一種模塊化水下機器人的設計

金碧霞

（中國船舶重工集團第七一○研究所，湖北 宜昌443003）

0 引言

中船重工第710研究所研制開發的某探測型水下機器人，其配置有3個導管螺旋漿，用以實現水下機器人的潛浮、進退和轉彎等水下空間運動。搭載有高分辨率圖像聲納和水下電視，用于目標搜索和識別。裝備有深度計、磁羅經和聲應答器等先進傳感器，實現水下機器人的導航運動控制。采用光電復合臍帶電纜供電和傳輸通訊及信號。該機器人是一種小型ROV，能夠從各種支持平臺上布放。主要用于湖泊河道和近海等水域，完成水下觀察、水下記錄和水下搜索等水下作業任務。

1 方案制定

沒有一種能完成所有任務的全功能機器人，因此，首先要依據任務使命和工作環境，構建系統的軟硬件體系［1］。機器人要在湖泊河道等狹小水域中工作，就要求其在滿足耐壓、水密、負載和速度的前提下，具有體積小、運動靈活的特點。而機器人要完成探測和打撈任務，就需要在有限的空間裝載多種傳感器來進行目標識別、環境探測。整個機器人是一個整合了探測識別系統、動力推進系統和綜合控制系統的大系統。這就要求有完善的系統集成設計和電磁兼容設計，才能確保控制與通訊信息的暢通，以提高機器人的可靠性［1］。

綜合考慮，將機器人采用模塊化設計思想，按各功能模塊分為探測識別艙段、動力推進艙段、控制艙段和艉部去流艙段。各艙段采用O型橡膠密封圈徑向密封，通過螺釘連接組成水下機器人的回轉體流線型外形，以減小水流阻力，降低能耗。艙段連接方式如圖1所示。

圖1 各艙段的連接

2 艙段設計

探測識別艙段又稱艏部迎流艙段，為水密半球形。動力推進艙段、控制艙段為圓柱形水密筒體，艉部去流艙段為非水密的圓錐形。水密艙采用高強度的鋁合金材料制作，殼體成型后進行陽極氧化、鉻酸鹽封閉處理。非水密艙段采用重量輕、成形方便和修理容易的玻璃鋼材料制作。在機器人殼體外表面涂覆防腐油漆，以提高耐海水腐蝕能力。

2．1 探測識別艙段

探測識別艙段主要裝有高分辨率圖像聲納和水下電視，為了更好地觀察識別目標，在艙內還設計有一套俯仰機構，可以使探測識別組件在－90°～45°的縱截面（垂直面）角度內進行俯仰動作。為保證艙段不因自重而下垂，俯仰機構采用帶有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動，并用電位計作為角度檢測傳感器，俯仰角度信息可在水面控制臺屏幕上顯示，以方便操作人員對水下機器人進行操縱和控制。圖像掃描聲納可在低能見度的水體中對周圍環境進行聲學掃描，用于水下目標識別、避障或者水下目標聲成像。聲納通過機械旋轉實現聲學掃描聲納，可進行聲學放大、及時反轉和扇區掃描。軟件可對發射頻率、增益、聲納作用距離、掃描扇區和速度／分辨率等進行設置。水下電視包括1個攝像機及2個照明燈。其中2個照明燈以向下約30°的角度固定布置在攝像機兩側，可隨俯仰機構在縱截面內轉動，保證近距離識別時對水下攝像機視場的覆蓋。

2．2 動力推進艙段

動力推進器采用模塊化設計，通過電機直接驅動導管螺旋漿轉動。由推進電機、連接架、螺旋槳、導流罩和傳動軸等組成。動力推進器結構如圖2所示。機器人的水下潛浮、進退和轉彎運動是通過2個水平推進器和1個垂直推進器組合配置方式來實現的，其中水平推進器以外掛方式布置在航行體左右兩側，垂直推進器以槽道的方式布置在艙段中間一個貫穿的筒體內。控制3個導管螺旋漿的正轉、反轉、差速和同速轉動，從而實現機器人的水下空間運動。當左右2個螺旋漿以相同轉速同向轉動時，可實現機器人沿直線前進或后退；當左右2個螺旋漿以相同轉速反向轉動時，可實現機器人原地轉動；當左右2個螺旋漿以差速轉動時，可實現機器人轉彎。垂直螺旋漿可實現機器人水下下潛和上浮。推進器電機控制板安裝固定在動力推進艙內，通過水密插座和水密電纜與艙外進行電氣連接。

