1 引 言

AUV作為人類在海洋活動，特別是深海活動中的重要替代者和執(zhí)行者，已被廣泛應用于科學考察、深海作業(yè)、打撈救生等領(lǐng)域，其應用前景極其廣泛。但AUV的深海作業(yè)環(huán)境是非常惡劣的，時常面臨著各種各樣的危險。研制一臺AUV需要大量的人力物力資源，而且每次實驗或作業(yè)所獲得的資料或數(shù)據(jù)具有極大價值，對于載人機器人還有生命保護任務。如果因故障造成AUV失事沉入海底，將會造成極大損失，對海洋開發(fā)或研究是一個沉重的打擊，因此，AUV的自救系統(tǒng)也成為AUV的關(guān)鍵設(shè)備之一[1，2]。

本文針對復雜海洋環(huán)境為某一探測AUV研制出1套高可靠性自救系統(tǒng)。

2 自救系統(tǒng)工作原理及方案設(shè)計

2.1 自救系統(tǒng)工作原理

水下機器人的自救，其實是AUV機器人通過某種手段使自身在面臨危險狀況時能夠快速上浮至水面而獲救。根據(jù)水下機器人的水下作業(yè)環(huán)境，分析其可能出現(xiàn)的各種故障和風險。

自救系統(tǒng)裝置作為一個相對獨立的子系統(tǒng)安裝在機器人主體上，在機器人下水前配置好自救用的壓載物和救生信標。當機器人在水下出現(xiàn)故障不能正常上浮時，水面工作人員通過水聲裝置發(fā)送自救命令，一旦自救系統(tǒng)接收到水聲自救命令，自救控制器就驅(qū)動自救執(zhí)行機構(gòu)拋出壓載物，為機器人提供足夠的浮力而使其能上浮。當機器人上浮到一定深度后，自救系統(tǒng)釋放出信標及強力纜繩浮到水面，借助信標內(nèi)的GPS和無線電電臺向母船發(fā)出位置信號，待母船發(fā)現(xiàn)后，抓住信標上所附的強力纜繩，用吊車或絞車將浮出水面的水下機器人回收，從而實現(xiàn)機器人的自救[3]。

2.2 自救系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)應用實際要求，自救系統(tǒng)需要獨立機器人主體而自成系統(tǒng)，本文自救系統(tǒng)主要包括電源部分、通信及通信單元、控制單元、驅(qū)動單元、釋放機構(gòu)及信標。其中，通信及通信單元主要用來與水面母船和水下機器人主體進行信號傳輸；控制單元完成命令判斷、數(shù)據(jù)處理等功能；驅(qū)動單元接受控制信號產(chǎn)生足夠的驅(qū)動功率來使釋放機構(gòu)完成相應動作；釋放機構(gòu)單元是特定的機械機構(gòu)，能夠順利完成釋放動作；信標單元包括無線電電臺、GPS模塊、頻閃燈等，用來浮出水面后給機器人定位和幫助母船搜索目標。其方案具體框圖見圖1。

圖1 水下機器人自救系統(tǒng)框圖

2.3 水下機器人自救系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

自救系統(tǒng)是水下機器人水下作業(yè)安全的重要保證，本文分析其具體實際應用及方案設(shè)計，總結(jié)出其涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) 復雜海洋環(huán)境下可靠自救技術(shù)

海洋環(huán)境與陸地不同，其自然條件十分苛刻，除海面上變化莫測的驚濤駭浪之外，隨著海中深度的增加而產(chǎn)生的壓力和溫度的變化也十分劇烈，并且機器人在海底作業(yè)過程中，還可能遇到不可知狀況，比如不規(guī)則暗流、淤泥、海底地震活動等。這就要求自救系統(tǒng)必須具有高可靠性，在惡劣的環(huán)境中也能順利完成自救任務[4]。

2) 深?？煽酷尫艍狠d及信標技術(shù)

本文方案是采用拋載的方式來實現(xiàn)機器人的自救，因此拋載的成功是整個自救系統(tǒng)順利完成任務的重要保障，而深海拋載裝置涉及到耐壓和密封等相關(guān)問題，因此在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中要對這些問題分析和解決。

