王 歡

（南京工程學院機械工程學院，江蘇 南京 210043）

引言

智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的主攻方向。智能制造在我國獲得了快速發(fā)展的新契機，已成為我國現(xiàn)代先進制造業(yè)新的發(fā)展方向。新常態(tài)下，有過制造業(yè)輝煌的江南智能制造業(yè)，當前應對以數(shù)字化制造和網(wǎng)絡化組織為主要特征的新工業(yè)革命，是江南智能制造業(yè)的重大歷史課題。機器人的研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。江南智能制造業(yè)全面把握制造行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，迎接智能制造時代浪潮，進一步促進傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級，對實現(xiàn)經(jīng)濟又好又快發(fā)展具有重要意義[1]。

政府引導，企業(yè)、高校和科研院所聯(lián)合，建設一批機器人產(chǎn)業(yè)控制技術、驅動技術、傳動技術和傳感通訊技術等共性技術研發(fā)平臺，推進機器人產(chǎn)業(yè)升級協(xié)同發(fā)展。強化機器人共性技術標準研制提高國際標準轉化率。

傳統(tǒng)水下機器人移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)，采用固定輸入模式，利用載入離線地圖的方式，進行路徑的規(guī)劃[2]。當行至復雜水域，或為能夠提前獲得準確的離線地圖，水下機器人移動存在較大的安全隱患，具體表現(xiàn)為無法到達目的地，行駛較遠距離到達目的地，移動過程中與其他障礙物產(chǎn)生刮碰等現(xiàn)象，存在移動路徑規(guī)劃不準確的不足，為此提出水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)?；谒聶C器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)整體結構設計，依托超聲波技術，設計路徑識別空間三維傳感器，完成了其硬件設計，依托水下障礙物的三維識別過程設計，和路徑智能規(guī)劃算法設計，完成了其軟件設計，實現(xiàn)水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)設計。為了保證設計的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的準確性，模擬障礙物基本形態(tài)，進行仿真試驗驗證，試驗結果表明，提出的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)具有較高的準確性。

1 水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)硬件設計

1.1 水下機器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)整體結構設計

水下機器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)是嵌入水下機器人內(nèi)部的一種執(zhí)行系統(tǒng)，為機器人判斷路徑，選擇正確的路徑，到達目的地。從水下機器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)整體上看，硬件結構可分為4個部分，即控制中心、時基分析器、示波器、檢波器、路徑識別空間三維傳感器，如圖1所示。

控制中心存放控制算法、識別算法等，通過數(shù)據(jù)的調(diào)取與分析，判斷傳感器前是否存在障礙物，并發(fā)出水下機器人的是否移動命令[3]。控制中心是水下機器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的中央管理機構。

路徑識別空間三維傳感器，是通過壓電晶片發(fā)出超聲波，利用超聲波干涉和衍射的現(xiàn)象，判斷傳感器前端是否存在障礙物。路徑識別空間三維傳感器是水下機器人位移路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的門戶機構，在下一節(jié)，將系統(tǒng)分析路徑識別空間傳感器的設計。

檢波器是對路徑識別空間三維傳感器，獲得的反射波進行辨別，確定是否為障礙物，將判斷的結果，傳輸至示波器與控制中心，控制中心對水下機器人位移路徑進行控制，也可通過控制人員依據(jù)示波器顯示，人為的判斷是否為障礙物，進行人為的控制[4]。

時基分析器，是水下機器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的時間機構。由于路徑識別空間三維傳感器發(fā)射超聲波，和接收設備進行接收超聲波，再到分析超聲波數(shù)據(jù)，再到命令的傳輸，需要對時間的控制，以及對原有時間所行駛的位移，進行一定的預判，所以時基分析器尤為重要[5]，時基分析器是衡量水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)能否正常運行的核心機構。在執(zhí)行水下機器人位移指令前，工作人員應對時基分析器進行有效的校驗，防止因數(shù)據(jù)不準確而造成位移規(guī)劃不準確的現(xiàn)象。

1.2 路徑識別空間三維傳感器設計

路徑識別空間三維傳感器是水下機器人位移路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的重要組成部分。該傳感器是用來顯示傳感器前方是否存在障礙物的執(zhí)行機構，與常規(guī)傳感器不同，路徑識別空間三維傳感器是針對水下機器人路徑識別特殊設計，能夠三維地顯示水下機器人前端是否存在障礙物，并且能夠判斷出前端一定距離是否存在障礙物，與聲吶技術相似，其設計的路徑識別空間三維傳感器結構圖如圖2所示[6]。

