蘭 武，戴曉強，朱延栓，鄭宇航，楊淦華

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著海上貿易和資源開發(fā)項目的增多，海洋事故的發(fā)生次數(shù)也越來越多，如韓國世越號事件［1］、俄羅斯遠東號事件［2］，這些事故造成了巨大的生命代價與經(jīng)濟損失。由于海底壓力大、環(huán)境異常惡劣、可視度低，打撈與救援工作的難度較大，一般設備很難完成指定任務［3］。水下遙控機器人（Remotely Operated Vehicles，ROV）具備操作性好、動力充足［4］、適應水下惡劣環(huán)境［5］等優(yōu)點，在潛水員不能到達的深度和不安全的水域，可利用ROV 完成水下搜尋和救援［6］、水質環(huán)境調查［7］、打撈［8］等任務，保障工作人員人身安全［9］。

1 相關研究

很多學者對水下機器人進行了研究，例如常潤發(fā)等［10］設計了基于STM32 微控制器的嵌入式控制系統(tǒng)，并對其進行了姿態(tài)和深度控制的水下試驗；肖朋振等［11］從運動控制算法和系統(tǒng)架構的角度出發(fā)，設計了一種ROV 控制系統(tǒng)；張瑋康等［12］提出一種以一體化工業(yè)加固計算機為水面監(jiān)控單元，PC104 嵌入式工業(yè)控制計算機為水下主控單元，各驅動板為驅動單元的控制系統(tǒng)架構；余明剛［13］對便攜式水下機器人的研究進展進行了綜述。

在進行水下作業(yè)時，監(jiān)控系統(tǒng)的作用十分重要，其是水下機器人能夠準確完成工作的核心保障［14］。監(jiān)控系統(tǒng)能實時顯示水下機器人的狀態(tài)信息、監(jiān)測故障、預警周圍環(huán)境，操控人員也可以通過監(jiān)控系統(tǒng)對水下機器人進行自由操控。目前常見的監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括C#［15］、QT［16］、Lab-VIEW［17］等，但都有其自身局限性。

Java 語言的語法與C 和C++類似［18］，但不使用C 與C++中難以理解的指針，因此更加容易學習。此外，Java 還可提供內存回收機制，使程序方便易懂，安全性更高［19］。Java API 提供了大量圖形用戶界面，降低了監(jiān)控系統(tǒng)界面的編寫難度。Java 還具有移植性好的特點［20］，因此可用于Web應用程序、桌面應用程序和嵌入式系統(tǒng)程序等的開發(fā)。基于此，本文采用Java 平臺進行監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)，利用Java多線程和靈活實用的優(yōu)點，在程序設計和網(wǎng)絡編程的基礎上完成系統(tǒng)上層監(jiān)控界面的搭建。該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)與底層機器人的通信，實時獲取機器人本體攜帶的慣導、深度計、溫濕度傳感器等數(shù)據(jù)并在監(jiān)控界面顯示，還可利用攝像頭顯示水下機器人周圍的作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)其運動控制。該系統(tǒng)通過內嵌SQL 語言查詢和操控數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了對接收數(shù)據(jù)的分析、存儲和管理功能。相較于其他監(jiān)控系統(tǒng)，本文系統(tǒng)具有以下特點：①舍棄了控制板設計而選用藍牙手柄，優(yōu)化了整體結構，使監(jiān)控系統(tǒng)的操作更加簡便，亦減少了開發(fā)時間；②使用網(wǎng)絡通信，使通信速度和質量更佳；③采用Java 語言進行開發(fā)，使得可移植性和安全性更高；④通過建立數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框架

