周 固 譚 鑫 陳洪雨 李玉廷

（臨沂大學(xué)，山東 臨沂 276000）

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

AI 水下捕魚機(jī)器人是將人工智能、 探測(cè)識(shí)別、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面的技術(shù)應(yīng)用在同一水下載體上， 通過圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主控制和人工操控，預(yù)期做出一種工作于水下的極限作業(yè)的機(jī)器人。 它能在節(jié)省大量人力的同時(shí)，潛入危險(xiǎn)海域幫助人類進(jìn)行一系列的捕魚操作，同時(shí)也能進(jìn)行水下資源勘探和海洋科學(xué)生物考察等。 因此，水下捕魚機(jī)器人已經(jīng)成為開發(fā)水下資源、漁業(yè)養(yǎng)殖的一種重要工具。

2 國(guó)內(nèi)、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

（1）國(guó)外水下捕魚機(jī)器人的發(fā)展，主要以美國(guó)，日本以及西方發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，他們的發(fā)展技術(shù)幾乎代表了全世界水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。 美國(guó)是最先發(fā)展水下機(jī)器人的國(guó)家，他們掌握著水下機(jī)器人較高的技術(shù)水平。 但捕魚機(jī)器人的研制開始出現(xiàn)在日本，并漸漸成熟。

（2）現(xiàn)階段，我國(guó)的水下機(jī)器人只能用于觀察和測(cè)量，很少具備作業(yè)能力，而且智能控制水平也不高。所以捕魚機(jī)器人的開發(fā)與研制并不成熟，值得人們?nèi)?chuàng)新研究。 實(shí)現(xiàn)水下自動(dòng)機(jī)器人具有作業(yè)能力。

（3）項(xiàng)目研究創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色:

1）實(shí)行可視化垂釣，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可自動(dòng)識(shí)別上鉤魚種類和大小的智能捕魚機(jī)器人。

2）針對(duì)式撒網(wǎng)式捕魚，分析某種魚類最喜歡的餌料，再利用水底圖像進(jìn)行操控撒網(wǎng)，重點(diǎn)捕撈。

3）改進(jìn)獨(dú)特的程序算法，可以自由操控水下機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。

4）改用stm32 單片機(jī)替代51 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制的處理高速率、高效率，使水下機(jī)器人的反應(yīng)更加迅速。

5）推進(jìn)器用無(wú)刷減速電機(jī)，可以更靈活地控制前后方向。

3 研究?jī)?nèi)容

（1）隨著科技的不斷發(fā)展越來越多的領(lǐng)域開始采用機(jī)器人代替人工，機(jī)器人將代替人類完成一些高度危險(xiǎn)活動(dòng)和繁重體力勞動(dòng)，這使得機(jī)器人需要適應(yīng)各種極端的環(huán)境，在各種已知甚至是未知的環(huán)境中完成各種作業(yè)任務(wù)。 此項(xiàng)目在復(fù)雜的水下環(huán)境中選擇了捕魚功能的研究， 現(xiàn)在的捕魚業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)如火如荼，項(xiàng)目中加入了對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)捕魚需求的實(shí)用功能，更加小眾化，適應(yīng)國(guó)家和市場(chǎng)需求。

（2）傳統(tǒng)的釣魚都是采用釣魚竿，釣魚者拿著釣魚竿釣魚，人在釣魚時(shí)得全神貫注地看著水里的浮子，時(shí)間長(zhǎng)了容易產(chǎn)生疲勞， 釣魚本來就是一項(xiàng)放松的事情，當(dāng)釣魚者產(chǎn)生疲勞時(shí)，正是適得其反，而且每次釣魚時(shí)，需要人工判斷當(dāng)前上鉤魚的大小，在釣魚過程中，經(jīng)常將幼魚或者其他稀有魚類釣上，影響釣魚的速度和質(zhì)量，這就導(dǎo)致釣上目標(biāo)大小和種類魚類越來越困難。

4 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)研究項(xiàng)目所要實(shí)現(xiàn)的功能， 對(duì)AI 水下捕魚機(jī)器人做整體設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)采用厚度10 mmPOM 板材料加工制作，捕魚機(jī)器人手采用POM 材料，以防水舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人采用防水無(wú)刷電機(jī)推進(jìn)器，采用透明亞克力管作為主艙，主控板采用四驅(qū)模式。 鋰電池置于電池艙，捕魚機(jī)器人采用零浮力電纜控制，在機(jī)器人主艙前部安裝OPEN MV4 攝像頭，可實(shí)現(xiàn)水下實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)水下魚群動(dòng)態(tài)，可用于獲取機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置信息及水下障礙，及時(shí)采取操作與控制，以便于完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。

