智能規劃系統整體結構設計

水下機器人路徑智能規劃系統是嵌入水下機器人內部的一種執行系統，為機器人判斷路徑，選擇正確的路徑，到達目的地。從水下機器人路徑智能規劃系統整體上看，硬件結構可分為4個部分，即控制中心、時基分析器、示波器、檢波器、路徑識別空間三維傳感器，如圖1所示。

控制中心存放控制算法、識別算法等，通過數據的調取與分析，判斷傳感器前是否存在障礙物，并發出水下機器人的是否移動命令[3]。控制中心是水下機器人路徑智能規劃系統的中央管理機構。

路徑識別空間三維傳感器，是通過壓電晶片發出超聲波，利用超聲波干涉和衍射的現象，判斷傳感器前端是否存在障礙物。路徑識別空間三維傳感器是水下機器人位移路徑智能規劃系統的門戶機構，在下一節，將系統分析路徑識別空間傳感器的設計。

檢波器是對路徑識別空間三維傳感器，獲得的反射波進行辨別，確定是否為障礙物，將判斷的結果，傳輸至示波器與控制中心，控制中心對水下機器人位移路徑進行控制，也可通過控制人員依據示波器顯示，人為的判斷是否為障礙物，進行人為的控制[4]。

時基分析器，是水下機器人路徑智能規劃系統的時間機構。由于路徑識別空間三維傳感器發射超聲波，和接收設備進行接收超聲波，再到分析超聲波數據，再到命令的傳輸，需要對時間的控制，以及對原有時間所行駛的位移，進行一定的預判，所以時基分析器尤為重要[5]，時基分析器是衡量水下機器人移動路徑智能規劃系統能否正常運行的核心機構。在執行水下機器人位移指令前，工作人員應對時基分析器進行有效的校驗，防止因數據不準確而造成位移規劃不準確的現象。

1.2 路徑識別空間三維傳感器設計

路徑識別空間三維傳感器是水下機器人位移路徑智能規劃系統的重要組成部分。該傳感器是用來顯示傳感器前方是否存在障礙物的執行機構，與常規傳感器不同，路徑識別空間三維傳感器是針對水下機器人路徑識別特殊設計，能夠三維地顯示水下機器人前端是否存在障礙物，并且能夠判斷出前端一定距離是否存在障礙物，與聲吶技術相似，其設計的路徑識別空間三維傳感器結構圖如圖2所示[6]。

圖2中，1代表路徑識別空間三維傳感器的外殼，為保證一定的強度通常選用S32205型雙相鐵素體奧氏體不銹鋼制成。在強堿環境中選擇聚碳酸樹酯制成。2代表晶片調節質量塊，晶片調節質量塊的目的是，通過不斷調整質量塊的重量，改變不同的壓電晶片發射頻率[7]，從而獲得不同能力的超聲波，用于近處識別以及遠處識別。3代表電極夾成，與5引線相連接，控制路徑識別空間三維傳感器的運行，連接壓電晶片與質量塊，提供必要的電能，使之正常工作。

4代表壓電晶片，是產生超聲波的原件，壓電晶片通過高頻振動，產生不同頻率的超聲波，用于發現前端是否存在障礙物，而壓電晶片產生超聲波的頻率，是由2質量塊所決定的。6代表超聲波反射接收裝置，與4不同，4為產生并發出超聲波的裝置，而超聲波反射接收裝置是，根據發射的超聲波打在障礙物體上，障礙物體反射超聲波，通過識別反射的超聲波大小，反射超聲波的面積，而確定障礙物的大小。

5代表引線，引線是連接水下機器人路徑智能規劃系統的傳輸裝置，將路徑識別空間三維傳感器所獲得的數據，發送至控制中心，控制中心根據控制算法、識別算法對水下機器人的位移路徑進行控制，從而完成其水下機器人位移路徑智能規劃系統的硬件設計。

2 水下機器人移動路徑智能規劃系統軟件設計

水下機器人移動路徑智能規劃系統軟件設計，主要包括障礙物三維識別過程設計，移動路徑智能規劃算法設計兩部分。

2.1 水下障礙物的三維識別過程設計

水下障礙物三維識別過程設計是其路徑智能規劃系統軟件的程序設計。通過確定識別水下障礙物的流程，利用計算機計算的優勢，進行不間斷的數據計算，當發現障礙物時選擇科學的避讓方式，使水下機器人順利的到達目的地，其水下障礙物的三維識別過程如圖3所示。

當路徑識別空間三維傳感器發射出超聲波時，超聲波識別裝置進行識別，若超聲波，未能識別到回波，則代表該三維傳感器前無障礙物，一個單獨行進的水下機器人，上下左右至少安裝6個三維傳感器，以保證能夠全面的獲取水下障礙物信息。若超聲波識別裝置能夠識別出回波，那么根據檢波器和示波器確定反射超聲波的頻率和有效波長。

超聲波具有波動性，存在干涉和衍射的現象，水下機器人不同方向的三維傳感器，發射不同的超聲波，不同的超聲波間存在干涉和衍射，根據水的深度確定超聲波的發射頻率，一般介于2.5~5 MHz之間。當識別的超聲波，頻率遠遠低于2.5 MHz，則說明該回波為非障礙物反射回波。如果識別的超聲波，頻率遠大于5 MHz時，需判斷干涉現象產生的干擾頻率后再進行分析。若確定該波為干擾波，則認定三維傳感器前無障礙物，若認定非干擾波則進行，障礙物的計算，根據障礙物的計算規劃出合理的避讓路徑。其障礙物的計算主要依托于水下機器人移動路徑智能規劃算法設計進行計算。

