盛嶸捷，章 凡，劉建雄

（1.陸軍航空兵學(xué)院，北京 101123；2.93427部隊(duì)，北京 100024）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們更加重視水面環(huán)境的清理與保護(hù)。水面清障機(jī)器人用于對(duì)水面垃圾的自動(dòng)機(jī)械化打撈，取代過去大量消耗人力資源，效率低下的手動(dòng)打撈。

由于絕大多數(shù)清障船僅對(duì)于寬廣的水域進(jìn)行清理，而面對(duì)相對(duì)較小的水域尤其是在特殊環(huán)境的水域，如布有魚雷的危險(xiǎn)領(lǐng)域、可見度低的彎曲河道、小型洞穴內(nèi)水面等的作用受到了限制，投入使用的狀況并不普遍。此設(shè)計(jì)制作一款水面清障機(jī)器人，將船體與無人機(jī)結(jié)合，利用無人機(jī)中繼通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理一體化，更加適用復(fù)雜水域。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作方面綜合運(yùn)用無人機(jī)中繼通信技術(shù)，將船體與無人機(jī)兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)“發(fā)現(xiàn)”障礙物，引導(dǎo)機(jī)器船將其“收取”。

船體方面通過水中船體的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，將船體的動(dòng)力裝置由水下的螺旋推動(dòng)改為水上的風(fēng)力發(fā)動(dòng)，從而更加適用于環(huán)境惡劣的水域。船體采用可靠性強(qiáng)的PE材料為主體，船體下方安裝障礙物收納箱。

軟件方面通過Arduino及超聲波模塊，以無人機(jī)為主體建立空中基站，輔以O(shè)penMV視覺技術(shù)，實(shí)時(shí)向船體發(fā)送障礙位置信息。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 OpenMV3視覺模塊

OpenMV3是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。OpenMV3的視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測(cè)、眼球跟蹤、邊緣檢測(cè)、標(biāo)志跟蹤等?？梢杂脕韺?shí)現(xiàn)非法入侵檢測(cè)、產(chǎn)品的殘次品篩選、跟蹤固定的標(biāo)記物等，性能參數(shù)如表1所示。

表1 OpenMV3性能參數(shù)

2.2 Arduino

Arduino是一款邊界靈活、方便上手的開源平臺(tái)，包含硬件和軟件。Arduino簡(jiǎn)單的開發(fā)方式使得其容易實(shí)現(xiàn)，更加輕便，縮短了開發(fā)的周期。本設(shè)計(jì)中選用了性能穩(wěn)定的Arduino MEGA 2560，其性能參數(shù)如表2所示。

2.3 動(dòng)力裝置

動(dòng)力裝置分為主動(dòng)力裝置和輔助動(dòng)力裝置。主動(dòng)力裝置采用無刷電機(jī)、11寸螺旋槳；輔助動(dòng)力裝置采用直流電機(jī)、11cm螺旋槳。無刷電機(jī)搭配矢量轉(zhuǎn)向和標(biāo)準(zhǔn)的金屬舵機(jī)，使船身靈活易于操控。

表2 Arduino MEGA 2560性能參數(shù)

2.4 控制機(jī)構(gòu)

機(jī)器船的控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)控制以主動(dòng)力裝置的無刷電機(jī)為主，搭配2.4G接收器天線，利用航模遙控器進(jìn)行控制；自動(dòng)控制分為船上OpenMV的色塊識(shí)別和基于超聲波的無人機(jī)中繼通信自動(dòng)跟隨，利用船上的OpenMV及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板組件和Arduino及超聲波收發(fā)模塊進(jìn)行自動(dòng)控制，如圖1為控制系統(tǒng)流程圖。

圖1 控制系統(tǒng)流程圖

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 基于無人機(jī)的中繼通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)無人機(jī)發(fā)現(xiàn)水面上的障礙物時(shí)，系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)機(jī)器船自動(dòng)跟隨無人機(jī)，機(jī)器船首先向無人機(jī)發(fā)送無線電信號(hào)同時(shí)機(jī)器船開始計(jì)時(shí)，無人機(jī)接收到無線電信號(hào)后向機(jī)器船發(fā)送超聲波信號(hào)，由于無人機(jī)距離機(jī)器船上的2個(gè)超聲波接收器距離不同，則超聲波信號(hào)到達(dá)2個(gè)接收器的時(shí)間不同，Arduino通過2個(gè)接收器接收超聲波時(shí)間的比較和運(yùn)算，計(jì)算出各個(gè)超聲波接收器到無人機(jī)的距離。然后基于超聲波定位的相應(yīng)算法，可以計(jì)算出無人機(jī)在機(jī)器船所建立坐標(biāo)系中的具體坐標(biāo)，從而判斷無人機(jī)相對(duì)機(jī)器船的具體方位，通過PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)機(jī)器船按照設(shè)定距離跟隨目標(biāo)，如圖2為系統(tǒng)原理流程圖。

圖2 系統(tǒng)原理流程圖

3.2 自動(dòng)識(shí)別與定位的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

船體自動(dòng)識(shí)別的設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用OpenMV3對(duì)需要打撈物體或引導(dǎo)船體的無人機(jī)的具體特征進(jìn)行識(shí)別追蹤，最終將其鎖定至攝像頭的中心位置。其設(shè)計(jì)思路如下：

（1）選中目標(biāo)色塊，將色彩格式調(diào)換為L(zhǎng)ABColor，記錄L，A，B三者的最大值（MAX）與最小值（MIN）。

（2）將閾值傳入f ind_blobs函數(shù)中。

（3）根據(jù)需求設(shè)定像素點(diǎn)與矩形面積等閾值約束。即繪制矩形框鎖定目標(biāo)色塊，繪制十字形標(biāo)記鎖定目標(biāo)色塊中心實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的鎖定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過大量實(shí)驗(yàn)并改進(jìn)，使水面清障機(jī)器人的控制部件在船體的甲板平臺(tái)水面上工作時(shí)的具有穩(wěn)定性，使水面清障機(jī)器船有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜惡劣的水域，工作效率大大提升。在手動(dòng)控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)上創(chuàng)新了自動(dòng)控制，通過無人機(jī)上單發(fā)超聲波模塊發(fā)出的信號(hào)與船體上左右兩側(cè)的單收超聲波模塊互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器船對(duì)無人機(jī)的跟隨，使無人機(jī)作為機(jī)器船的空中的中級(jí)通信平臺(tái)，完美的將無人機(jī)與機(jī)器船聯(lián)合起來，實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理一體化。