賀鵬飛，唐少?gòu)?qiáng)，劉智博，張?jiān)婈?/p>

（安徽省滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

＊［基金項(xiàng)目］2021年安徽省滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目“基于DSP的水下機(jī)器人探測(cè)與搜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（編號(hào)：2021CXXL068）

水下機(jī)器人的運(yùn)行系統(tǒng)需要在復(fù)雜的水底環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，在水底可以搜集到的信息很少，不確定性高，將技術(shù)適當(dāng)進(jìn)行整合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，不但能夠提高水下的探測(cè)精度，而且可以適當(dāng)降低對(duì)單一的系統(tǒng)元器件的精度要求，從而降低系統(tǒng)總體的成本，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，增加系統(tǒng)的可靠性。

水下機(jī)器人有著廣闊的應(yīng)用前景，具有潛入浮出、可攜帶負(fù)載運(yùn)輸、動(dòng)作靈活等特點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與傳感器等感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、搜尋營(yíng)救、災(zāi)情視察、探測(cè)、預(yù)警、打撈和水質(zhì)檢測(cè)等。水下動(dòng)力控制技術(shù)已經(jīng)有成熟的理論基礎(chǔ)，如目前廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)的ROV等[1]。水下機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，探測(cè)和搜索技術(shù)是其所要具備的功能技術(shù)之一，依據(jù)自身?xiàng)l件進(jìn)行合理判斷，從而實(shí)現(xiàn)避障和探測(cè)監(jiān)測(cè)并傳遞出指定區(qū)域內(nèi)搜集到的信息。本文針對(duì)水下機(jī)器人探測(cè)與搜索這一特定問(wèn)題，探討指定區(qū)域內(nèi)信息探測(cè)方法。

1 系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

魚(yú)類(lèi)在水中擁有獨(dú)特的身體構(gòu)造，使其變得靈敏且特殊，為研究水下情況，按照魚(yú)的外形設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括機(jī)器主體部分、兩邊可拆卸的水平胸鰭、后方的垂直尾鰭、上下方的背鰭和腹鰭；所述主體為魚(yú)的外形殼體，機(jī)體上下左右后5個(gè)部位分別設(shè)有帶孔卡槽；所述的水平胸鰭是成對(duì)的，分開(kāi)成軸對(duì)稱(chēng)關(guān)系安置于機(jī)體左右兩邊；所述后方的垂直尾鰭安裝在所述機(jī)體的尾部卡槽；所述背鰭和腹鰭各有一件，分開(kāi)設(shè)在機(jī)身中段上下方，魚(yú)鰭部分都為空心殼體，減輕了質(zhì)量，使得其在水中能夠更加靈活輕盈且降低了成本。

真實(shí)的魚(yú)類(lèi)生物機(jī)體內(nèi)外條件難以完全真正實(shí)現(xiàn)模仿，為進(jìn)一步降低機(jī)器人的研發(fā)成本和使用成本并提高使用的便捷性，采用特殊的復(fù)合型材料以及木質(zhì)結(jié)構(gòu)體封閉結(jié)構(gòu)，再在表面涂上防水材料并貼上蒙皮，并對(duì)縫隙處進(jìn)行特殊防護(hù)處理，蒙皮上再進(jìn)行流線型處理，使機(jī)器人更接近仿真，水中游動(dòng)速度變快，更加耐用，外形更加美觀。在已有的技術(shù)上，摒棄了傳統(tǒng)的包裝外形設(shè)計(jì)和舊式材料，充分發(fā)揮了各個(gè)模塊的特點(diǎn)，使得機(jī)器人更加靈活輕便，更具有潛在的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 整體系統(tǒng)運(yùn)行原理