4.1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)AI 水下捕魚機(jī)器人的各部分功能， 構(gòu)建整體結(jié)構(gòu)功能的流程框圖如圖1 所示。

圖1 總體方案裝置框圖

4.2 機(jī)器人各分系統(tǒng)研究

機(jī)器人整體架構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，下一步將進(jìn)行各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本機(jī)器人主要由以下幾個(gè)系統(tǒng)，本別加以表述。

4.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

該機(jī)器人采用無(wú)刷減速電機(jī)水下推進(jìn)器，理論最大工作深度為150 m，工作電壓為12 V，最大工作電流為6.5 A， 在保證了節(jié)省電量的同時(shí)增大了電機(jī)的推力。 電路方面根據(jù)智能車的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)采用了MOS驅(qū)動(dòng)電路來安全穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)及加減速，如圖2 所示。

水下機(jī)器人采用了4 個(gè)水下推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)，其中兩個(gè)推進(jìn)器在后側(cè)為機(jī)器人提供前進(jìn)后退動(dòng)力及左右轉(zhuǎn)向控制（當(dāng)給機(jī)器下達(dá)向右轉(zhuǎn)的指令是右側(cè)電機(jī)停止或者減速旋轉(zhuǎn)，左側(cè)保持原來的速度，左轉(zhuǎn)原理亦然），兩側(cè)的推進(jìn)器朝上，可以控制機(jī)器人在水中的下沉、上浮或者處于懸浮狀態(tài)。

4.2.2 控制系統(tǒng)

采用stm32f103cbt6 這個(gè)32 位的單片機(jī)來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制（見圖3），通過單片機(jī)的指令控制無(wú)刷直流減速電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水中的上升、下降、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)這6 個(gè)自由度。 之所以采用stm32， 是因?yàn)閟tm32 屬于arm 內(nèi)核的一個(gè)版本擁有51 無(wú)法比擬的更高運(yùn)算速度而且功耗小、價(jià)格相對(duì)便宜。

圖3 基于stm32 控制的主控板

4.2.3 供電系統(tǒng)

采用直流供電系統(tǒng)，包括第一電池組、第二電池組、選擇開關(guān)和控制器；第一電池組的正負(fù)極分別連接到第一用電設(shè)備；第二電池組的正極經(jīng)由選擇開關(guān)連接到第一電池組的負(fù)極或第二用電設(shè)備，第二電池組的負(fù)極連接到第二用電設(shè)備或第一用電設(shè)備；選擇開關(guān)的本體連接于第二電池組的正極，選擇開關(guān)的第一端連接到第一電池組的負(fù)極，選擇開關(guān)的第二端連接到第二用電設(shè)備；控制器控制選擇開關(guān)的動(dòng)作。 其第一電池組和第二電池組能分別給第一用電設(shè)備和第二用電設(shè)備供電，也能串聯(lián)起來一起給第一用電設(shè)備供電，能提高水下機(jī)器人的續(xù)航能力，提高可靠性和安全性。

電池充電裝置采用220 V 轉(zhuǎn)12 V 變壓器將220 V交流電變?yōu)?2 V 交流電，再經(jīng)GBU406 整流橋式電路把12 V 交流電變?yōu)?2 V 直流電，再經(jīng)過7812 三端穩(wěn)壓器把12 V 轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓，實(shí)現(xiàn)模塊供電。

變壓器是變換交流電壓、 電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。 是一種利用電磁互感應(yīng)， 變換電壓， 電流和阻抗的器件。 根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁通穿過這兩個(gè)繞組就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)， 其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比，繞組匝數(shù)多的一側(cè)電壓高，繞組匝數(shù)少的一側(cè)電壓低，當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，即變壓器空載時(shí)，一、二次端電壓與一、二次繞組匝數(shù)成正比，即U1/U2=N1/N2，但初級(jí)與次級(jí)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)電壓的變化如圖4 所示。

圖4 220 v 交流電變12 v 直流電源

4.2.4 圖像系統(tǒng)

