□ 金碧霞

中國船舶重工集團 第七一○研究所 湖北宜昌 443003

警用水下機器人本體是由中國船舶重工集團公司第七一O研究所于2010年針對 “廣州市公安局水底搜索掃描機器人系統(tǒng)采購項目”而研發(fā)的，主要用于水下刑事證物的探測識別、涉案水下現(xiàn)場搜索調(diào)查，并承擔廣州亞運會期間的水下重點區(qū)域安保防護任務(wù)。根據(jù)系統(tǒng)要求，警用水下機器人本體應(yīng)具有以下功能。

（1） 具有前進/后退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)、上浮/下潛機動能力。

（2）具有水下目標搜索、探測和識別能力。

（3）具有深度檢測、顯示及自動深度保持功能。

（4）具有航向檢測、顯示及自動航向保持功能。

（5）有一定的水下證物定位打撈能力。

1 方案制定及工作原理

沒有一種能完成所有任務(wù)的全功能機器人，所以要依據(jù)其任務(wù)使命和工作環(huán)境制定機器人的總體方案[1]。警用機器人水下平臺根據(jù)作業(yè)要求搭載有聲納、水下電視、機械手，具有對水下目標的聲納探測、光學識別能力和小型物件的打撈能力。裝備有與控制相關(guān)的深度計、磁羅經(jīng)等傳感器和計算機，可實現(xiàn)其在水下的自主定深定向航向。其推進裝置采用4個導管螺旋槳推進器，2個主推進器用于水下機器人前后直航和左右機動，2個用于上浮、下潛和懸停。根據(jù)工作要求及推進器布置，機器人可實現(xiàn)在水中的前后、浮潛和左右轉(zhuǎn)彎運動。采用“水面GPS+水聲跟蹤定位系統(tǒng)”的超短基線定位方式，可將警用水下機器人導向目標處。

警用水下機器人本體主要由機械本體、動力推進器、水下控制單元、水下作業(yè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成。

2 技術(shù)方案分析

2.1 機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 機器人類型確定

水下機器人按控制方式一般分為自治式水下機器人（AUV)和遙控式水下機器人（ROV)。AUV的優(yōu)點在于其擺脫了電纜的束縛，活動范圍不受限制，但其水下的續(xù)航力及所攜帶儀器的數(shù)量和復雜度大大受制于載體上能源容量的大小。ROV的優(yōu)點在于動力充足，信息和數(shù)據(jù)的傳遞和交換快捷方便，數(shù)據(jù)量大。通過人機交互的方式來遙控ROV本體，因而其總體決策能力和水平往往高于AUV。

由于警用水下機器人的作業(yè)使命需要長時間地進行探測、觀察和識別工作，且聲納等探測傳感器設(shè)備與水面處理機有很大的數(shù)據(jù)傳輸與處理，故將警用水下機器人設(shè)計成ROV的型式。

2.1.2 機器人形體確定

水下機器人在水中航行時，不可避免地會受到水體黏性阻力的影響，不利于水下機器人運行速度的提高和靈活運轉(zhuǎn)，所以減小阻力是設(shè)計中的一個主要關(guān)鍵點。為減小阻力,降低功耗，外形結(jié)構(gòu)設(shè)計上利用仿生學原理，仿造魚類的梭形魚體，將警用水下機器人外形加工為旋轉(zhuǎn)體，以減小水下機器人水下運行時的阻力，從而減小動力消耗［1］。警用水下機器人由頭部半球形迎流段、舯部圓柱段、艉部圓錐形去流段組成回轉(zhuǎn)體流線型結(jié)構(gòu)。頭部及艉部為非水密部分，采用玻璃鋼材質(zhì)。舯部圓柱段設(shè)計為耐壓殼體，為水下機器人提供航行浮力及電子功能設(shè)備的密閉安裝空間，采用玻璃鋼材料制作的薄壁殼板加鋁合金環(huán)肋的結(jié)構(gòu)形式。為增加機器人在水中運行的平穩(wěn)性，在機器人艉部布置了3個穩(wěn)定翼板并呈倒“Y”形。機器人下方設(shè)計有底座，可保護機械本體不撞碰損壞。底座上還能安裝各種儀器設(shè)備，最大限度地適應(yīng)各種水下作業(yè)。

▲圖1 總體布置設(shè)計流程

2.1.3 總體布置制定

水下機器人的總體布置對其使用性能是非常重要的因素，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到水下機器人的總體性能和使用。進行總體布置時，要采用合理的空間布置與質(zhì)量分布，使水下機器人的浮心位于質(zhì)心的正上方，從而保證機器人在水中的平衡和良好的機動能力。按圖1總體布置設(shè)計流程來進行總體布置。