本文所述水下機器人系江蘇科技大學自主設計并研發(fā)的一款應用于船體檢測與作業(yè)的開架式ROV。水下機器人監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構如圖1 所示，包含水面控制系統(tǒng)和水下機器人本體。水面控制系統(tǒng)由藍牙手柄、監(jiān)控電腦、臍帶纜和供電箱組成。機器人操控員通過臍帶纜連接監(jiān)控電腦和水下機器人，觀測監(jiān)控電腦反饋信息，利用藍牙手柄給電腦發(fā)送控制指令，由電腦發(fā)送給機器人進行運動控制，供電箱負責給機器人供電。水下控制系統(tǒng)由主控制器、從控制器、DCDC 電源模塊、推進器模塊、視頻采集和傳輸模塊、報警模塊、溫濕度采集模塊、深度采集模塊和導航模塊組成。使用STM32F407VET6 微型工控機作為水下機器人的主控制器，通過四芯網(wǎng)線使用TCP/IP 協(xié)議接收水面控制系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，對艙內各設備進行任務分配。DCDC 電源模塊將供電箱提供的電源分級處理后根據(jù)需求提供給艙內的各個部件。推進器模塊由4 個電機驅動組成，分別對應4 個電機，這4 個電機兩兩分布在機器人本體尾部及上方。從控制器通過CAN 通訊接收主控器獲取的控制指令，根據(jù)指令輸出不同的PWM 波驅動電機轉動（高電平正轉，低電平反轉），通過控制電機轉速實現(xiàn)水下機器人的上浮、下潛、前進、后退、左轉、右轉、定航、定深。報警模塊通過檢測高低電平判斷艙內是否漏水（高電平為漏水）。溫濕度采集模塊負責檢測艙內溫度和濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。深度采集模塊負責采集水下機器人的深度信息，與主控制器之間采用485 通訊。導航模塊由微型航姿參考系統(tǒng)（AHRS）組成，負責采集水下機器人在X 軸、Y 軸、Z 軸方向的角度和加速度信息，通過232 串口通信發(fā)送給主控制器。視頻采集和傳輸模塊由攝像頭和傳輸設備組成，視頻信號通過臍帶纜傳送至岸上，監(jiān)控電腦通過四芯網(wǎng)線使用TCP/IP 協(xié)議將其顯示在監(jiān)控界面上。

Fig.1 Hardware structure block diagram of underwater vehicle monitoring system圖1 水下機器人監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架

3.1 水面控制系統(tǒng)軟件

3.1.1 Java 監(jiān)控系統(tǒng)功能結構

根據(jù)圖1 設計，Java 監(jiān)控系統(tǒng)程序應滿足以下要求：①實時顯示水下攝像頭采集的視頻信號，能夠完成拍照、錄像等功能，根據(jù)需求對云臺進行上下左右的控制和對焦；②能夠完整接收水下機器人各個傳感器收集處理好的數(shù)據(jù)，包括姿態(tài)、深度、溫濕度、電壓等，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立水下機器人的姿態(tài)模型，確定其當前姿態(tài)；③可根據(jù)操作人員命令控制水下機器人的推進器實現(xiàn)前進后退、左轉右轉、上浮下潛、定深定航等功能，并對水下燈進行開關控制；④當水下機器人艙內溫度過高、發(fā)生漏水、電壓或電流溫度異常時，監(jiān)控系統(tǒng)能進行報警顯示。圖2 為基于Java的水下機器人監(jiān)控系統(tǒng)功能結構。

3.1.2 Java 網(wǎng)絡通信軟件設計

監(jiān)控界面程序運行在Windows 環(huán)境下，使用Java 作為監(jiān)控系統(tǒng)的計算機語言。由于上下位機之間通信需要獲取水下機器人的姿態(tài)、溫濕度、深度、視頻、故障等大量信息，為確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性，采用C/S 架構，基于TCP/IP 協(xié)議的Socket 方式進行通信，使用全雙工模式，以機器人本體搭載的主控制器作為服務器端，上位機作為客戶端。表1 和表2 分別為上行數(shù)據(jù)和下行指令的格式。

Fig.2 Function structure of AUV monitoring system based on Java圖2 基于Java的水下機器人監(jiān)控系統(tǒng)功能結構