該機(jī)器人屬于電纜通信機(jī)器人，通過通信電纜的通道進(jìn)行信息傳輸是可靠的，通常采用通信系統(tǒng)復(fù)用系統(tǒng)一般為分時(shí)—分頻系統(tǒng)，用通信通道可以進(jìn)行視頻傳輸，系統(tǒng)工作信息和控制信息。 視頻傳輸采用的是當(dāng)前比較成熟的模塊單路純視頻光端機(jī)，把視頻數(shù)據(jù)通過光纖進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。 能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前的攝像頭采集到的信息。

4.2.5 捕魚結(jié)構(gòu)的確定與實(shí)現(xiàn)

捕魚結(jié)構(gòu)采用框架式。 捕魚結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是從框架式趨向于魚形流線體結(jié)構(gòu)， 但我國(guó)此項(xiàng)技術(shù)也尚未成熟。 捕魚方式采用垂釣式和撒網(wǎng)式兩種選擇方案。

垂釣式提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可自動(dòng)識(shí)別上鉤魚種類和大小的智能捕魚機(jī)器人及其捕魚方法，以解決現(xiàn)有釣魚竿功能單一、難以滿足實(shí)際需要的技術(shù)問題，通過控制器控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)捕魚器拋鉤和提桿，利用位置傳感器用于獲取魚鉤咬鉤后的位移信息， 且其包括X 方向傳感器，Y 方向傳感器和Z 方向傳感器。 通過壓力傳感器判斷魚類咬合力的力度來判斷魚類的大小，輔助以圖像技術(shù)傳輸達(dá)到對(duì)魚種類和大小的確定。

驅(qū)動(dòng)裝置受控于控制器，且驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)使捕魚器拋鉤和提竿，捕魚器包括魚竿、魚鉤和升降裝置，魚鉤裝設(shè)在魚竿上，且魚竿通過該升降裝置以固定，驅(qū)動(dòng)裝置與升降裝置驅(qū)動(dòng)相連，魚鉤上設(shè)有位置傳感器和壓力傳感器；控制器包括微處理器、存儲(chǔ)器和智能分析模塊，位置傳感器和壓力傳感器分別與微處理器電性相連，存儲(chǔ)器與微處理器電性相連，智能分析模塊與微處理器電性相連。

工作步驟如下：

（1）位移傳感器獲取上鉤魚的運(yùn)動(dòng)軌跡，壓力傳感器獲取上鉤魚的咬合力大??；

（2）基于智能分析模塊，根據(jù)獲取到的所述上鉤魚的運(yùn)動(dòng)軌跡和咬合力大小，以確定驅(qū)動(dòng)裝置的響應(yīng)時(shí)間和驅(qū)動(dòng)力度的大小如圖5 所示。

圖5 智能分析模塊與微處理器電連接框圖

（3）撒網(wǎng)式操作。 垂釣式的捕魚量難以滿足實(shí)際市場(chǎng)需要，而撒網(wǎng)式捕魚可以優(yōu)化這一不足，以不同魚餌對(duì)不同種類的魚進(jìn)行選擇，網(wǎng)隙的大小對(duì)魚的大小進(jìn)行篩選，利用圖像傳輸技術(shù)，以人為操控手柄驅(qū)動(dòng)捕魚裝置，實(shí)現(xiàn)捕魚。 控制器控制驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)撒網(wǎng)，利用位置傳感器，判斷小魚群的走向，利用高度優(yōu)勢(shì)進(jìn)行廣撒網(wǎng)，但這一項(xiàng)對(duì)機(jī)器人動(dòng)力裝置要求極高。

4.2.6 重要組件

（1）Stm32f103cbt6、GBU406、 超級(jí)電容、7805、貼片電阻若干、貼片電容若干、光電混合纜、光端機(jī)、電池、搖桿、電位器、Pom 板、鐵箱、攝像頭、散熱扇、熱熔膠、主控板、Mos 驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)壓板、直流減速有刷電機(jī)、舵機(jī)、機(jī)械臂，捕魚器，驅(qū)動(dòng)裝置。

（2）外部材料。

①POM 板機(jī)架POM 板是一種沒有側(cè)鏈、 高密度、 高結(jié)晶性的共聚性聚合物， 具有優(yōu)異的綜合性能，表面光滑，有光澤的硬而致密，可在-40～106°C 溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。 它的耐磨性和自潤(rùn)滑性也比絕大多數(shù)工程塑料優(yōu)越，又有良好的耐油，耐過氧化物性能。 機(jī)械強(qiáng)度高、剛性大，硬度高、優(yōu)異的彈性、滑動(dòng)性和耐磨性、抗蠕變性能好，即使在低溫下，耐沖擊強(qiáng)度高，有非常好的尺寸穩(wěn)定性，機(jī)械性能優(yōu)異漂浮力電纜參數(shù)如表1 所示。