經(jīng)反復計算修正，得到圖2所示警用水下機器人外形示意圖，其中探測識別組件（水下電視、水下攝像機）布置在機器人的頭部。推進裝置布置在水下機器人舯部兩側(cè)：輔助推進器以一定角度傾斜布置在水下機器人浮心前方附近，主推進器沿水平方向布置于水下機器人后半部分。

2.2 控制系統(tǒng)方案制定

警用水下機器人的控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)［2］，由水上和水下兩個節(jié)點組成，水下節(jié)點采用Intelx86或其兼容CPU體系結(jié)構(gòu)，在其上運行WindowXP操作系統(tǒng)。另外，水下節(jié)點還采用PC104總線計算機，其上運行VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)以實現(xiàn)系統(tǒng)實時性，遙控操作性。水下節(jié)點掛接磁羅經(jīng)、深度計、漏水檢測等傳感器。圖3為警用水下機器人的底層控制硬件框圖。

▲圖3 警用水下機器人的底層控制硬件框圖

▲圖2 警用水下機器人外形示意圖

當警用水下機器人確定向某一航向定向航行時，如偏離了航向，則磁羅經(jīng)將偏航信號傳遞給計算機，控制計算機根據(jù)偏航數(shù)值，向主推進器發(fā)出修正航向的命令，控制警用水下機器人自主保持航向航行。深度計實時地將機器人自身的深度信號反饋給控制計算機，控制計算機根據(jù)深度差值向輔推進器發(fā)出浮潛命令，從而實現(xiàn)機器人的定深航行。

2.3 定位系統(tǒng)方案制定

由水聲跟蹤定位系統(tǒng)、方位傳感器、衛(wèi)星定位（GPS）接受機等組成的超短基線定位系統(tǒng)，能為警用水下機器人運動控制提供必要的位置信息（包括速度、高度、下潛深度、航向角等）。定位系統(tǒng)組成示意如圖4所示。

2.4 水下作業(yè)系統(tǒng)

警用水下機器人要完成探測、識別和打撈作業(yè)，就要配備有水下電視、聲納和作業(yè)機械手等傳感器。

（1）水下電視包括攝像機和照明燈。

攝像機用于對目標的觀察和識別。選用三洋彩色一體化攝像機模塊，其型號為VCC-MD610PC，性能為：攝像管類型：（1/4）″interline transfer CCD；解析度：540 TVlines；信噪比：大于 50 dB；光學鏡頭：30x光學變焦；制式：PAL。

照明燈選用鹵鎢杯燈，每個35W，電壓12V，視場角 36°。

▲圖4 警用水下機器人的定位系統(tǒng)原理框圖

（2）前視聲納選用加拿大IMAGENEX公司的837型多波束聲納,其性能指標如下：

① 頻率：260 kHz。

② 換能器波束寬度。 接受 ：120°（水平方向）×20°（垂直方向）；發(fā)射： 120°（水平方向）×20°（垂直方向）。

③ 有效水平波束寬度：3°，1.5°，0.75°。

④ 分辨率：0.2%。

⑤ 最小檢測范圍：0.5 m。

⑥ 圖像更新率：可達20 fps。

（3）機械手選用美國SeaBotix Inc公司的TJG300型，其主要性能為夾持力：6.5 kgf；最大開口直徑：40 mm。

3 試驗

2010年7月在珠江進行了警用水下機器人交付驗收試驗，試驗過程是將模擬目標用浮標吊掛在水下約5～10m處，并置于開闊水域中。在定位系統(tǒng)的導航下，操縱警用水下機器人本體駛向目標區(qū)域，在距目標2～5m處，打開照明燈并利用水下電視對目標進行觀察，并操控機械手對目標進行夾持作業(yè)。試驗結(jié)果表明警用機器人本體能正常完成作業(yè)使命，同時，在自動航向保持、自動深度保持和機動性控制上都取得了令人滿意的結(jié)果，完全能滿足進行作業(yè)使命的運動控制要求。

［1］ 徐玉如 ,李彭超 .水下機器人發(fā)展趨勢 ［J］.自然雜志,2011（3）:125-132.

［2］ 孫玉山，甘永，王麗榮，等.基于VxWorks的水下機器人控制器的設(shè)計［J］.南開大學學報（自然科學版），2005，38（增刊）：174-177.

［3］ 蔣新松.水下機器人［M］.沈陽：遼寧科學技術(shù)出版社，2000.