3) 自救系統(tǒng)小型化、低功耗、工程化技術(shù)

由于自救系統(tǒng)是安裝在水下機器人外殼表面，其體積有一定的要求；并且其自帶電源，具有相對獨立性，因此要求自救裝置具有小型化、低功耗等特點。

3 系統(tǒng)方案實施

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

本文系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 自救系統(tǒng)硬件框圖

1) 電源選型

本文所研制的自救系統(tǒng)自帶電源，要求所選用電池能量體積比高、安全可靠、方便使用。

對比各種電池特點，本文選用鋰子電池供電。其具有體積小、容量大、輸出電壓高、比能量高、放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應等優(yōu)點。具體電池型號選用武漢力興電源公司出品的ICP11S型鋰離子電池，其性能指標如下：額定電壓為3.6 V；充電終止電壓為4.2 V；工作溫度為充電0～45℃，放電-20～60℃；容量為11 A·h。

2) 電控驅(qū)動器

用于接收控制信號，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動釋放執(zhí)行機構(gòu)動作，一般為電機、電磁鐵、爆炸螺栓等。本文考慮到系統(tǒng)可靠性及小型化要求，選用美國遠洋電子公司(Pelagic Electronics)的1810 A系列深海電螺線管，其已經(jīng)被用于伍爾霍茲海洋研究院的“阿爾文”號潛器以及其他工程應用中。

1800A系列深海電螺線管是Pelagic Electronics公司生產(chǎn)的一種獨特的開放式設(shè)備，能夠在任何海洋深度下工作。它能夠提供一系列可變的拉(推)力，用于釋放重物或儀器，操作機械連桿，或打開配套的設(shè)備。同時，它能夠通過聲學驅(qū)動，再輔以繼電器或定時器，從而在長期的命令或釋放系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。當在電螺線管的內(nèi)部或外部中配備1個彈簧，它就能夠重復地工作。這是它與其他深海應用的驅(qū)動裝置相比最大的優(yōu)點。具體性能參數(shù)見表1。

表1 電螺線管機電參數(shù)

圖3 電螺線管

3) 釋放機構(gòu)

完成釋放動作的機械裝置，其主要包括壓桿、搖桿和電螺線管等。具體構(gòu)成如圖4。當電螺線管接受釋放驅(qū)動信號動作，其內(nèi)芯柱塞回縮，搖桿由于壓載的重力將滑向電螺線管，壓桿也將被抬起。搖桿與壓載相連端是一缺口狀，當搖桿滑到一定距離時，壓載將脫離搖桿的連接，從而完成壓載的釋放。

圖4 釋放機構(gòu)

4) 控制單元電路

主要用來產(chǎn)生時序控制脈沖，包括：釋放壓載1脈沖信號、釋放壓載2脈沖信號、釋放信標脈沖信號和給發(fā)送機電脈沖信號(圖5)。

圖5 時序控制信號圖

其中COM、控制1、控制2、控制3分別表示：自救命令信號、釋放壓載1和壓載2脈沖控制信號、給水聲應答器上電脈沖控制信號、釋放信標脈沖控制信號。自救命令下降沿觸發(fā)釋放壓載1和壓載2的脈沖控制信號及水聲應答器的上電脈沖控制信號，由于信標是在機器人上浮到接近水面時才允許釋放，所以其釋放控制信號是由水聲應答器上電脈沖控制信號的下降沿來觸發(fā)的。釋放控制脈沖脈寬為1 s(壓載釋放和信標釋放)，水聲應答器上電脈沖脈寬為10 s(初設(shè)值，實際具體值需根據(jù)水下機器人工作水深來確定)。

控制單元電路是自救系統(tǒng)的核心，用來響應水聲命令并控制執(zhí)行器完成相應動作。因此它是自救系統(tǒng)順利完成自救任務的關(guān)鍵，必須保證其具有高可靠性，對此本文采用兩種相對獨立的控制方案：

▲ 采用以微控制器為核心的程序控制模塊;

