朱科名 張藝瀝 許偉燦 高 潔 張亞紅

（南通理工學(xué)院 電氣與能源工程學(xué)院，南通 226001）

隨著人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，資源與環(huán)境之間的矛盾逐漸顯露，促使人們逐漸把目光轉(zhuǎn)向海洋。深海開(kāi)發(fā)離不開(kāi)探索工具，因此海洋探索工具發(fā)展前景廣闊。全球70.8%的面積為海洋，同時(shí)陸地上還有1.5%的湖泊面積[1]。因?yàn)楹粑绞街萍s，所以人類(lèi)不能在水下持續(xù)作業(yè)，嚴(yán)重影響了工作效率。水下機(jī)器人具有水下觀察和水下作業(yè)的能力，可代替人在水下進(jìn)行一些原來(lái)人類(lèi)不能完成的工作。小型水下機(jī)器人可以從事的工作包括水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)觀測(cè)、水下科學(xué)勘測(cè)、水下救援打撈以及水下作業(yè)等[2-3]。面對(duì)這些行業(yè)需求，本文制作了一款適用于淺水域的小型水下機(jī)器人。

1 水下機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于有纜水下機(jī)器人，研制了一款小型水下機(jī)器人，可用于基礎(chǔ)的水下觀測(cè)和水下打撈任務(wù)。采用模塊化設(shè)計(jì)，水下部分由外框架、設(shè)備倉(cāng)、電池倉(cāng)以及4個(gè)推進(jìn)器4部分構(gòu)成，外部尺寸為300 mm×350 mm×180 mm，在空氣中的質(zhì)量約為4 kg，設(shè)計(jì)最大深潛為10 m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該機(jī)器人由左右兩塊側(cè)板和一塊底板作為主要框架，可以有效保護(hù)水下機(jī)器人的內(nèi)部設(shè)備。框架內(nèi)部有兩塊T型支架固定推進(jìn)器和上下兩個(gè)艙室。水平推進(jìn)器安裝在T型支架的下部，左右各一個(gè)。垂直推進(jìn)器安裝在T型支架的上部分的圓孔中，同樣左右各一個(gè)。垂直推進(jìn)器和水平推進(jìn)器安裝在同一軸線上。T型支架中間夾著設(shè)備倉(cāng)和電池倉(cāng)，其中上部分帶圓頭的為設(shè)備倉(cāng)。所有的電子設(shè)備都被安裝在設(shè)備倉(cāng)中。下面部分是電池倉(cāng)，內(nèi)部裝有一塊4串1并的鋰電池。

圖1 三維設(shè)計(jì)整體效果圖

2 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)

為了提高水下機(jī)器人的穩(wěn)定性，必須了解當(dāng)前機(jī)器人在水中的姿態(tài)和深度信息，通過(guò)當(dāng)前水下機(jī)器人的姿態(tài)和深度信息調(diào)整推進(jìn)器電機(jī)的速度。本設(shè)計(jì)利用姿態(tài)傳感器采集水下機(jī)器人自身的姿態(tài)信息，利用壓力傳感器采集水壓信息，并將壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成深度信息，以得到當(dāng)前機(jī)器人的深度信息。利用PID控制器分析處理傳感器數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制[4]。水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從整體的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖2）可知，電源通過(guò)穩(wěn)壓電路為各個(gè)模塊供電，系統(tǒng)由PIXHAWK控制。當(dāng)陸上操作人員通過(guò)遙控器發(fā)出操作指令后，信號(hào)將發(fā)送給接收機(jī)。接收機(jī)收到信號(hào)并將信號(hào)傳輸給PIXHAWK，PIXHAWK通過(guò)轉(zhuǎn)換為PWM波命令使推進(jìn)器動(dòng)作。壓力傳感器和姿態(tài)傳感器將收集到的姿態(tài)、壓力信息反饋給PIXHAWK，PIXHAWK做出指令調(diào)整推進(jìn)器，從而使水下機(jī)器人穩(wěn)定。PIXHAWK將獲取的壓力和深度信息等信息通過(guò)攝像頭和圖傳發(fā)射反饋給陸上操作人員。

圖2 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 水下機(jī)器人系統(tǒng)組裝與調(diào)試

水下機(jī)器人組裝完成后需要先在陸上進(jìn)行電路測(cè)試，測(cè)試電路是否能夠正常工作。首先，目檢接線是否接好，正負(fù)接口是否反接，插線是否接線錯(cuò)誤。其次，進(jìn)行通電測(cè)試。設(shè)備主電源通電后推進(jìn)器工作正常，轉(zhuǎn)向和設(shè)計(jì)一致，傳感器工作正常，主控芯片工作正常。一切正常后，可以進(jìn)行水下測(cè)試。先測(cè)試設(shè)備的防水性能，給水下機(jī)器人裝好電源，但此時(shí)并不需要接通電源。將電池放入水下機(jī)器人，是為了模擬水下機(jī)器人實(shí)際的質(zhì)量。機(jī)器人完全浸在水中，看電池倉(cāng)是否有水泡冒出。如有水泡冒出，可以判斷電池倉(cāng)進(jìn)水，需加強(qiáng)密封。待無(wú)進(jìn)水現(xiàn)象時(shí)，方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。最后，水下機(jī)器人水下航行測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，水下機(jī)器人可以在水中完成基礎(chǔ)動(dòng)作，如下潛、上浮、前進(jìn)以及后退等，為后期水下機(jī)器人作業(yè)奠定基礎(chǔ)。圖3為水下機(jī)器人下水畫(huà)面。圖4為水下機(jī)器人水下拍攝的畫(huà)面。

圖3 水下機(jī)器人準(zhǔn)備下潛

圖4 水下機(jī)器人拍攝回傳視頻截圖

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置及基本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了水下航行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)的小型水下機(jī)器人操作簡(jiǎn)單、控制靈活以及動(dòng)力強(qiáng)勁，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但是，本設(shè)計(jì)的通信方式為水上水下有纜傳輸方式，因此水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍和下潛深度受到了電纜線長(zhǎng)的制約。采用低頻無(wú)線信號(hào)作為傳輸方法能解決信號(hào)干擾問(wèn)題，提高水下機(jī)器人活動(dòng)范圍，擴(kuò)展水下機(jī)器人的功能，使水下機(jī)器人能夠參與更多的工作。