一種輕小型智能掃雷機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱旭芳，馬知遠(yuǎn)，潘 麗

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

一種輕小型智能掃雷機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱旭芳，馬知遠(yuǎn)，潘 麗

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

針對(duì)傳統(tǒng)掃雷方式的弊端，結(jié)合智能水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款具有遙控和自主雙模式操作的輕小型掃雷機(jī)器人。能通過(guò)雙視頻攝像頭對(duì)小范圍的目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，機(jī)械手自動(dòng)或手動(dòng)遙控完成排雷，工作期間實(shí)時(shí)捕捉水下畫面，記錄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。系統(tǒng)以STC15單片機(jī)為核心，由動(dòng)力系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)四大部分組成，采用了圖像識(shí)別、滑模控制及柔性傳動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能完善，相關(guān)技術(shù)可在水下機(jī)器人中推廣使用。

掃雷機(jī)器人；圖像識(shí)別；滑模控制；柔性傳動(dòng)

0 引言

目前我國(guó)海軍在反水雷戰(zhàn)和排雷中主要依靠掃雷艦上的聲納進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與定位[1-3]，但是這種方法有明顯缺陷，例如難以探測(cè)到沉底雷或埋在泥沙中的水雷，掃雷效率不高；掃雷艦自身的磁聲電特性隨時(shí)都有引爆水雷的可能；掃雷艦隨時(shí)可能受到敵機(jī)、岸炮和導(dǎo)彈的襲擊，容易造成人員傷亡。如果采用水下機(jī)器人進(jìn)行掃雷則可以有效解決上述諸多問(wèn)題。

水下機(jī)器人是一種綜合了人工智能和其它先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的任務(wù)控制器，水下機(jī)器人分為遙控潛水器(Remotely Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱 ROV)和自治潛水器(Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱 AUV)兩種。其中ROV動(dòng)力充足、工作快捷方便、數(shù)據(jù)采集量大，但由于機(jī)身自帶線纜，不適合長(zhǎng)距離水下作業(yè)。AUV不受電纜限制、活動(dòng)范圍大、機(jī)動(dòng)性好、安全智能、隱蔽性好，但遠(yuǎn)程續(xù)航能力不足，人機(jī)交互水平和總體決策能力不高，因此各國(guó)都在研究如何將ROV和AUV有效結(jié)合，最大限度地發(fā)揮水下機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。

目前，美國(guó)、日本、俄羅斯等水下技術(shù)較發(fā)達(dá)的國(guó)家建造了數(shù)百個(gè)智能水下機(jī)器人，用于海洋開(kāi)發(fā)和軍事作戰(zhàn)[4-6]。我國(guó)智能水下機(jī)器人技術(shù)的研究起步較晚，主要研究機(jī)構(gòu)包括中國(guó)科學(xué)院、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和哈爾濱工程大學(xué)等，目前已經(jīng)完成智能水下機(jī)器人太平洋深海考察工作，達(dá)到了實(shí)用水平。綜合目前各方面的技術(shù)來(lái)看，智能水下機(jī)器人總的技術(shù)水平仍處在研究、試驗(yàn)與開(kāi)發(fā)階段，仍有大量的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)需要突破：①總體布局設(shè)計(jì)。依據(jù)任務(wù)和工作需求，結(jié)合使用條件，對(duì)水下機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)、流體性能、動(dòng)力系統(tǒng)、控制與通訊方式進(jìn)行優(yōu)化，提高有限空間的利用效率；②采用小型化技術(shù)。個(gè)體小、機(jī)動(dòng)靈活、隱身性好、布施方便的小型機(jī)器人，非常適合進(jìn)行智能化水下作業(yè)；③完善的集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。智能水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要一個(gè)系統(tǒng)來(lái)保障運(yùn)動(dòng)與定位的精度，此系統(tǒng)需要集成信息融合、故障診斷、容錯(cuò)控制策略等技術(shù)；④目標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別。由于海洋環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，目前對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的技術(shù)大都依靠聲納成像，而基于聲納圖像的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別可靠性和精確性仍然不高。