圖2中，1代表路徑識別空間三維傳感器的外殼，為保證一定的強度通常選用S32205型雙相鐵素體奧氏體不銹鋼制成。在強堿環(huán)境中選擇聚碳酸樹酯制成。2代表晶片調(diào)節(jié)質量塊，晶片調(diào)節(jié)質量塊的目的是，通過不斷調(diào)整質量塊的重量，改變不同的壓電晶片發(fā)射頻率[7]，從而獲得不同能力的超聲波，用于近處識別以及遠處識別。3代表電極夾成，與5引線相連接，控制路徑識別空間三維傳感器的運行，連接壓電晶片與質量塊，提供必要的電能，使之正常工作。

4代表壓電晶片，是產(chǎn)生超聲波的原件，壓電晶片通過高頻振動，產(chǎn)生不同頻率的超聲波，用于發(fā)現(xiàn)前端是否存在障礙物，而壓電晶片產(chǎn)生超聲波的頻率，是由2質量塊所決定的。6代表超聲波反射接收裝置，與4不同，4為產(chǎn)生并發(fā)出超聲波的裝置，而超聲波反射接收裝置是，根據(jù)發(fā)射的超聲波打在障礙物體上，障礙物體反射超聲波，通過識別反射的超聲波大小，反射超聲波的面積，而確定障礙物的大小。

5代表引線，引線是連接水下機器人路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的傳輸裝置，將路徑識別空間三維傳感器所獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)送至控制中心，控制中心根據(jù)控制算法、識別算法對水下機器人的位移路徑進行控制，從而完成其水下機器人位移路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的硬件設計。

2 水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)軟件設計

水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)軟件設計，主要包括障礙物三維識別過程設計，移動路徑智能規(guī)劃算法設計兩部分。

2.1 水下障礙物的三維識別過程設計

水下障礙物三維識別過程設計是其路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)軟件的程序設計。通過確定識別水下障礙物的流程，利用計算機計算的優(yōu)勢，進行不間斷的數(shù)據(jù)計算，當發(fā)現(xiàn)障礙物時選擇科學的避讓方式，使水下機器人順利的到達目的地，其水下障礙物的三維識別過程如圖3所示。

當路徑識別空間三維傳感器發(fā)射出超聲波時，超聲波識別裝置進行識別，若超聲波，未能識別到回波，則代表該三維傳感器前無障礙物，一個單獨行進的水下機器人，上下左右至少安裝6個三維傳感器，以保證能夠全面的獲取水下障礙物信息。若超聲波識別裝置能夠識別出回波，那么根據(jù)檢波器和示波器確定反射超聲波的頻率和有效波長。

超聲波具有波動性，存在干涉和衍射的現(xiàn)象，水下機器人不同方向的三維傳感器，發(fā)射不同的超聲波，不同的超聲波間存在干涉和衍射，根據(jù)水的深度確定超聲波的發(fā)射頻率，一般介于2.5~5 MHz之間。當識別的超聲波，頻率遠遠低于2.5 MHz，則說明該回波為非障礙物反射回波。如果識別的超聲波，頻率遠大于5 MHz時，需判斷干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾頻率后再進行分析。若確定該波為干擾波，則認定三維傳感器前無障礙物，若認定非干擾波則進行，障礙物的計算，根據(jù)障礙物的計算規(guī)劃出合理的避讓路徑。其障礙物的計算主要依托于水下機器人移動路徑智能規(guī)劃算法設計進行計算。

2.2 水下機器人移動路徑智能規(guī)劃算法設計

水下機器人移動路徑智能規(guī)劃算法主要涉及三個部分，首先是對障礙物與水下機器人的距離確定，確定障礙物與水下機器人的有效距離，三維傳感器壓電晶片直徑x是為控制中心提供避讓路徑所需的重要參數(shù)，其中計算公式，可用公式（1）表示[8]：

式中：f代表超聲波接收裝置所接收到的頻率，MHz；ak代表示波器所顯示的波長，nm；x代表設計的三維傳感器壓電晶片的直徑，mm；τk代表三維傳感器發(fā)射超聲波與發(fā)射超聲波所獲得的角度，°。

根據(jù)獲得障礙物與水下機器人的有效距離，判斷障礙物的基本形狀，避免與水下機器人產(chǎn)生刮碰。超聲波接收裝置所接收到的超聲波會隨障礙物的體積增大而增大，并且障礙物是一個封閉的物體，根據(jù)反射波形狀可確定一個二維的閉環(huán)函數(shù)，由于超聲波不具有穿透性，所以水下機器人位移路徑選擇控制中心，可獲得一個平面的障礙物曲線，如公示（2）所示：