Table 1 Uplink data format表1 上行數(shù)據(jù)格式

Table 2 Downward instruction format表2 下行指令格式

使用Java 編寫的監(jiān)控程序軟件采用多線程方法，線程1 負責接收藍牙手柄發(fā)送的信息，將按鍵轉化為水下機器人的操作指令，每200ms 接收一次；線程2 負責與水下機器人主控板進行網(wǎng)絡通訊，將線程1 轉化的操作指令發(fā)送給水下機器人主控板，在接收信號后對數(shù)據(jù)進行解析，通過濾波處理去除冗余和錯誤數(shù)據(jù)，將遍歷信號加入線程3 運行路徑規(guī)劃算法；線程4 對線程2 獲取的水下機器人所感知的環(huán)境信息和艙內指標進行處理后將其顯示在監(jiān)控界面上。監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖3 所示。

3.2 水下控制系統(tǒng)軟件設計

水下控制系統(tǒng)主控板以STM32F407VET6 為主控制器件進行編程，使用RTX 系統(tǒng)實現(xiàn)多線程處理、軟件定時、內存和任務管理等功能。該系統(tǒng)擁有輕量化操作系統(tǒng)內核，適合本文機器人使用，相較于其他嵌入式操作系統(tǒng)，其具有成本低、可移植的優(yōu)勢。主控制板軟件流程如圖4所示。

Fig.3 Flow of monitoring system圖3 監(jiān)控系統(tǒng)流程

Fig.4 Software flow of main control board圖4 主控制板軟件流程

4 實驗結果與分析

首先在陸地上對各個模塊的性能進行測試，包括推進器、水下燈、云臺攝像機、藍牙手柄、慣性導航，然后通過整體聯(lián)調進行進一步測試與優(yōu)化。本文設計制作的水下機器人本體、電源箱和水面操作裝置分別如圖5、圖6 和圖7所示。

Fig.5 Remote control underwater robot圖5 遙控水下機器人實物

Fig.6 ROV power box圖6 ROV 電源箱

Fig.7 Water surface control device圖7 水面操控裝置

為驗證該系統(tǒng)是否能有效實現(xiàn)水下機器人的運動控制和狀態(tài)監(jiān)測功能，本文多次在1 個長10m、寬5m、深2m的實驗水池和小湖中進行運動控制實驗。實驗時，操控員使用藍牙手柄對機器人進行遙控，實現(xiàn)了前進倒退、左轉右轉、上浮下潛、定深定航等動作。同時測試了監(jiān)控軟件的使用效果，觀測機器人的水下運動控制是否實時有效、監(jiān)控圖像是否清晰等。圖8 為實驗室水池運動測試圖，圖9為船廠測試人員遙控操作圖，圖10 為Java 監(jiān)控系統(tǒng)界面。測試結果表明，操控人員可控制水下機器人自由運作，視頻信號無延時且云臺可自由控制，截圖和錄像畫質清晰，上下位機之間通訊正常且持續(xù)運行半小時以上無丟包現(xiàn)象發(fā)生。

Fig.8 Motion test of underwater robot pool圖8 水下機器人水池運動測試

Fig.9 Remote control operation圖9 遙控操作

Fig.10 Java monitoring system screen圖10 Java 監(jiān)控系統(tǒng)畫面

5 結語

本文針對水下機器人監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)成本高、時間長、通用性和擴展性較差的問題，設計了一種基于Java的監(jiān)控系統(tǒng)。驗證實驗表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的人機交互性能，操作人員能直觀地觀測到水下機器人的周邊環(huán)境并準確有效地進行水下作業(yè)。相較于以往的水面控制臺，該監(jiān)控系統(tǒng)取消了控制信息采集板，選擇使用藍牙手柄進行控制，系統(tǒng)整體更加輕便；通過Java 監(jiān)控程序生成調用手柄，簡化了水下機器人的軟硬件開發(fā)流程；采用網(wǎng)絡通信代替串口通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，可以發(fā)送大量數(shù)據(jù)。采用Java 實現(xiàn)的水下監(jiān)控軟件具有較強的穩(wěn)定性，大大減少了系統(tǒng)開發(fā)時間。此外，基于Java 在網(wǎng)絡開發(fā)上的便利性，該系統(tǒng)具備較強的擴展性，便于后期建立云操控。