基于ARM 的智能水下搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)★

趙 瑩， 王宇杰， 孟 祥， 薛宇彤

（北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 吉林 吉林 132021）

0 引言

在水下救援工作中，水域環(huán)境復(fù)雜，水流湍急，潛水人員體力限制等因素都成為搜救阻礙，且超過(guò)30 m的水下更是有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。新科技的出現(xiàn)給水下救援帶來(lái)了新的希望，水下救援機(jī)器人可以搭載多種傳感器，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并實(shí)時(shí)搜尋[1-3]。救援人員通過(guò)攝像頭成像可以迅速發(fā)現(xiàn)溺水人員的位置，在確定目標(biāo)之后，通過(guò)機(jī)械臂打撈溺水人員，救援效率大大提高。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1 所示，采用32 位高性能ARM Cortex-M3 處理器STM32407IGT6 作為主控芯片。在機(jī)器人本體上設(shè)計(jì)安裝攝像頭、照明燈等，并且配有良好的水下通訊技術(shù)，更好地傳輸水下圖像信息。機(jī)器人設(shè)計(jì)了避碰聲吶系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水下避障和定位功能。設(shè)計(jì)了壓力、溫度、速度、姿態(tài)和方位傳感單元。采用續(xù)航力長(zhǎng)、且安全成本低的電池供應(yīng)系統(tǒng)，使機(jī)器人能較長(zhǎng)時(shí)間在水下作業(yè)，還設(shè)計(jì)了艙門控制單元和彈出式發(fā)信單元，用于故障時(shí)上浮于水面定位搜尋。水下機(jī)器人采用透明亞克力板來(lái)密封和固定攝像頭，再搭配上攝像頭旁邊的照明燈，通過(guò)軟件算法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全方位、實(shí)時(shí)、清晰地拍攝。攝像頭收集到信息后，通過(guò)水聲通信傳輸給電腦上位機(jī)。工作人員可以通過(guò)手柄，控制水下機(jī)器人移動(dòng)，通過(guò)機(jī)械臂的末端執(zhí)行器來(lái)實(shí)施具體的救援操作。

圖1 總體方案

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體控制系統(tǒng)

總體控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示，主要包括水上控制器、姿態(tài)控制系統(tǒng)和圖像控制系統(tǒng)三部分[4-5]。姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，包括水下機(jī)器人懸停控制、水下機(jī)器人前進(jìn)、后退以及上浮下潛等控制。圖像控制系統(tǒng)主要是采集水下圖像，包括拍照、錄像等操作。

圖2 總體控制系統(tǒng)

2.2 機(jī)器人控制方式

機(jī)器人由伺服電機(jī)進(jìn)行控制，如圖3 所示，采用開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的方式來(lái)完成水下機(jī)器人的控制操作，開(kāi)環(huán)控制上位機(jī)可以直接控制水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，閉環(huán)控制則是利用姿態(tài)傳感器來(lái)反饋水下機(jī)器人的姿態(tài)，然后對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行位置控制。

圖3 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

3 水下通訊與能源供應(yīng)

3.1 能源系統(tǒng)

機(jī)器人采用了鋰離子電池作為系統(tǒng)的主要能源供給方式，鋰離子電池利用鋰離子的濃度差進(jìn)行儲(chǔ)能和放電。

3.2 水下通訊

近距離無(wú)線射頻通信采用遠(yuǎn)高于水聲通信（50 kHz 以下）和甚低頻通信（30 kHz 以下）的載波頻率。若利用500 kHz 以上的工作頻率，配合正交幅度調(diào)制（QAM）或多載波調(diào)制技術(shù)，使100 kbit/s 以上的數(shù)據(jù)的高速傳輸成為可能。

水下射頻通信原理圖如圖4 所示，水下射頻通信速率高，可以實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)近距離的高速率無(wú)線雙工通信，從岸上控制中心傳遞遠(yuǎn)程控制信號(hào)給水下機(jī)器人，機(jī)器人接收信號(hào)并進(jìn)行水下作業(yè)，收集各種水下環(huán)境信息上送至岸上控制中心。

圖4 水下射頻通信原理

4 水下機(jī)器人避障和導(dǎo)航（定位）技術(shù)

避碰聲納[6]采取波束自適應(yīng)穩(wěn)定及垂直波束相控技術(shù)，主要完成對(duì)水下環(huán)境的感知，其中，STM32 主控板主要負(fù)責(zé)采集避碰聲納的圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行聲納圖像處理和障礙物目標(biāo)信息特征的提取，并將提取出來(lái)的障礙物信息發(fā)送到控制中心單元，避碰聲納系統(tǒng)示意圖如圖5 所示。

圖5 避碰聲納系統(tǒng)

本文選擇了多普勒聲納計(jì)程儀。根據(jù)多普勒原理，運(yùn)動(dòng)著的船只以頻率f 向海底發(fā)射超聲波信號(hào)，當(dāng)從海底反射回來(lái)的信號(hào)頻率被接收時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率差值Δf，這個(gè)頻率差值Δf 與船運(yùn)動(dòng)的速度存在線性關(guān)系。多普勒聲納計(jì)程儀就是用來(lái)測(cè)量艦船在水中運(yùn)動(dòng)速度和航程的水聲導(dǎo)航設(shè)備，這種計(jì)程儀最突出的特點(diǎn)是具有很高的靈敏度，在200 m 左右水深范圍內(nèi)測(cè)相對(duì)海底速度，能精確到0.01 節(jié)，并且能同時(shí)測(cè)出縱向和橫向速度。

5 救援機(jī)械臂設(shè)計(jì)

采用4 個(gè)自由度的機(jī)械臂，當(dāng)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)到達(dá)某特定位置時(shí)，水下機(jī)器人處于懸停狀態(tài)，由肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)3 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)配合，可以使末端執(zhí)行器到達(dá)空間任意位置，從而完成機(jī)械手準(zhǔn)確地觸碰目標(biāo)物。加之末端執(zhí)行器的夾持，可以完成由機(jī)械手處于收縮狀態(tài)到夾取目標(biāo)物的整個(gè)操作。機(jī)械臂樣圖如圖6 所示，機(jī)械手和機(jī)械臂建模如圖7 和圖8所示，水下搜救機(jī)器人的整體建模如圖9 所示。

圖6 機(jī)械臂樣圖

圖7 機(jī)械手建模

圖9 水下機(jī)器人整體建模

6 軟件設(shè)計(jì)

水下智能搜救裝置工作程序流程如圖10 所示。

圖10 工作程序流程

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款32 位高性能ARM Cortex-M3處理器為核心的水下智能搜救裝置，該裝置以水下搜救為主，機(jī)械臂打撈配合，包括了影像設(shè)備、避碰聲納設(shè)備、多傳感器技術(shù)、電機(jī)伺服系統(tǒng)以及完好的水下射頻通訊技術(shù)，該裝置可以在不同深淺、不同渾濁程度的河流水域開(kāi)展快速有效的搜救工作，有效減少溺水事故的發(fā)生。并且該裝置會(huì)向著體積更小、兼容性更強(qiáng)、智能化程度更高的方向發(fā)展。