圖2 動力推進器結構

2．3 控制艙段

控制模塊是水下機器人的大腦，它擔負著水下機器人的控制命令的發送，反饋狀態信息的接收以及各種數據的處理等重要信息。控制模塊采用分布式控制系統，分為水上模塊和水下模塊。水下模塊主要包括中央控制單元、傳感器單元和通信單元。

中央控制單元是水下機器人的控制核心，實時接收操控臺的指令并按照指令控制各執行部件。控制軟件主要包括多媒體視頻顯示、串行通訊、數據采集與處理、I／O控制、航向控制、深度控制和安全性控制等模塊。控制硬件采用PC104總線計算機，在其運行Vx Works嵌入式操作系統，以實現系統實時性和遙控操作性［2］。通過A／D采集接口接收水下航行體各傳感器信息，通過數字量輸入接口采集電機各狀態參數，所有水下航行體狀態參數經微處理控制器處理后，通過通訊接口送至水面顯控臺顯示。采用D／A接口電路來控制各推進電機。執行機構控制電路主要用開關量輸出驅動繼電器的方式，來控制各執行機構的動作。機器人的水下控制系統硬件組成如圖3所示。

圖3 水下控制系統硬件組成

傳感器包括2種類型，測量運行狀態的傳感器（深度計、磁羅盤和聲應答器）和測量自身安全的傳感器（漏水檢測器）。選擇高精度壓力傳感器作為深度檢測設備，利用深度偏差信號作為深度控制系統的主控信號。深度控制系統采用經典的PID調節方法，通過參考模型對其進行參數整定。為提高航向的控制精度，增強抗干擾能力，采用閉環航向角控制，航向角的檢測傳感器選擇磁羅經。主平臺通過自身的聲納詢問安裝在航行體背部的應答器，實現航行體的跟蹤和定位。

水下機器人的耐壓艙不僅用來裝載電子功能設備和傳感器，還要提供機器人航行時的浮力，因此，要有可靠的密封。為保證機器人正常工作和航行安全，在每個艙段均設計有漏水檢測器。漏水檢測器分別接在不同的I／O端口，控制臺可具體地判斷每個模塊艙的安全情況，提高了檢測效率。

2．4 艉部去流艙段

水下機器人在水中運行時，不可避免地會受到水體粘性阻力的影響，不利于水下機器人低阻力、高效率的空間運動［3］。所以減小行進阻力及動力消耗是設計中的一個主要關鍵點。艉部去流艙段與艏部半球迎流艙段、舯部圓柱艙段組成水下機器人的流線型外形。為保證機器人的水中運行平穩，在殼體外表面配置有4個穩定翼板，成“十”字形布置。

3 通訊及信號傳輸

機器人的通訊及信號傳輸由存儲在電纜絞車上的光電復合臍帶電纜來完成，同時光電復合臍帶電纜也傳輸航行體所需的電力。光端機是信號傳輸的樞紐，光端機將視頻信號、聲納信號和機器人的各種狀態信息進行調制處理，并轉換為光信號，通過光電復合臍帶電纜內的光纖傳輸到水面控制臺，由光纖通訊裝置轉換為電信號，在水面控制臺屏幕上顯示。同時，光端機也接收水面控制臺光纖通訊裝置發送來的光信號，并轉換為電信號送給航行體水下控制單元以實現對機器人的水下運動控制。機器人通訊及信號傳輸如圖4所示。

圖4 通訊及信號傳輸

4 結束語

2011年，分別在湖北清江和漳河水庫對模塊化設計的探測型水下機器人進行試驗。將一個模擬目標預先用浮標吊掛在水下，操縱水下機器人到達預定水域，當聲納搜索探測到可疑目標后，操作人員在聲納的導引下，操縱水下機器人進一步接近目標點，并利用聲納或水下電視觀察識別目標。試驗取得了令人滿意的結果，該水下機器人有良好的機動性，能滿足進行水下作業所需的運動控制要求，所采集到的數據也能較好地反映目標的實況。

［1］ 徐玉如，李彭超．水下機器人發展趨勢［J］．自然雜志，2011，33（3）：125－132．

［2］ 孫玉山，龐永杰，萬 磊，等．堤壩檢測水下機器人GDROV方案研究［J］．船海工程，2006，（1）：84－86．

［3］ 宋思利，劉甜甜，康凱燦，等．自主水下機器人機械結構設計與實現［J］．機器人技術與應用，2012，（4）：29－31．