水下監(jiān)測與清污機器人的研究與設計

盧 文，何佳兵

（1.云南輕紡職業(yè)學院，云南 昆明 650300；2.中山職業(yè)技術學院，廣東 中山 528458）

公園、學校、小區(qū)里各種大大小小的人工魚池、游泳池、蓄水池和溝渠等均需要進行水質(zhì)的監(jiān)測與清污，以保證其能正常使用[1-2]。現(xiàn)有的清污清淤機器多數(shù)以岸上大功率抽吸為主，也有浮游式的清污機器和具有水力推進器的行走式水下清污機[3-4]。這些機器存在以下不足：（1）技術落后、能耗高、工效低，通常體積龐大，大多是針對河道、水庫的清污使用，多數(shù)以岸上大功率抽吸為主；（2）不具有通用性，只能滿足某些特定的場合使用；（3）功能單一，通常只能將污垢和淤泥排出或過濾，不具備實時監(jiān)測和預警等功能；（4）智能化程度不高，操作不方便，機器工作過程中必須有人操作和看護，勞動強度和人工成本均比較高，根本滿足不了現(xiàn)代人對設備自動化和智能化的需求；（5）結構復雜，生產(chǎn)、組裝和維護非常麻煩，價格昂貴。

針對以上情況，為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本文設計了一種水下監(jiān)測與清污機器人。該機器人能夠有效解決通用性不好、功能單一、智能化程度不高、結構復雜成本高等問題。它能對作業(yè)水域的氧濃度、酸堿度、渾濁度污垢沉積情況進行實時監(jiān)測和觀看，并可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)給使用者或維護者提前預警。它能讓使用者通過手機或互聯(lián)網(wǎng)隨時獲取機器人的狀態(tài)信息、水質(zhì)信息；并可以根據(jù)需要隨時遠距離或近距離控制機器人工作。它可以根據(jù)設定的指令進行快速清污、慢速清污、手動清污、自動清污、定期清污、定點清污、自動避障、自動返回及故障報警等。達到監(jiān)測與清污多功能、智能化程度高、使用方便和維護簡單等目的。

1 整體設計

如圖1所示為機器人的整體結構，機器人本體以底盤支架13為中心，底盤支架下面安裝有兩個防水級別為IP6的步進動力電機12，通過電機固定架11與底盤連接，電機連接兩個動力輪10帶動整個機器人在水下進行運動，通過前端的萬向輪9進行導向，實現(xiàn)機器人在水下作前進和后退的運動；通過調(diào)節(jié)兩邊電機旋轉的速度和方向，實現(xiàn)機器人的左右轉彎及360°旋轉。機器人在水下的運動可以根據(jù)需要通過同時調(diào)節(jié)兩個動力電機的轉速，進行快速運動或慢速運動。

圖1 整體設計

底盤支架上面安放有具絞碎功能的大功率潛吸泵3，和控制盒14。潛吸泵的抽吸開啟由主控板21控制，它自帶水壓傳感器，必須沉浸到水下才可以進行抽吸工作，工作過程中可以將水下的污垢和垃圾等進行絞碎并通過排水管17排走。如果清污頻率比較高，水質(zhì)相對比較干凈，可以把排水管換成一個過濾裝置，直接把污濁物收集在過濾裝置里。

潛吸泵前端安裝一個內(nèi)置探照燈的防水攝像頭7。由固定抱箍5、防水直流電機6和攝像頭固定支架8連接與定位。固定抱箍5直接安裝在潛吸泵的排水出口處，靠鎖緊力抱緊。防水直流電機通過螺絲固定在固定抱箍上，由主控板控制其旋轉角度。攝像頭固定支架安裝與防水直流電機的軸上，用于固定防水攝像頭。通過主控板的控制信號，可以讓攝像頭做俯仰運動，可以隨時以視覺的方式觀察水中的動植物、污濁情況、清污效果等，也可以為手動清污起到導航作用。俯仰范圍為±90°，可隨機器人本體360°旋轉，攝像頭內(nèi)置用于照明的探照燈。通過上位機控制系統(tǒng)可以隨時對所拍攝對象進行圖像的截取和視頻的錄制。