▲ 采用以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心的非程序時序發(fā)生模塊。

其中，以微控制器為核心的程序控制模塊采用低功耗單片機MSP43F149為控制器，配套相應的外圍電路實現(xiàn)控制任務。以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心的非程序時序發(fā)生模塊采用CMOS芯片CD4538和雙555定時器NE7556為核心，構(gòu)成4個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別完成在不同時間段控制釋放壓載1、壓載2、信標和給水聲應答器發(fā)送機上電。

5) 時間監(jiān)測電路

用來保證自救系統(tǒng)具有一定的自主自救能力。一般水下機器人在水下作業(yè)的時間是有限的，一旦自救系統(tǒng)出現(xiàn)故障不響應任何水聲命令而執(zhí)行自救任務時，水面工作人員可以等待設(shè)定的定時時間到，此時，時鐘芯片將觸發(fā)單片機控制模塊和模擬控制模塊實施自救任務。本文選用PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片PCF8563，其提供1個可編程時鐘輸出，1個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

為了保證系統(tǒng)的可靠性和實時性，本課題軟件設(shè)計采用實時操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用源代碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II。uC/OS-II是完全占先式的實時內(nèi)核，支持多任務操作，并且每個任務都有自己單獨的?？臻g。

uC/OS-II還提供很多系統(tǒng)服務，例如信號量、消息郵箱、事件標志組、內(nèi)存管理等，并且和支持多達255層的中斷嵌套。利用這些系統(tǒng)服務可以完成各種復雜邏輯的要求，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。同時，uC/OS-II具有良好的可擴展性和可移植性，使其能夠廣泛地應用在各種架構(gòu)的微處理器上[5]。

在uC/OS-II操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將自救系統(tǒng)所需要完成的功能劃分為幾個任務，根據(jù)自救任務的需要以及出于高可靠性的考慮，自救系統(tǒng)必須包含以下功能：

1) 當水聲應答器接收指令后，自救控制器必須解析指令并完成相應的動作。

2) 自救控制器可以通過水聲應答器和水面通信，報告系統(tǒng)狀態(tài)及完成指令動作情況。

3) 自救系統(tǒng)具有通過串口通信接口，以方便在岸上系統(tǒng)調(diào)試，也是水下機器人主體與自救系統(tǒng)的通信接口。

4) 當由于某種不可預見的原因造成所有通信裝置都失效時，機器人石沉大海，這時自救系統(tǒng)可以根據(jù)超出預定時間，自動執(zhí)行自救任務。

5) 由于海上試驗的需要，釋放任務不是一次就完成的。啟動電螺線管釋放壓載或浮球，可以分別單獨進行。

6) 自救系統(tǒng)不工作時，處于低功耗待機狀態(tài)。

出于以上的考慮，將系統(tǒng)劃分成4項普通任務和3項中斷任務共計8項任務，此外還針對uC/OS-II的空任務進行了低功耗設(shè)計。具體任務包括：命令解析任務；釋放壓載1或2；釋放壓載1和2；釋放信標；水聲命令接收中斷任務；外部定時器中斷任務；串口通信中斷任務。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖6。

4 結(jié) 語

本文主要從系統(tǒng)的可靠性、低功耗、小型化等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，探討了水下機器人自救系統(tǒng)實現(xiàn)的原理、方案設(shè)計及方案具體實現(xiàn)等。本文在進行實驗室調(diào)試過程中，各模塊功能均能正常工作，并且通過長時間大量試驗驗證，系統(tǒng)符合設(shè)計要求且滿足實際應用需要。

圖6 自救系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

[1] 蔣新松,封錫盛，王棣棠．水下機器人[M]．遼寧：遼寧科學技術(shù)出版社，2006.

[2] 李 曄，常文田，孫玉山，等．自治水下機器人的研發(fā)現(xiàn)狀與展望[J]．機器人技術(shù)與應用，2007(1)：25-31．

[3] 向先波,徐國華,蔡濤，等．水下機器人智能自救系統(tǒng)[J]．華中科技大學學報(自然科學版)，2006，34(7)：111-114．

[4] 徐玉如，蘇玉民，龐永杰.海洋空間智能無人運載器技術(shù)發(fā)展展望[J].中國艦船研究，2006，1(3)：1-4.

[5] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II[M]．第二版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.