2.2 水下機器人移動路徑智能規劃算法設計

水下機器人移動路徑智能規劃算法主要涉及三個部分，首先是對障礙物與水下機器人的距離確定，確定障礙物與水下機器人的有效距離，三維傳感器壓電晶片直徑x是為控制中心提供避讓路徑所需的重要參數，其中計算公式，可用公式（1）表示[8]：

式中：f代表超聲波接收裝置所接收到的頻率，MHz；ak代表示波器所顯示的波長，nm；x代表設計的三維傳感器壓電晶片的直徑，mm；τk代表三維傳感器發射超聲波與發射超聲波所獲得的角度，°。

根據獲得障礙物與水下機器人的有效距離，判斷障礙物的基本形狀，避免與水下機器人產生刮碰。超聲波接收裝置所接收到的超聲波會隨障礙物的體積增大而增大，并且障礙物是一個封閉的物體，根據反射波形狀可確定一個二維的閉環函數，由于超聲波不具有穿透性，所以水下機器人位移路徑選擇控制中心，可獲得一個平面的障礙物曲線，如公示（2）所示：

式中：ρ代表反射波壓強，MPa；σ0代表反射波弧度，°。同理，根據水下機器人的試探性運動，確定不同障礙物之間的關系，發現某障礙物與另一障礙物之間，存在可以駛過的距離，則水下機器人選擇有效的路徑進行移動。當發現周圍均為障礙物時，可根據記憶系統，快速回退至上一分叉路口，重新選擇，直至水下機器人到達目的地。完成了水下機器人移動路徑智能規劃系統設計。

3 仿真實驗

為了保證設計的水下機器人移動路徑智能規劃系統對有效性，進行仿真試驗，試驗過程中選擇傳統的水下機器人移動路徑規劃系統作為對比對象，驗證水下機器人移動路徑智能規劃系統的準確性。

3.1 數據準備

實驗數據的準備主要包括模擬水下復雜試驗環境，模擬兩種不同的路徑規劃系統指揮水下機器人進行移動。根據模擬不同復雜的實驗環境，分析兩種路徑規劃系統的水下機器人，到達目的地的所用時間，以及是否與障礙物產生刮碰。

模擬的水下復雜實驗環境包括，海藻、移動的魚類、起伏不定的海床、以及其他障礙物。其大小包括0.1 D～10 D（D為水下機器人最大截面長度）。

3.2 實驗過程

實驗共分為三個過程，其一為水下機器人水中潛伏路徑規劃實驗，其二為水下機器人水底位移路徑規劃實驗，其三為水下機器人水面水中水底復雜路徑位移規劃實驗。實驗過程中水下障礙物系數作為自變量，判斷兩種水下機器人路徑規劃系統的規劃準確性。

水下障礙物系數R是水下障礙物的總體積占所模擬的總環境總體積（包含障礙物體積以及水的體積）之比，如公式（3）所示：

式中：V1代表水下障礙物的總體積，m3；V2代表水的總體積，m3。即水下障礙物系數越大，水中障礙物越多，水的體積越少，水下機器人需要避開的障礙物越多。

本次模擬的水下環境（包含障礙物體積以及水的體積）共100 m3，水下障礙物系數最大為0.8（當水下障礙物系數大于0.8時，不能保證模擬的水下環境，存在一條有效的到達目的地路徑），障礙物中海藻、移動的魚類、起伏不定的海床、以及其他障礙物的體積比為1∶1，障礙物為均勻分布。

實驗過程中，首先將兩種水下機器人位移路徑規劃系統載入仿真軟件，按照設定的障礙物系數進行水中潛伏路徑規劃、水底位移路徑規劃、水面水中水底復雜路徑位移規劃仿真實驗。將在同一障礙物系數下，同種路徑規劃實驗下，記錄到達目的地所用時間，得出兩種水下機器人位移路徑規劃系統，的規劃準確性。

3.3 實驗結構分析

根據實驗過程的設定，進行仿真實驗，得出兩種水下機器人移動路徑規劃系統的所用時間數據表，如表1所示。

表1 實驗數據表

從上表中可以看出，提出的水下機器人，移動路徑智能規劃系統，受障礙物影響較小，在障礙物較多時也能夠絞快速的實現到達目的地。而傳統水下機器人位移路徑規劃系統，在障礙物達到一定數量時，到達目的地所用時間會急劇增加，同時會伴隨著水下機器人與障礙物發生刮碰的現象，當障礙物系數為0.8時，傳統的水下機器人移動路徑規劃系統以無法指揮水下機器人到達目的地。

根據得到的到達目的地所用時間，進行路徑規劃準確性計算。水下機器人路徑規劃準確性B計算公式，如公式（4）所示：

式中：W代表障礙物系數；Q代表到達目的地所用時間，s，若無法到達目的地，則Q為正無窮；n代表試驗次數；c代表初始狀態值。

將實驗參數代入路徑規劃準確性計算公式中，得出傳統水下機器人移動路徑規劃系統的規劃準確率為37.42%，提出的水下機器人移動路徑智能規劃系統規劃準確率為87.43%，從而得出提出的水下機器人移動路徑智能規劃系統，較傳統方法規劃準確率提高50.01%。因此，該系統適合復雜水域的水下機器人移動路徑智能規劃。

4 結語

基于水下機器人移動路徑智能規劃系統的硬件設計，與軟件設計，實現了提出的水下機器人移動路徑智能規劃系統設計，試驗數據表明，設計的智能規劃系統具有較高的規劃準確性，希望本文的研究，能夠為水下機器人移動路徑智能規劃系統設計提供理論參考。