為此，針對(duì)傳統(tǒng)掃雷方式的弊端，結(jié)合智能水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款具有雙模式小型水下機(jī)器人。采用視頻攝像頭完成小范圍的精準(zhǔn)探測(cè)，既能像 AUV一樣自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與定位工作，當(dāng)水下機(jī)器人找到目標(biāo)后，可迅速轉(zhuǎn)換成ROV，操作人員遙控完成精準(zhǔn)排雷工作。將這種新型水下機(jī)器人大規(guī)模的用于反水雷戰(zhàn)爭(zhēng)，可有效地防止水雷威脅，大大提高反水雷行動(dòng)的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、圖像采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)4部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)總體功能實(shí)現(xiàn)依靠單片機(jī)STC15控制，圖像采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)拍攝水底和前方畫面，然后從經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)中提取目標(biāo)信息，傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)控制動(dòng)力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水中的行進(jìn)、俯仰和抓取等動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)合理的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7-9]，再輔以相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水下作業(yè)；在遙控和自主工作模式下，均能通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)物的探尋和抓取；巡檢過(guò)程中能實(shí)時(shí)傳輸水下畫面，構(gòu)建三維水下環(huán)境模型，并記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)包括重力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)[3-4]。浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中利用重力塊的滑動(dòng)對(duì)姿態(tài)縱傾角進(jìn)化調(diào)節(jié)，從而使機(jī)器人能夠在水下垂面任意角度保持穩(wěn)定。結(jié)合正反螺旋槳推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速沉浮，擴(kuò)大機(jī)械手的作業(yè)空間。同時(shí)，在算法中采用滑模控制方法，使機(jī)器人在水下姿態(tài)保持穩(wěn)定。加入干擾器對(duì)各種干擾項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)，大大消弱了抖振。動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)包括電機(jī)、螺旋槳、柔性傳動(dòng)裝置等。電源對(duì)電機(jī)供電，電機(jī)通過(guò)柔性傳動(dòng)裝置，克服軸系對(duì)中問(wèn)題，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而為機(jī)器人的各種活動(dòng)提供動(dòng)力。

本設(shè)計(jì)中縱傾角的調(diào)節(jié)靠移動(dòng)體積、重量較大的重力塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，位于水密艙中部，后期可以將重力塊換成蓄電池，既節(jié)省空間，又能增強(qiáng)續(xù)航能力。

2.2 圖像采集處理系統(tǒng)

圖像采集處理系統(tǒng)[10]控制包括工控機(jī)EBOX-2350MX、圖像采集卡、攝像頭、LED光源等裝置。用于對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行處理，存儲(chǔ)六軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)行軌跡等。

本系統(tǒng)采用雙攝像機(jī)鏡頭。攝像機(jī)采用深圳翔飛科技有限公司型號(hào)為SF-203G的彩色CCD模擬攝像機(jī),其CCD類型為1/3英寸SONY CDD,420線512×582 pixels;鏡頭采用f1.4,焦距為6 mm～15 m的CCD普通鏡頭,光圈大小也可以調(diào)節(jié)。

圖像采集卡采用的是陜西維視的雙路輸入、可進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集的MV-8002 PCI圖像采集卡。該圖像采集卡能進(jìn)行10位A/D轉(zhuǎn)換,支持C++及OPENCV的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件基于Windows7的VisualC++ 2008及IntelOPENCV開(kāi)源視覺(jué)庫(kù),攝像機(jī)內(nèi)外參標(biāo)定、圖像處理、圖像特征提取、標(biāo)定、定位算法等都是由PC機(jī)來(lái)完成。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括控制器、六軸加速度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、遙桿等幾個(gè)部分。控制器為單片機(jī)STC51，用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速及方向、直線電機(jī)的轉(zhuǎn)停、水泵的轉(zhuǎn)停以及機(jī)械手的抓取。六軸傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)器人六個(gè)自由度的加速度，由單片機(jī)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的平衡。

本系統(tǒng)中的螺旋槳采用轉(zhuǎn)動(dòng)式柔性傳動(dòng)。將推進(jìn)裝置輸出軸布置在狹小和不規(guī)則的空間內(nèi)，使得整體結(jié)構(gòu)更加趨于合理。并可以適當(dāng)彎曲，防止振動(dòng)，避免損壞連接部件。如果不采用柔性傳動(dòng)，電機(jī)置于機(jī)器人外部，必須作水密處理，加大了制作與設(shè)計(jì)難度，而且降低了可靠性。通過(guò)運(yùn)用柔性傳動(dòng)，推進(jìn)電機(jī)可以放在機(jī)器人內(nèi)部，避免了水密，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2.4 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要包括機(jī)械手、耐壓高透外殼、水泵、循環(huán)冷卻銅管。機(jī)器人在水下工作，因此必須加裝水密性好、耐壓強(qiáng)的外殼。鎖定目標(biāo)后，操縱人員利用機(jī)械手完成水下作業(yè)。在作業(yè)過(guò)程中，各元件會(huì)發(fā)熱導(dǎo)致系統(tǒng)非正常工作。水泵與循環(huán)冷卻銅管共同用于對(duì)各發(fā)熱元件降溫，增強(qiáng)機(jī)器人的工作可靠性。