2.1 DSP成像識(shí)別

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，通過(guò)圖像分割、點(diǎn)運(yùn)算、區(qū)域邊界檢測(cè)、編碼壓縮、幾何變換、EM最大期望算法和Camera 3A算法等對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化處理。模擬信號(hào)需要用DSP（Digital Signal Processing）轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，待CCD（Charge Coupled Device）攝像頭搜集到可用信號(hào)便馬上將接收到的波形傳遞給DSP芯片，經(jīng)過(guò)再轉(zhuǎn)換成為可處理的量化信息，即CCD傳感器捕獲到模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采樣與預(yù)處理變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)，等進(jìn)入U(xiǎn)DSP（Utilizing Digital Signal Processor）芯片中，此時(shí)的信號(hào)便是以二維矩陣的方式存在的。

2.1.1 DSP處理器

DSP處理器是經(jīng)過(guò)特殊指令和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，能夠適應(yīng)DSP算法，處理運(yùn)算量大的系統(tǒng)，且編譯和執(zhí)行速率都高于普通芯片。在FFT（Fast Fourier Transform）、譜分析等方面正大量被引入[2]。DSP芯片按照用途劃分，通常可以分為專(zhuān)用型和通用型，通用型可以進(jìn)行指令編程，常用于普通的應(yīng)用裝置，而專(zhuān)用型則是為特定運(yùn)算而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。目前運(yùn)用最多的是通用型TMS320系列芯片。

2.1.2 DSP圖像處理實(shí)現(xiàn)

圖像處理主要可分為頻域處理和空域處理，頻域的處理本質(zhì)是卷積定理的應(yīng)用，圖像被轉(zhuǎn)換成波，再對(duì)其進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。與此不相同是空域處理，空域處理本質(zhì)是灰度映射的變換，是直接對(duì)圖像中像素進(jìn)行處理。

2.2 空間姿態(tài)傳感系統(tǒng)

為了使機(jī)器運(yùn)行更加穩(wěn)定、適應(yīng)能力更強(qiáng)，為主控制板帶上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合陀螺儀、加速度計(jì)和地磁[3]。把三軸角速率、三軸加速計(jì)、三軸磁場(chǎng)作為輸入，姿態(tài)角度作為輸出。經(jīng)過(guò)測(cè)試匹配，使用相應(yīng)的傳感器，經(jīng)過(guò)ARM（Advanced RISC Machine）處理器的轉(zhuǎn)換得到三維姿態(tài)信息和目標(biāo)方位的數(shù)據(jù)，共同組成空間姿態(tài)傳感系統(tǒng)，讓機(jī)器人在水中活動(dòng)更加靈活穩(wěn)定。ARM處理器有著體積小且功耗低的特點(diǎn)，加上16/32位雙指令集、用戶模式的強(qiáng)大性能，非常適合用于對(duì)成本和功耗敏感的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝置。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

根據(jù)系統(tǒng)的要求首先確定好目標(biāo)需求，經(jīng)過(guò)算法推測(cè)和預(yù)設(shè)，對(duì)目標(biāo)功能進(jìn)行模擬演示，確定好可行的方案之后，再根據(jù)其運(yùn)算的速率、誤差及儲(chǔ)存能力等參數(shù)對(duì)應(yīng)選擇合適的DSP芯片。

對(duì)芯片進(jìn)行多方面、多因素、多方式核算，評(píng)估可行性，單DSP與多DSP、串行和并行結(jié)構(gòu)等都是影響其處理能力的重要因素。進(jìn)一步優(yōu)化算法、高頻次完善性能。設(shè)計(jì)好合適的結(jié)構(gòu)，完成芯片的選擇，之后同步進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)與軟件的編譯，經(jīng)過(guò)軟硬件的反復(fù)調(diào)試與磨合，最終集成系統(tǒng)，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并依照數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳效果。

2.3.1 軟件、硬件設(shè)計(jì)

對(duì)各項(xiàng)需求進(jìn)行分類(lèi)，確定軟硬件分別需要完成的部分，分工完成，再根據(jù)技術(shù)需要進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)，繪制相應(yīng)的能夠滿足基本需求的電路原理圖。最后為硬件編寫(xiě)與之相符的滿足要求的DSP匯編語(yǔ)言程序，滿足軟件設(shè)計(jì)需求。