2 控制盒及控制設計

機器人的控制盒設計如圖2所示。控制盒用不銹鋼密封制作，控制盒側蓋22可以根據(jù)需要打開，用于放置內(nèi)部元件，它通過密封圈或密封膠水與主體連接，通過禁錮螺絲固定，防水級別達到IP6以上。控制盒有一個48 V直流開關電源23用于給動力防水步進電機12做動力；有一個5 V直流開關電源24用于給控制系統(tǒng)供電；它們通過螺絲固定，并且均有一側面緊貼控制盒側壁，起到良好的散熱效果。控制盒內(nèi)部有兩個驅(qū)動器18、19，用于控制兩個防水步進電機的轉速與方向。控制盒側面安裝有一個氧濃度傳感器4和酸堿度傳感器15，用于測試工作水域的氧濃度傳感器和酸堿度。控制盒頂部開有一圓孔與線路管16連接，用于放置電源線與數(shù)據(jù)線；底部開有三個小圓孔，三個電機電線均從此通過。

圖2 控制盒設計圖

控制盒中間放置主控板21，主控板是整個機器人本體的控制中心，它接收各傳感器和信號模塊的信息，并進行處理和判斷，把結果通過wifi傳輸給上位機控制系統(tǒng)[5]；然后等待上位機的指令進行相應的動作。主控板21上面設計有加速度傳感器，用于檢測機器人本體在運動過程中是否遇到障礙物。

控制上蓋設計圖如圖3所示。線路管位于控制盒上方，為可伸縮防水不銹鋼管，一方面用于支撐防水罩組合體，另一方面讓電源線及部分信號線從其中間通過。線路管上方為防水罩組合體2，防水罩25與托盤27形成密封體，內(nèi)部放置有電子指南針模塊26、GPS模塊28和wifi模塊29。其中電子指南針模塊用于給機器人本體在水下做直線運動時作導向作用；GPS模塊用于給機器人定位，以實現(xiàn)機器人本體的定點清污和工作完后自動返回出發(fā)地[6]；wifi模塊用于實現(xiàn)機器人本體與上位機的無線通訊，利用如圖4所示的上位機控制系統(tǒng)，用戶可以很方便地通過手機或者互聯(lián)網(wǎng)獲取機器人工作水域的情況和機器人本體的工作狀態(tài)，可以實時短距離或遠距離遙控機器人，并進行數(shù)據(jù)存儲。

圖3 控制上蓋設計圖

3 上位機控制系統(tǒng)設計

上位機控制系統(tǒng)，用于與機器人本體進行數(shù)據(jù)的傳輸與下達控制指令。該系統(tǒng)安裝于安卓系統(tǒng)的手機上或者PC電腦上，該系統(tǒng)通過wifi或網(wǎng)絡加wifi實現(xiàn)與機器人本體的遠程通信、控制和數(shù)據(jù)存儲。使用前先要在手機或PC電腦上安裝該操作系統(tǒng)，其界面如圖4所示。首先要通過通訊參數(shù)設置窗口30設置互聯(lián)的參數(shù)，主要為IP地址和通信端口，設置好后點擊物聯(lián)按鈕31進行連接，未連接上時按鈕為藍灰色，連接上后為綠灰色。連接上后系統(tǒng)就會自動顯示所獲取的數(shù)據(jù)，在氧濃度顯示窗口33和酸堿度顯示窗口35分別顯示機器人所在水域的氧濃度值和酸堿度值，如果數(shù)值超標，顯示窗口旁邊的指示標志34、36就會閃爍提示；在圖像顯示窗口42可直接顯示攝像頭所拍攝的圖像，通過滑動該窗口，可以對圖像進行局部放大和整體縮小，通過雙擊該窗口可以設置路徑和格式保存當前圖像，通過長按住該窗口切換到錄像模式并設計保存路徑和格式[7]。