表1 零浮力電纜參數(shù)表

②零浮力光電混合纜。 光電混合纜的結(jié)構(gòu)是將250μm 光纖套入高模量材料製成的松套管中， 松套管內(nèi)填充防水化合物。 纜芯中心為FRP 或金屬加強(qiáng)件。電線與松套管（和填充繩）圍繞中心加強(qiáng)芯絞合成緊湊和圓形的纜芯，纜芯內(nèi)的縫隙充以阻水填充物。 雙面涂塑鋼帶（PSP）縱包后擠制聚乙烯或低煙無(wú)鹵（LSZH）護(hù)套成纜。 具有很好的柔韌性和機(jī)械性能。

電纜部分與光纜部分保持相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，便于安裝時(shí)的引入、引出和連接，充分節(jié)約管道資源。 可適用于較大的工作溫度范圍，而且在狹小空間也能自由安裝同事相容光信號(hào)傳輸和電能傳輸。

5 技術(shù)路線與實(shí)現(xiàn)

5.1 技術(shù)路線

研究小組實(shí)行分工協(xié)作，按照項(xiàng)目研究計(jì)劃的進(jìn)度向前推進(jìn)研究工作， 合理設(shè)計(jì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)、確定好機(jī)器人的吸附方式及行走機(jī)構(gòu)和作業(yè)內(nèi)容及模式，做好機(jī)器人制作的各個(gè)環(huán)節(jié)，認(rèn)真進(jìn)行測(cè)試，并不斷改進(jìn)和優(yōu)化，按時(shí)完成研究計(jì)劃，在研究的同時(shí)撰寫和發(fā)表論文，爭(zhēng)取順利結(jié)題。

5.2 擬解決的問題

（1）捕魚多功能的實(shí)現(xiàn)；

（2）防水效果的優(yōu)化；

（3）圖像傳輸處理；

（4）多種傳感器的協(xié)同檢測(cè)協(xié)作。

5.3 預(yù)期成果

研制出樣機(jī)一部， 在國(guó)內(nèi)期刊上發(fā)表論文1 篇或申請(qǐng)專利1 項(xiàng)。

5.4 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

（1）實(shí)行可視化垂釣，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可自動(dòng)識(shí)別上鉤魚種類和大小的智能捕魚機(jī)器人。

（2）針對(duì)式撒網(wǎng)式捕魚：分析某種魚類最喜歡的餌料，再利用海底圖像進(jìn)行操控撒網(wǎng)，重點(diǎn)捕撈。

（3）改進(jìn)獨(dú)特的程序算法，可以自由操控水下機(jī)器人進(jìn)行。

（4）改用stm32 單片機(jī)，超越51 單片機(jī)的處理速率，使水下機(jī)器人的反應(yīng)更加迅速。

（5）推進(jìn)器用直流減速電機(jī)，可以更靈活地控制前后方向。

AI 水下捕魚機(jī)器人實(shí)物如圖6 所示。

圖6 AI 水下捕魚機(jī)器人實(shí)物照片

6 結(jié)語(yǔ)

隨著漁業(yè)捕撈和漁業(yè)養(yǎng)殖發(fā)展的需要，由于水下工作的比較復(fù)雜及工作非常艱苦，以及人工費(fèi)用增長(zhǎng)迅速，采用水下機(jī)器人替代潛水員執(zhí)行任務(wù)已是大勢(shì)所趨。 各種水域作為人類賴以生存的藍(lán)色國(guó)土，關(guān)系到人類的生存和持續(xù)發(fā)展，這是人類必須面臨的現(xiàn)實(shí)問題，必須用好水域資源。 21 世紀(jì)伴隨著人類增進(jìn)認(rèn)識(shí)水域資源的進(jìn)程，水下機(jī)器人這一高新技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展改進(jìn)并會(huì)更加完善。 無(wú)人自主水下機(jī)器人是其發(fā)展的方向。 對(duì)AI 水下捕魚機(jī)器人要繼續(xù)做深入研究，增加傳感器種類和數(shù)量，改進(jìn)智能控制算法，使其可自主巡游、自主作業(yè)。