朱海濤

摘 要：以習(xí)近平為主導(dǎo)的科技強(qiáng)國(guó)方針遍布全國(guó)。交通運(yùn)輸部北海救助局響應(yīng)黨的號(hào)召，開(kāi)始步入新技術(shù)新裝備的研發(fā)與采購(gòu)，以新型的救助裝備--水面救助機(jī)器人為例，其設(shè)計(jì)理念為增加救助效率，減少救助成本與風(fēng)險(xiǎn)，并彌補(bǔ)傳統(tǒng)救助的缺陷;介紹該設(shè)備的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)原理，主要從外形結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)以及操控系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，再根據(jù)救助方面的實(shí)際情況對(duì)其應(yīng)用展開(kāi)分析，以說(shuō)明該設(shè)備的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：水面救助機(jī)器人;系統(tǒng)設(shè)計(jì);動(dòng)力艙;控制艙;遙控臺(tái);

中圖分類號(hào)：TP242 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）11-0064-03

中國(guó)黃渤海域每年因船舶事故或天氣原因?qū)е麓瑔T落水身亡的人數(shù)居高不下，例如2017年1月11日，在距北海三號(hào)位東北約75海里處，運(yùn)砂船“平安98”輪機(jī)艙失火，因?yàn)榛饎?shì)太大，救助船舶無(wú)法靠近，只能利用消防炮進(jìn)行遠(yuǎn)程滅火降溫，船上14人遇險(xiǎn)身亡。為了能在特殊環(huán)境下對(duì)難船人員進(jìn)行可靠的施救，需研發(fā)一種海面救助設(shè)備以減少救助風(fēng)險(xiǎn)與成本;并且便于操控，還能適應(yīng)大風(fēng)浪天氣的下航行，其動(dòng)力要強(qiáng)勁，機(jī)動(dòng)性能良好，此外要具備一定的防水性能。針對(duì)以上條件，開(kāi)展基于遠(yuǎn)程遙控的水面救助機(jī)器人（見(jiàn)圖1）的研發(fā)設(shè)計(jì)，為傳統(tǒng)救助船舶的救助提供有利技術(shù)支持與裝備保障。

1 水面救助機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1.1水面救助機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)流體力學(xué)的原理，為了減小其水中的阻力，其載體的外形采用魚(yú)雷的設(shè)計(jì)理念[1]，艏艉部采用圓錐形設(shè)計(jì)方案，中間整體結(jié)構(gòu)采用圓柱形外殼。為了兼顧載體在水中的浮力與電池的容量配重，采用雙艙室結(jié)構(gòu)，動(dòng)力艙與控制艙（見(jiàn)圖2），動(dòng)力艙是浸沒(méi)在水里，控制艙是露在水面的，兩艙室通過(guò)箭橋進(jìn)行連接，動(dòng)力艙包括電池艙與推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)包括推進(jìn)器與穩(wěn)定翼，推進(jìn)器采用雙定矩螺旋槳與同步電機(jī)，為載體提供充沛的動(dòng)力以及轉(zhuǎn)向，穩(wěn)定翼可保持機(jī)器人載體在水中航行時(shí)穩(wěn)定不偏移?？刂婆撆c天線組合在一起，并在控制艙艏部安裝一個(gè)頻閃的指示燈，為夜間救助提供便利;在控制艙的中間增加一個(gè)半圓形掛鉤，為方便釋放回收機(jī)器人做準(zhǔn)備。

（2）結(jié)構(gòu)材料與密封設(shè)計(jì)。為減輕機(jī)器人的重量來(lái)提高浮力與機(jī)器人本身的強(qiáng)度，采用航空鋁材料作為機(jī)器人的機(jī)身外殼。在密封方面，殼體采用無(wú)縫焊接技術(shù)，艏艉可拆卸部分采用螺紋罩加橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，在充電口出，采用細(xì)螺紋螺絲帽加橡膠密封圈結(jié)構(gòu)（見(jiàn)下圖3）。整體外殼采用高度防水防腐蝕密封漆，并采用多道噴漆工藝。

1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制艙作為機(jī)器人載體的大腦，設(shè)計(jì)要求內(nèi)部器件重量輕，整體密度較小，為整個(gè)機(jī)器人載體提供浮力。其內(nèi)部搭載電源轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、通訊模塊、定位模塊等，如下圖4。