圖4 上位機系統(tǒng)控制界面

系統(tǒng)互聯(lián)后，可以使用手機無線遙控機器人，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程遙控機器人。通過機器運動運行/停止按鈕40可以控制讓機器人運動或停止，通過潛水泵開停按鈕41可以控制機器人是否開啟潛吸泵吸污排污，通過運動方向控制按鈕32可以控制機器人運動的方向，通過長按前進或后退按鍵可以調(diào)節(jié)機器人的速度。需要讓機器人進行自動清污時，先在自動工作周期設置窗口38設置工作周期，然后點擊自動運行開始控制按鈕39，機器人就按照設定參數(shù)自動周期性清污，不需人工維護。一旦機器人出現(xiàn)故障，系統(tǒng)的圖像顯示窗口會停止圖像的顯示，而是顯示故障信息，直到故障排除，機器人正常后，該窗口才會重新顯示圖像。

4 控制盒及控制設計

自動清污行走如圖5所示。首先要調(diào)節(jié)好機器人開始前進的角度，然后當通過上位機系統(tǒng)設計好自動清污周期后，按下自動運行開始控制按鈕39，清污機器人便通過GPS模塊28記錄當前位置的地球坐標，開啟潛吸泵，開始自動清污，按照如圖5所示的路線進行自動前進和清污。前進過程中，由電子指南針26實時監(jiān)測機器人的前進方向，并反饋給主控板21調(diào)節(jié)兩個動力輪的轉速，保證機器人沿著直線前進。當碰撞到墻壁后，主控板上的加速度傳感器馬上感知，并立刻停止運動，自動避障，然后根據(jù)電子指南針的數(shù)據(jù)以一定偏角后退，讓機器人適當錯開到另外一行，繼續(xù)沿著直線后退。如此循環(huán)，直到兩次碰壁間隔小于一定值時，主控板自動感知機器人已經(jīng)到了終點，關閉潛吸泵，并通過GPS數(shù)據(jù)自動返回到出發(fā)點43，完成一次自動清污。清污過程中可以隨時通過防水攝像頭觀察水下的情況。通過設定適當?shù)闹芷诒憧梢詫崿F(xiàn)定期清污。

圖5 機器人行走軌跡圖

清污過程中可以通過長按運動方向控制按鈕32的前進或后退方向按鈕進行清污速度的調(diào)節(jié)，長按前進按鈕增加速度，長按后退方向按鈕減少速度，實現(xiàn)快速清污和慢速清污的調(diào)節(jié)。

當需要進行手動清污時，直接按機器運動運行/停止按鈕40和潛吸泵開停按鈕41讓機器人前進并進行清污，然后通過運動方向控制按鈕任意控制機器人的行進和清污路線。

當需要定點清污時，首先按機器運動運行/停止按鈕，讓機器人運動起來，再通過運動方向控制按鈕控制機器人運動到所要到達的目的地，然后通過潛吸泵開停按鈕讓機器人進行定點清污。也可以在機器人運動過程中根據(jù)需要隨時通過潛吸泵開停按鈕啟動或關閉清污功能。

機器人運動過程中如果出現(xiàn)了故障或檢測到了不正常的工作狀態(tài)，比如堵轉卡死、傳感器檢測數(shù)據(jù)異常、水量過淺等，系統(tǒng)會自動識別并把故障類型反饋給上位機控制系統(tǒng)，以警告的形式告知用戶，并視故障類型決定是否停止當前的一切工作任務。

5 結束語

本文設計解決了現(xiàn)有技術中存在的通用性不好、智能化程度不高、結構簡單，成本低的缺陷，可用于公園、學校、小區(qū)里各種大大小小的人工魚池、游泳池、蓄水池和溝渠等。本設計的機器人可對作業(yè)水域的氧濃度、酸堿度與渾濁度污垢沉積情況進行實時監(jiān)測和觀看，并可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)給使用者或維護者提前預警；能讓使用者通過手機或互聯(lián)網(wǎng)隨時獲取機器人的狀態(tài)信息，水質(zhì)信息，并可以根據(jù)需要隨時遠程或近距離控制機器人工作。機器人可以根據(jù)設定的指令進行快速清污、慢速清污、手動清污、自動清污、定期清污、定點清污、自動避障、自動返回、故障報警等。達到監(jiān)測與清污多功能、智能化程度高、使用方便、維護簡單。解決了水下工作困難的問題，具有很好的現(xiàn)實意義。