2.3.2 調(diào)試

硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，用硬件仿真器對(duì)硬件進(jìn)行仿真與調(diào)試，用DSP開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行軟件調(diào)試。將二者結(jié)合，同步進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)實(shí)時(shí)情況反饋來(lái)查看系統(tǒng)是否需要進(jìn)行相應(yīng)的改變和完善。

2.3.3 集成與測(cè)試

調(diào)試完成后，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成處理和測(cè)試，可直接在應(yīng)用系統(tǒng)上單獨(dú)運(yùn)行軟件，根據(jù)結(jié)果評(píng)估是否滿足目標(biāo)需求。由于軟硬件的匹配不是絕對(duì)成功的，需要多次匹配與磨合。因此，本階段需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)試和長(zhǎng)期優(yōu)化處理，一旦運(yùn)行與實(shí)時(shí)所需表現(xiàn)一致或者達(dá)不到目標(biāo)要求，就要進(jìn)行修改和再測(cè)試，如此反復(fù)直到完成目標(biāo)要求。

2.4 機(jī)器人的機(jī)身平衡技術(shù)

2.4.1 PID的選擇

PID（Proportion Integration Differentiation）控制的應(yīng)用有一定的魯棒性，其中P是比例，I是積分，D是微分，使用起來(lái)比較靈活，能夠達(dá)到更多的要求，更加適應(yīng)惡劣環(huán)境[4]。水底環(huán)境充滿未知和不確定性，對(duì)系統(tǒng)會(huì)有一定的影響，這也使得時(shí)變性和非線性等成為水下機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性，為了讓未知更加可控、降低潛在的損失與風(fēng)險(xiǎn)、提升性能，通過(guò)線性微分化或模型簡(jiǎn)化等方式簡(jiǎn)化為基本可控的非時(shí)變性和線性的可控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試和技術(shù)篩選以及成本把控，PID各方面都可以滿足條件，進(jìn)而使用PID控制。

2.4.2 PID控制方式

模擬控制系統(tǒng)中有眾多控制規(guī)律，使用較多的是PID控制規(guī)律，可控性較強(qiáng)。比例P控制調(diào)節(jié)反應(yīng)靈敏度，P較小時(shí)反應(yīng)較慢，P變大則加快系統(tǒng)反應(yīng)速度，速度提升，實(shí)時(shí)性提高，系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定，偶然出錯(cuò)率也被降低。積分I調(diào)節(jié)可以減小誤差；微分D反映誤差的變化速率。記錄相關(guān)數(shù)據(jù)條件，通過(guò)對(duì)PID各參數(shù)協(xié)調(diào)調(diào)控進(jìn)而對(duì)機(jī)體的速度大小和方向選擇進(jìn)行目標(biāo)把控，使機(jī)體維持平衡狀態(tài)。

2.5 超聲波避障與數(shù)據(jù)傳波

由于溫度、能見(jiàn)度、介質(zhì)等環(huán)境因素，GPS（Global Positioning System）信號(hào)無(wú)法穿透水面，水下機(jī)器人工作不能采用GPS進(jìn)行組合與定位導(dǎo)航，而聲波可在液體介質(zhì)中傳播，因此運(yùn)用超聲波避障與數(shù)據(jù)傳波，很好規(guī)避了信號(hào)無(wú)法傳播的問(wèn)題。

超聲波避障系統(tǒng)擁有發(fā)送機(jī)械波與接收聲波的2個(gè)信息通道；依靠DSP芯片核心控制器部分產(chǎn)生的可被檢波器監(jiān)測(cè)到的矩形脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)功率被發(fā)送通道處理之后再進(jìn)行放大，從而驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器形成超聲波并完成發(fā)送[5]；超聲波通過(guò)穩(wěn)壓裝置的前置放大濾波器提高分辨率和進(jìn)行降噪處理后傳遞給檢波器，再將接收到的信號(hào)傳輸?shù)胶诵目刂破鱀SP裝置中，提前調(diào)整自身的姿態(tài)或轉(zhuǎn)變方向來(lái)躲避或繞道，從而達(dá)到避障效果[6]。

