廖子錚，羅思麟，薛涵方

（哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

當(dāng)今工業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)污水的排放逐漸增多，影響著實(shí)際生產(chǎn)生活，而在污水處理環(huán)節(jié)中，最為緊要的是能夠處理廢水中好養(yǎng)生物量的維持，而曝氣盤就是這一生物量維持的關(guān)鍵所在，曝氣盤能夠曝氣產(chǎn)生該生物維持生存所需的溶解養(yǎng)量以及促進(jìn)水下流體運(yùn)動(dòng)，增加處理廢水的接觸面積從而提高對(duì)污水處理的效率。實(shí)用是曝氣盤的主要優(yōu)點(diǎn)，但是也有一個(gè)較為明顯的不足之處，即使用到一定時(shí)長時(shí)會(huì)由于流體擠壓以及生物量限制等原因出現(xiàn)需要更換的情形，而一方面更換曝氣盤需要到水下一定深度處進(jìn)行作業(yè)，且水下工況較為復(fù)雜，另一方面以人為主體的單元作業(yè)需要攜帶一定的設(shè)備，包括支撐人體上浮下沉的纜繩，作業(yè)于曝氣盤的酸堿溶液，以及一定的水下作業(yè)工具，作業(yè)效果也不太理想。伴隨著水下機(jī)器人技術(shù)的成熟發(fā)展，曝氣盤清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)成為可能。

1 總體設(shè)計(jì)

曝氣盤清洗機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案分為硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)三部分，其中硬件設(shè)計(jì)主要包括選取電源模塊及充電模塊、穩(wěn)壓模塊、通信模塊、攝像采集圖像傳輸模塊和單片機(jī)控制；軟件設(shè)計(jì)主要包括雙目視覺定位的目標(biāo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)解算相對(duì)位置以及目標(biāo)匹配跟蹤識(shí)別，聲吶的目標(biāo)測距、清洗器的壓力傳感匹配應(yīng)力抓取設(shè)計(jì)和慣性器件的解算以至于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器本體的測位測姿，機(jī)械臂壓力傳感匹配應(yīng)力抓取設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的運(yùn)行移動(dòng)以及姿態(tài)控制；機(jī)械設(shè)計(jì)主要包括密封艙體、端蓋設(shè)計(jì)、舵機(jī)支架、浮力材料和電纜。

整個(gè)系統(tǒng)的工作環(huán)境分為水上和水下。在水上，操控臺(tái)發(fā)出的操控指令經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換器增強(qiáng)、編碼后進(jìn)入電纜進(jìn)行電傳輸；輸線裝置根據(jù)水下載體的駛出距離調(diào)節(jié)電纜線長度；電力傳輸系統(tǒng)將電力通過可通大電流的電纜向水下載體供電。在水下，通過電纜的傳輸，有線圖傳系統(tǒng)將載體中2個(gè)攝像頭采集的圖像傳回水上操控臺(tái)；電力通過電纜流向電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成不同的電壓向各個(gè)需電裝置供電；傳輸?shù)闹噶钚盘?hào)經(jīng)過水下載體搭載的信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成上位機(jī)可以識(shí)別的串口通信協(xié)議，實(shí)時(shí)進(jìn)行操控。上位機(jī)連接著雙目視覺系統(tǒng)，對(duì)曝氣器的相對(duì)位置進(jìn)行解算，同時(shí)用聲吶測距系統(tǒng)進(jìn)行輔助。上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，讓下位機(jī)控制清洗裝置和推進(jìn)器完成相應(yīng)操作，而與下位機(jī)向連接的慣導(dǎo)系統(tǒng)，可以更快地讓水下載體校正速度和姿態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)及機(jī)械設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括選取電源模塊、充電模塊、穩(wěn)壓模塊、通信模塊、攝像采集圖像傳輸模塊和單片機(jī)控制。其間硬件設(shè)計(jì)中電源選取2塊4 200 mAh的8.4 V電源以及3塊5 200 mAh的16.8 V電源，穩(wěn)壓采用4塊逐飛生產(chǎn)的MP2482穩(wěn)壓模塊以及2塊專供12 V的2 596穩(wěn)壓模塊，其間MP2482可穩(wěn)出3.3 V直流電以及5 V直流電，3.3 V供給于單片機(jī)，5 V供給于機(jī)械臂舵機(jī)以及PC上位機(jī)以及慣導(dǎo)，12 V供給于圖傳以及6個(gè)推進(jìn)器，包括4個(gè)垂直推進(jìn)器以及2個(gè)水平推進(jìn)器，推進(jìn)器型號(hào)為ROV350KV，其適用電壓范圍為11～25 V，其在12 V下推力為1.74 kg，電流為7.5 A。