負(fù)責(zé)與控制臺(tái)的通訊，推進(jìn)器的調(diào)速，接受GPS位置信號(hào)等，是機(jī)器人載體的通信、控制核心。包含由無(wú)線通訊、數(shù)字量輸入/輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等構(gòu)建的控制系統(tǒng);利用主控制模塊的信息處理能力接受控制臺(tái)發(fā)來(lái)的載體推進(jìn)器控制命令，對(duì)載體前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作的控制信息進(jìn)行處理，并將電池狀態(tài)信息、GPS信息、串口通訊狀況等發(fā)給控制臺(tái)從而達(dá)到控制整個(gè)載體的目的，其具體關(guān)系如下圖5。

主控系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)方案，可靈活對(duì)功能進(jìn)行個(gè)性化管理，方便以后增加功能。對(duì)于該系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)模式，主控模塊根據(jù)操控臺(tái)發(fā)出來(lái)的指令信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送兩路PWM信號(hào)給推進(jìn)系統(tǒng)，最后由推進(jìn)系統(tǒng)的變頻放大模塊控制左右兩螺旋槳電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)向功能。

1.3電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

動(dòng)力艙占據(jù)了整個(gè)機(jī)器人載體的大部分重量，其內(nèi)部電池艙的高密度電池系統(tǒng)為載體提供靜態(tài)穩(wěn)性，電池為高密度的磷酸鐵鋰電池組，其設(shè)計(jì)容量約為1.8kwh，且滿負(fù)荷的續(xù)航時(shí)間不低于3小時(shí);與其配套的電池組管理單元要滿足300V的升壓整流電壓。為了滿足裝配需求，須把電池組設(shè)計(jì)成圓柱形（見(jiàn)下圖6），在電池艙外面設(shè)計(jì)一個(gè)水密充電頭，平時(shí)充電時(shí)，擰開(kāi)水密旋鈕蓋（類似礦泉水瓶蓋），可以接入350V5A的充電器。

1.4推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

推進(jìn)系統(tǒng)作為整個(gè)機(jī)器人載體的動(dòng)力核心，其螺旋槳采用四葉片定矩槳結(jié)構(gòu)，動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)速可線性調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)單機(jī)最大功率為500W的同步電機(jī)。要滿足在靜水狀態(tài)下帶纜航行時(shí)，最大設(shè)計(jì)航速不低于4.5節(jié)，系樁設(shè)計(jì)拉力不小于35Kg。為了避免纜繩纏繞到螺旋槳，在螺旋槳前后安裝了網(wǎng)狀格柵。穩(wěn)定翼采用兩片不銹鋼板鑲嵌在動(dòng)力艙的艉部，其外形做成魚(yú)鰭狀，促使載體在水中前進(jìn)時(shí)更加豎直平穩(wěn)。

1.5遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可移動(dòng)式控制臺(tái)（簡(jiǎn)稱遙控器），操作人員可以隨身攜帶，對(duì)機(jī)器人載體進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。遙控器是一個(gè)由無(wú)線通訊、數(shù)字量輸入/輸出模塊與模擬量輸入/輸出模塊等構(gòu)建的控制系統(tǒng);利用操控桿及開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了載體推進(jìn)器的開(kāi)關(guān)，載體前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作的控制與對(duì)電池信息、GPS信息、串口通訊狀況以及電池狀態(tài)的監(jiān)視等，具體控制臺(tái)反饋信息如下表1。遙控器的操作在控制面板上完成，控制面板布局如下圖7。

遙控器的內(nèi)部硬件部分的主要?jiǎng)澐譃椋弘娫茨K（24VDC電池與24VDC-5VDC電源轉(zhuǎn)換模塊）、主控模塊、Xtend無(wú)線通訊模塊、顯示屏、三軸搖桿等。電源模塊為其他模塊提供電源，主控模塊采集操作手柄的控制信號(hào)，通過(guò)控制臺(tái)上的無(wú)線通信模塊在載體發(fā)送指令，載體將采集到的載體電池信息、GPS信息、狀態(tài)信息等通過(guò)載體的無(wú)線通信模塊向控制臺(tái)發(fā)送，由顯示模塊進(jìn)行綜合信息顯示，其模塊關(guān)系如下圖8。