2.6 傳感器的防水問(wèn)題

普通的傳感器外形設(shè)計(jì)基本為圓柱體的復(fù)合塑料外殼，對(duì)其進(jìn)行浸入水中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明防水效果較差。因此需要對(duì)所使用的傳感器進(jìn)一步做防水處理，在不損壞傳感器的條件下，對(duì)傳感器加熱，提高內(nèi)部溫度，增加內(nèi)部壓強(qiáng)，迫使內(nèi)部空氣排出，之后快速將傳感器浸入到常溫的凡立水中；隨著溫度的降低，凡立水由于內(nèi)外壓強(qiáng)差附著到傳感器的縫隙和表面，之后取出，放置在室外干燥處，待外部涂層自然風(fēng)干便可使用，如此便可以使其防水效果得以提升，能夠基本滿足防水要求[7-8]。

3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[9-10]

機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)驅(qū)動(dòng)微電機(jī)，市面上大部分魚(yú)型機(jī)器人利用自身作為助推器，進(jìn)行S形擺動(dòng)，機(jī)體左右協(xié)調(diào)擊水?dāng)[動(dòng)，作用于水，再通過(guò)流體給予的反作用力獲得整體前進(jìn)的推力。水下機(jī)器人使用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)扇形橡膠尾鰭左右擺動(dòng)，模擬大自然中的魚(yú)類(lèi)，通過(guò)擺動(dòng)尾鰭進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在水中變向式游動(dòng)，達(dá)到仿生效果，使機(jī)器魚(yú)能夠在水中游動(dòng)的過(guò)程中降低自身耗能，提高能量利用率，增加持久力。

3.1 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的作用是對(duì)電路所輸出的脈沖進(jìn)行相應(yīng)的頻率和周期等信息的放大，進(jìn)行轉(zhuǎn)換和濾波處理，從而給逆變裝置提供通斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。將電子電路信號(hào)接收后按照需求轉(zhuǎn)化到電子器件上，實(shí)現(xiàn)通斷效果。

3.2 舵機(jī)工作原理

接收器把控制信號(hào)傳遞到信號(hào)調(diào)制裝置中，調(diào)制處理完畢，便獲得相應(yīng)的偏置電壓。內(nèi)置的基準(zhǔn)電路產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)，電位器電壓和偏置電壓形成電壓差，產(chǎn)生輸出并驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界值時(shí)，可以通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸降低電壓差，當(dāng)電壓差減小直至為0時(shí)，電機(jī)便停止工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)分為DSP芯片核心處理系統(tǒng)、超聲波避障系統(tǒng)、快速反應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、快速反應(yīng)系統(tǒng)、三相電機(jī)控制系統(tǒng)，水下機(jī)器人入水進(jìn)行搜索和檢測(cè)，各系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)避障與游動(dòng)前進(jìn)。通過(guò)DSP和各個(gè)控制器將各模塊控制調(diào)度和數(shù)據(jù)處理發(fā)送給中央處理器云端，經(jīng)過(guò)中央處理器云端處理后顯示下一步的工作模式與處理方案。

基于DSP的避障和傳輸技術(shù)等智能環(huán)境開(kāi)發(fā)，目標(biāo)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人穩(wěn)定控制、自動(dòng)避障技術(shù)和基于PID的機(jī)身平衡技術(shù)。使用水下機(jī)器人處理各種問(wèn)題，如可以實(shí)現(xiàn)水下搜索和探測(cè)等?？罩衅脚_(tái)的研究可以向水面和水中研究領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展，使數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和人機(jī)同步等技術(shù)得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用。