利用SolidWorks對(duì)此型水下機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并確定其每一個(gè)部分的具體尺寸與裝配方法，主要包括外殼、配重塊、計(jì)算機(jī)、電機(jī)、軸封、電池、螺旋槳、機(jī)械手、攝像頭等重要部件。其模型圖如圖2所示。

圖2 水下機(jī)器人模型

各部分部件分別用相應(yīng)工藝進(jìn)行加工。經(jīng)過(guò)浮力與重力計(jì)算，運(yùn)用鑄造方法加工出配重塊。在機(jī)械手和各種連接件的加工過(guò)程中，利用數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控加工中心等加工方式。防水方面利用硅膠圈，配合硅膠等方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高壓耐水。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程

STC51單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)、左右螺旋槳電機(jī)、機(jī)械手電機(jī)和冷卻水泵的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。同時(shí)，單片機(jī)還要控制一個(gè)六軸加速度傳感器[11-13]，檢測(cè)水下機(jī)器人沿XYZ三個(gè)方向的加速度和繞XYZ三軸的角加速度，通過(guò)DSP得到水下機(jī)器人姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，用于和遙控器的對(duì)應(yīng)操作和機(jī)器人水下運(yùn)行軌跡測(cè)繪。

此外，單片機(jī)還控制兩個(gè)通信模塊，無(wú)線通信24L01與CAN總線，無(wú)線通信模塊用于模式的選擇和機(jī)器的開(kāi)關(guān)，CAN總線用于遙模式下傳輸遙控器的控制指令。

圖3 系統(tǒng)控制

3.2 圖像識(shí)別

針對(duì)水下圖像亮度不均勻、對(duì)比度低、噪聲明顯等特點(diǎn)，對(duì)攝像機(jī)直接獲取的圖像信息進(jìn)行預(yù)處理。

水下圖像的噪聲[14-15]主要有兩種：一種是隨機(jī)分布的椒鹽噪聲；一種是平穩(wěn)分布的高斯噪聲。如果是椒鹽噪聲，選擇中值濾波方法；如果是高斯噪聲，選擇BayesShink小波閾值方法，設(shè)定合適的閾值，將小于閾值的系數(shù)置零，大于的則保留。然后通過(guò)閾值函數(shù)映射到估計(jì)系數(shù)，最后對(duì)估計(jì)系數(shù)進(jìn)行逆變換，就可以實(shí)現(xiàn)去噪和重建。去噪前后圖像如圖4所示。

圖4 去噪前后圖像

經(jīng)過(guò)降噪后的圖像信息可用于圖像識(shí)別，本型機(jī)器人的圖像識(shí)別主要是基于OpenCV技術(shù)。利用經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像資料，提取出圖像中HSV的分量并識(shí)別和判斷，通過(guò)構(gòu)建目標(biāo)物的最小外接矩形，判斷目標(biāo)的位置和方向，并向下位機(jī)放松控制指令進(jìn)行跟蹤或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行操作。圖像識(shí)別流程如圖5所示。

圖5 圖像識(shí)別流程

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人滿足水下作業(yè)要求，在遙控和自主工作模式下，能通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)物的探尋和抓取，巡檢過(guò)程中能實(shí)時(shí)的傳輸水下畫面，構(gòu)建三維水下環(huán)境模型，并記錄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4.1 遙控模式

遙控模式下可以用遙控手柄控制水下巡檢機(jī)器人的姿態(tài)和機(jī)械手臂的動(dòng)作，更加靈活可控。

遙控器上的傾角傳感器和飛行搖桿接收操作者的控制信息，經(jīng)單片機(jī)處理后，由CAN總線發(fā)送至巡檢機(jī)器人的單片機(jī)，控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左右旋轉(zhuǎn)、俯仰、機(jī)械手張合及輔助設(shè)備的工作，實(shí)現(xiàn)與遙控的對(duì)用操作。