Xtend無(wú)線通訊模塊為美國(guó)DIGI的遠(yuǎn)距離射頻模塊，（見(jiàn)圖9），采用FHSS（調(diào)頻擴(kuò)頻）技術(shù)，具有良好的抗干擾性;設(shè)置該模塊的工作頻段為ISM900M，搭配RPSMA接口型天線的數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)115.2kbps[2]，足以滿足機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸能力;在功耗方面表現(xiàn)出優(yōu)異的成績(jī)：1mW-1W，并且根據(jù)自身要求可以通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)整;Xtend具有超遠(yuǎn)的傳輸距離的能力，通過(guò)增加高增益天線在戶外無(wú)遮擋的情況下最遠(yuǎn)可以達(dá)到65公里。

2 水面救助機(jī)器人的應(yīng)用前景

2.1人員救助

當(dāng)人員落水后，通過(guò)遙控器操控機(jī)器人拖帶救生圈、救生衣與救生艇等到水面遇險(xiǎn)人員附近實(shí)施救助。

2.2 ?帶纜功能

在惡劣天氣下，船舶搖晃較為劇烈，傳統(tǒng)的打撇纜的方式無(wú)法準(zhǔn)確擊中難船，可以通過(guò)釋放機(jī)器人快速拖帶纜繩到難船附近，實(shí)現(xiàn)對(duì)難船及時(shí)就行拖帶作業(yè)，創(chuàng)造進(jìn)一步救援條件。

2.3 ?可用于礁石、淺灘以及狹窄水域等特殊水域下救援

救助機(jī)器人的外形最大尺寸僅為1500mm（長(zhǎng)）*650mm（寬）*750mm（高），結(jié)構(gòu)靈活小巧能滿足大型船舶或救助艇無(wú)法到達(dá)的特殊水域下救助。

2.4 ?降低救助風(fēng)險(xiǎn)與成本

救助機(jī)器人可用于高危海域下的救助，如起火的油輪，溢油的船舶。發(fā)生火災(zāi)的油輪有爆燃的風(fēng)險(xiǎn)，如果救助人員冒然前往救援，會(huì)增加救助風(fēng)險(xiǎn)，救助船舶用消防炮一邊進(jìn)行遠(yuǎn)程灑水冷卻，然后一邊配合救助機(jī)器人前往失火油輪進(jìn)行人員救助轉(zhuǎn)移。既減少人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又降低了救助的經(jīng)濟(jì)成本[3]。

2.5 ?具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以做到與魚(yú)雷一樣在水中穿梭，即使惡劣的風(fēng)浪環(huán)境，也能正常航行，加上強(qiáng)勁的動(dòng)力，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)位置，為救援爭(zhēng)取時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)船舶在特殊環(huán)境下無(wú)法進(jìn)行科學(xué)施救的情況下研制出一款可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力救助的水面救助機(jī)器人。并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分類說(shuō)明，并對(duì)24VDC-5VDC電源轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，最后對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了合理分析，突出該設(shè)備的應(yīng)用價(jià)值。由此得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)海上一個(gè)月的實(shí)測(cè)，滿足海上實(shí)際特殊環(huán)境的應(yīng)用的要求，在其機(jī)動(dòng)性能與防水防腐蝕性能上表現(xiàn)出優(yōu)秀;在操控性能上方面，表現(xiàn)良好，由于機(jī)器人的自身大小的限制，在遠(yuǎn)距離遙控時(shí)，仍難把握其方向，可能需要增配無(wú)線攝像頭來(lái)彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。

（2）水面救助機(jī)器人使用范圍廣，不僅可以用于救助，還可以用于勘測(cè)，水面拍攝等其他應(yīng)用，也為其他海上新型救生設(shè)備研發(fā)提供有利的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王鵬，宋保維等.魚(yú)雷外形多科學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2008.20（7）：1915-1916

[2] linhaixiang. 5公里無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)設(shè)計(jì)[J/OL]. 百度文庫(kù).2012-06-28.https：//wenku.baidu.com/view/94646218650e52ea5518982e.html

[3] 王全杰，鄭州.無(wú)人救助艇的功能性應(yīng)用及技術(shù)展望[J].航海技術(shù).2018.6：