式中：ρ代表反射波壓強，MPa；σ0代表反射波弧度，°。同理，根據(jù)水下機器人的試探性運動，確定不同障礙物之間的關系，發(fā)現(xiàn)某障礙物與另一障礙物之間，存在可以駛過的距離，則水下機器人選擇有效的路徑進行移動。當發(fā)現(xiàn)周圍均為障礙物時，可根據(jù)記憶系統(tǒng)，快速回退至上一分叉路口，重新選擇，直至水下機器人到達目的地。完成了水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)設計。

3 仿真實驗

為了保證設計的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)對有效性，進行仿真試驗，試驗過程中選擇傳統(tǒng)的水下機器人移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)作為對比對象，驗證水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的準確性。

3.1 數(shù)據(jù)準備

實驗數(shù)據(jù)的準備主要包括模擬水下復雜試驗環(huán)境，模擬兩種不同的路徑規(guī)劃系統(tǒng)指揮水下機器人進行移動。根據(jù)模擬不同復雜的實驗環(huán)境，分析兩種路徑規(guī)劃系統(tǒng)的水下機器人，到達目的地的所用時間，以及是否與障礙物產(chǎn)生刮碰。

模擬的水下復雜實驗環(huán)境包括，海藻、移動的魚類、起伏不定的海床、以及其他障礙物。其大小包括0.1 D～10 D（D為水下機器人最大截面長度）。

3.2 實驗過程

實驗共分為三個過程，其一為水下機器人水中潛伏路徑規(guī)劃實驗，其二為水下機器人水底位移路徑規(guī)劃實驗，其三為水下機器人水面水中水底復雜路徑位移規(guī)劃實驗。實驗過程中水下障礙物系數(shù)作為自變量，判斷兩種水下機器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃準確性。

水下障礙物系數(shù)R是水下障礙物的總體積占所模擬的總環(huán)境總體積（包含障礙物體積以及水的體積）之比，如公式（3）所示：

式中：V1代表水下障礙物的總體積，m3；V2代表水的總體積，m3。即水下障礙物系數(shù)越大，水中障礙物越多，水的體積越少，水下機器人需要避開的障礙物越多。

本次模擬的水下環(huán)境（包含障礙物體積以及水的體積）共100 m3，水下障礙物系數(shù)最大為0.8（當水下障礙物系數(shù)大于0.8時，不能保證模擬的水下環(huán)境，存在一條有效的到達目的地路徑），障礙物中海藻、移動的魚類、起伏不定的海床、以及其他障礙物的體積比為1∶1，障礙物為均勻分布。

實驗過程中，首先將兩種水下機器人位移路徑規(guī)劃系統(tǒng)載入仿真軟件，按照設定的障礙物系數(shù)進行水中潛伏路徑規(guī)劃、水底位移路徑規(guī)劃、水面水中水底復雜路徑位移規(guī)劃仿真實驗。將在同一障礙物系數(shù)下，同種路徑規(guī)劃實驗下，記錄到達目的地所用時間，得出兩種水下機器人位移路徑規(guī)劃系統(tǒng)，的規(guī)劃準確性。

3.3 實驗結構分析

根據(jù)實驗過程的設定，進行仿真實驗，得出兩種水下機器人移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)的所用時間數(shù)據(jù)表，如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

從上表中可以看出，提出的水下機器人，移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)，受障礙物影響較小，在障礙物較多時也能夠絞快速的實現(xiàn)到達目的地。而傳統(tǒng)水下機器人位移路徑規(guī)劃系統(tǒng)，在障礙物達到一定數(shù)量時，到達目的地所用時間會急劇增加，同時會伴隨著水下機器人與障礙物發(fā)生刮碰的現(xiàn)象，當障礙物系數(shù)為0.8時，傳統(tǒng)的水下機器人移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)以無法指揮水下機器人到達目的地。

根據(jù)得到的到達目的地所用時間，進行路徑規(guī)劃準確性計算。水下機器人路徑規(guī)劃準確性B計算公式，如公式（4）所示：

式中：W代表障礙物系數(shù)；Q代表到達目的地所用時間，s，若無法到達目的地，則Q為正無窮；n代表試驗次數(shù)；c代表初始狀態(tài)值。

將實驗參數(shù)代入路徑規(guī)劃準確性計算公式中，得出傳統(tǒng)水下機器人移動路徑規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃準確率為37.42%，提出的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃準確率為87.43%，從而得出提出的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)，較傳統(tǒng)方法規(guī)劃準確率提高50.01%。因此，該系統(tǒng)適合復雜水域的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃。

4 結語

基于水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)的硬件設計，與軟件設計，實現(xiàn)了提出的水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)設計，試驗數(shù)據(jù)表明，設計的智能規(guī)劃系統(tǒng)具有較高的規(guī)劃準確性，希望本文的研究，能夠為水下機器人移動路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)設計提供理論參考。