圖6 機(jī)器人工作組

4.2 自主模式

(1)自主巡檢。 自主巡檢模式下，根據(jù)前方攝像頭拍攝的視頻信息，通過(guò)與設(shè)定的目標(biāo)物對(duì)比，確定行進(jìn)的角度和方向，主控機(jī)發(fā)出控制指令，控制左右螺旋槳的驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使巡檢機(jī)器人左右或上下調(diào)整。直至找到目標(biāo)，切換遙控模式，控制機(jī)械手動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的抓取。

(2)自主尋跡。 自主尋跡模式下，將位于機(jī)器人底部的攝像頭采集的圖像信息上傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)RGB過(guò)濾除目標(biāo)以外的圖像，并建立圖像的最小外接矩形。通過(guò)與標(biāo)定的方向進(jìn)行對(duì)比，測(cè)得目標(biāo)信息的方位信息。根據(jù)目標(biāo)的相位信息，主控機(jī)發(fā)出控制指令，控制左右螺旋槳的驅(qū)動(dòng)和直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使巡檢機(jī)器人左右或上下調(diào)整，直到目標(biāo)相位信息與標(biāo)定方向一致。路線結(jié)束后，機(jī)器人對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，并自動(dòng)上浮。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水下掃雷機(jī)器人能通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下精準(zhǔn)作業(yè)，為適應(yīng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在后續(xù)設(shè)計(jì)中需對(duì)機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)與提高。例如將電池集成在重力塊中，既可以使機(jī)器人內(nèi)部空間更大，降低裝配與組裝難度，同時(shí)更有利于機(jī)器人功能擴(kuò)展。利用Kinect 技術(shù)可以使水下巡檢機(jī)器人控制更加智能化。Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相機(jī)捕捉三維空間中操作者的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)捕獲的信息圖像對(duì)機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的指令。機(jī)器人攝像頭拍攝的視頻圖像可以通過(guò)Cave技術(shù)構(gòu)建出海洋地下的浸入式虛擬現(xiàn)實(shí)空間，使操控著身臨其境，大大增強(qiáng)機(jī)器人的交互性能。

[1] 倪華,佘湖清.國(guó)外潛布水雷的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)[J].2013,5:1-8.

[2] SGARZIF.Advaneed mine capability ASTERIA:rheItalian style[C].Mine wafae SymPOsium，2012.

[3] 方晨晨.基于UWB的自主跟隨機(jī)器人定位方法[J].軟件導(dǎo)刊,2016,15(9):127-128.

[4] 徐玉如,李彭超.水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)[J].自然雜志,2013(33)3：125-131.

[5] 蘇紀(jì)蘭.海洋科學(xué)和海洋工程技術(shù)[M].濟(jì)南:山東教育出版社,1998.

[6] FIELD JG,HEMPELG,SUMMERHAYESC P.2020年的海洋-科學(xué)、發(fā)展趨勢(shì)和可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[M].關(guān)克勤,林寶法,祁冬梅,譯.北京:海洋出版社,2004.

[7] 金碧霞.一種微小型水下機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師2013(11):47-49.

[8] 李嘩,常文田,孫玉山,蘇玉民.自治水下機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀與展望[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007(1):25-31

[9] 宋思利，劉甜甜，康凱燦，陳言俊.自主水下機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2012,7(30):29-31.

[10] 朱旭光.Auv的改進(jìn)滑模變結(jié)構(gòu)控制拉術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008.

[11] 肖濤.基于Backstepping方法的水下機(jī)器人自適應(yīng)滑模控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程夫?qū)W,2009.

[12] 田宇.水下機(jī)器人智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2007.

[13] PANG YONGJIE,SUNYUSHAN,GAN YONG,et al.An integrated GPS/DR navigation system for AUV[J].Journal of Marine Science and Application,2006,5(4):8-13.

[14] YUSHAN SUN,XIAO LIANG,LEI WAN,et al.Design of the embedded navigation system of autonomous underwater vehicle based on the VxWorks[C].The Sixth IEEE International Conference on Control and Automation.Guangzhou,China,2007.

[15] 楊 勇.智能水下機(jī)器人故障診斷與容錯(cuò)控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

(責(zé)任編輯：陳福時(shí))

朱旭芳(1978-),女,湖北天門人,博士，海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院講師,研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性；馬知遠(yuǎn)(1982-)，男，湖北武漢人，海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)；潘麗(1985-)，女，湖北武漢人，海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

10.11907/rjdk.162776

TP319

A

1672-7800(2017)003-0062-03