水下推進(jìn)器需要進(jìn)行水密封，通過測試驗(yàn)證水密性良好。無刷電調(diào)對(duì)占空比信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，來控制3線無刷電機(jī)。根據(jù)其特性：標(biāo)準(zhǔn)PWM信號(hào)脈沖時(shí)間：1 000～2 000μs之間，以1 500μs為0轉(zhuǎn)速，1 000～1 500μs反轉(zhuǎn)、1 500～2 000μs正轉(zhuǎn)。穩(wěn)壓模塊由高電壓轉(zhuǎn)為低電壓，為開關(guān)穩(wěn)壓，通過電路的開關(guān)來調(diào)節(jié)有效電壓值，得到器件適應(yīng)電源。整個(gè)機(jī)械臂共采用了6個(gè)舵機(jī)，有6個(gè)自由度，從機(jī)械的角度來說可以在一定范圍內(nèi)輕松抓取物體，有著良好的自由特性。依此得，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示、慣導(dǎo)電路的PCB設(shè)計(jì)如圖2所示、慣導(dǎo)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖2 慣導(dǎo)電路的PCB設(shè)計(jì)

圖3 慣導(dǎo)電路設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)主要包括密封艙體、端蓋設(shè)計(jì)、舵機(jī)支架、浮力材料和電纜。水下清洗曝氣盤機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的3D建模圖如圖4所示，外體結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，曝氣器抓取結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。其中，1為水下垂直推進(jìn)器提供垂直升力；2為浮力材料，為靜止載體提供額外的浮力；3為水下水平推進(jìn)器提供水平升力；4為水下載體框架用來搭載工具；5為水下清洗工具用來拆卸曝氣器；6為水下攝像頭用來進(jìn)行雙目視覺以及圖傳；7為水密電機(jī)用來拆卸曝氣器；8為絲杠提供定位機(jī)構(gòu)的移動(dòng)軌跡；9為螺母；10為定位機(jī)構(gòu)用來提高抓取曝氣器的成功率；11為卡箍用來固定曝氣器。

圖4 水下清洗曝氣盤機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括雙目視覺定位的目標(biāo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)解算相對(duì)位置以及目標(biāo)匹配跟蹤識(shí)別、聲吶的目標(biāo)測距、清洗器的壓力傳感匹配應(yīng)力抓取設(shè)計(jì)和慣性器件的解算以至于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器本體的測位測姿、機(jī)械臂壓力傳感匹配應(yīng)力抓取設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的運(yùn)行移動(dòng)以及姿態(tài)控制。

為了操作機(jī)械臂更加方便。在程序設(shè)計(jì)上，通過控制臺(tái)向機(jī)械爪發(fā)送期望位置，通過對(duì)機(jī)械臂的每個(gè)擺臂和關(guān)節(jié)的力學(xué)分解和控制每個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角讓機(jī)械爪處于期望的俯仰角、偏航角與滾動(dòng)角。機(jī)械臂的擺動(dòng)存在一定的范圍，為了保護(hù)舵機(jī)不出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要對(duì)其進(jìn)行占空比限幅，機(jī)械爪的操控程序流程如圖5所示。

圖5 機(jī)械爪的操控程序流程圖

操控臺(tái)根據(jù)圖傳畫面操控載體尋找曝氣器并清洗，由雙目視覺系統(tǒng)和聲吶測距系統(tǒng)共同輔助操控，并由慣導(dǎo)得到的速度、姿態(tài)信息通過控制水下推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)校正，當(dāng)曝氣器進(jìn)入清潔工具的捕捉范圍時(shí)，清潔工具捕捉并開始清洗。清洗曝氣器程序流程如圖6所示。

圖6 清洗曝氣器程序流程圖

聲吶通過計(jì)算發(fā)射出的聲脈沖返回時(shí)間得到目標(biāo)相對(duì)位置距離，根據(jù)脈沖發(fā)射來測量目標(biāo)的方位角，因此可以得到一個(gè)由反射脈沖強(qiáng)度和方位角組成的圖像。如圖7所示，待測目標(biāo)在點(diǎn)線范圍內(nèi)。

圖7 聲吶測距系統(tǒng)效果圖

用雙目視覺系統(tǒng)來對(duì)曝氣器的邊緣進(jìn)行提取以及測量方位，因?yàn)樵谒星逦炔灰欢M足要求，所以需要聲吶系統(tǒng)進(jìn)行輔助。如圖8所示，安裝在載體的兩個(gè)攝像頭在像素中對(duì)目標(biāo)提取有不一樣的定位，經(jīng)過標(biāo)定后再根據(jù)三角定位法得到目標(biāo)方位與相對(duì)距離。

圖8 雙目視覺系統(tǒng)效果圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種用于污水池中水下曝氣盤的清洗機(jī)器人，通過理論分析和實(shí)際設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

（1）采用Solidworks軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，依此建立起用于污水池中水下曝氣盤的清洗機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)。

（2）依據(jù)流程分析實(shí)現(xiàn)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，依此建立起用于污水池中水下曝氣盤的清洗機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)。

（3）完成了一種用于污水池中水下曝氣盤的清洗機(jī)器人總體設(shè)計(jì)分析，依此建立了以曝氣盤為對(duì)象的清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)。