一種小型水下機器人平臺的設計與實現(xiàn)

姜宇輝

摘要：近年來社會經(jīng)濟得到了飛速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)科學技術水平也得到了大量的提高，應用領域也大面積的增加，為人類對各個未知領域的探索提供了有力的保障與技術支撐，應用小型水下機器人平臺對海洋探索作業(yè)是時代發(fā)展的必然趨勢。文將某一機械公司設計生產(chǎn)的300米水下機器人平臺為例，淺析小型水下機器人平臺從最初的概念設計到最后實現(xiàn)過程。其公司主要生產(chǎn)儀器儀表及自動機設備，精通機械設計、伺服控制及模擬電路設計， 300米水下機器人平臺設計使最新的研究課題。經(jīng)過多次更改、優(yōu)化設計方案，最終確定的水下機器人平臺方案具備成本低、功耗低、可移動性和擴展性強等特點。主要由水下操作機械、中繼浮標和控制終端三大部分組成，還包含傳感器、攝像頭、探測器等小型設備，確?？梢栽?00米的水下環(huán)境進行有效的探測與障礙清理。攝像頭和傳感器對水下環(huán)境進行掃描，通過中繼浮把結果傳遞到控制終端上，并由控制終端對水下機械平臺進行遠程遙控作業(yè)。

關鍵詞：小型;水下機器人;平臺;設計與實現(xiàn);智能化

引言：隨著時代的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術也得到了普遍地推廣應用，最終導致經(jīng)濟全球化，制造產(chǎn)業(yè)面臨著極其劇烈的市場競爭?？茖W技術的蓬勃發(fā)展增加了人們對未知領域探索的欲望，人是陸地上的霸主，對海洋有著極強的畏懼心理和超強的探索欲望，目前水下機器人平臺制造行業(yè)已經(jīng)受到各大制造企業(yè)的重視，并且廣泛地應用開來，主要應用與水下探測和簡單的障礙清理工作等。隨著機械制造企業(yè)的競爭日益激烈，水下作業(yè)機器人越來越智能化、網(wǎng)絡化、信息化是一個不可避免的趨勢，其能夠大幅度的提升制造企業(yè)生產(chǎn)效率與質量，也能夠增強制造企業(yè)的市場競爭力。本文將某一機械公司設計生產(chǎn)的300米水下機器人平臺為例，從水下機器人部件組成、作業(yè)流程以及所具備的特性三方面作為切入點，淺析一種小型水下機器人平臺的設計與實現(xiàn)。

一、小型水下機器人平臺的設計意義

想要深入研究小型水下機器人平臺的應用，就首先需要了解小型水下機器人平臺的設計意義與組成結構。科技不斷發(fā)展，人們的生活領域在不斷地擴大，已經(jīng)不滿足于陸地生活域資源，地球表面積有百分之七十都是由海洋覆蓋，水下有大量的資源等待著開發(fā)，但是人類是陸地生物，在水下無法呼吸生存，所以有很多水下工作都難以開展落實。智能系統(tǒng)是當代社會發(fā)展的重要成果物，國內外的國家充分認識到了用水下機器人平臺代替人工水下作業(yè)的重要性。水下的環(huán)境是未知的，充滿了不定因素與危險，水下機器人平臺的承受能力遠遠大于載人載人機械系統(tǒng)，能夠完成許多人無法完成的工作任務，因此小型水下機器人平臺的設計對水下資源開發(fā)與建設有著重大且深遠的影響，是不可割舍的重要技術。小型水下機器人平臺不僅能夠開發(fā)水下資源，建設水下工程和探索水下環(huán)境等，還能幫助人類完成水下救援以及潛艇活動監(jiān)測等工作，在民用、商業(yè)和軍方等各領域都有著廣泛的作用和發(fā)展前景。受國家智能技術水平的限制，目前的小型水下機器人平臺還達不到我們預想的那樣全能，只是簡單地設備集成組合，成本極高，并且無法靈活的運作，只具備簡單的功能，完成為數(shù)不多的幾個簡單工作，同時在投入使用的時候還受到各種環(huán)境限制，移動性和延展性較差，所以小型水下機器人平臺的設計與實現(xiàn)是一個迫在眉睫的探究課題。本文舉例的小型水下機器人平臺是一個新的升級版，考慮到了方方面面的限制與問題，最終設計出一款成本低、功耗低、可移動性和擴展性強的小型水下機器人平臺，可以充分完成各種水下探測與清理工作。

二、整體架構以及硬件設計

為了保證小型水下機器人平臺運作的靈活，在水下選擇了光纖，水上無線的方式來控制機器人。其整體框架主要由水下操作機械、中繼浮標和控制終端三大部分組成，還包含傳感器、攝像頭、探測器等小型設備以及完善的控制軟件網(wǎng)絡系統(tǒng)，確保可以在300米的水下環(huán)境進行有效的探測與障礙清理。水下的攝像頭和探測儀等設備收集數(shù)據(jù)，通過水中光纖傳遞給水面上的中繼浮標，然后經(jīng)過無線方式傳達給控制終端，人們通過數(shù)據(jù)和影像做出相應的判斷并用控制終端發(fā)射命令，遠程遙控水下操作機械完成任務。

水下操作機械也是一個復雜的集成系統(tǒng)，主要集成了機械結構、光端機、主控板、推進器、攝像頭以及探測傳感器等設備。使水下操作機械有效完成任務就需要具備動力模塊、信息收集模塊、信號傳遞模塊和電力模塊等共同合作。由于這部分長期在水下作業(yè)，需要需要做好防水、防漏電措施，在外觀上充分考慮水壓等因素，選取曲線造型，減少水下帶來的阻力。在核心艙中安裝了攝像頭和六個電機裝置，其中兩個電機控制機械的水平方向移動，四個電機裝置來給機械垂直方向運動提供推動力。機械手臂關節(jié)采取了可三百六十度旋轉裝置，增強了機械手臂的靈活程度，并安裝了防水控制設備，控制機械手臂的開合與抓取。核心艙的主控板的主要工作為收集攝像頭和傳感器采集的數(shù)據(jù)和影響，還有上方終端傳達的命令信號，控制機械手臂以及其他裝置的運轉。光端機也是一個必不可少的裝備，主要用于無線裝置和光纖之間的數(shù)據(jù)信號傳遞。中繼浮標位于水面之上，相當于數(shù)據(jù)交換的中通樞紐，是信息數(shù)據(jù)和命令信號必經(jīng)之地，主要包含光端機、電池組、主控板和無線模塊四個部分，主要的功能為傳遞信息數(shù)據(jù)和控制終端傳遞的命令信號，并且為水下機器人提供工作電力。控制終端是工作人員實際操作的部分，主要由控制手柄、無線收發(fā)模塊和計算機組成，遠程遙控手柄通過USB接口與計算機相連，工作人員通過操作遠程遙控手柄來控制水下機械人完成任務。在計算機界面上能夠顯示水下機器人探測到的信息數(shù)據(jù)和攝像頭拍攝到的畫面，工作人員通過這些信息數(shù)據(jù)做出相應的判斷決策。數(shù)據(jù)的傳遞交換通過無線收發(fā)模塊實現(xiàn)。

總結：綜上所述，該公司實現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)采集、環(huán)境勘探、信息反饋、接收命令和控制驅動等多功能為一體的智能化小型水下機器人平臺設計能夠順利有效的完成水下環(huán)境勘探和障礙清理任務，在軟件設計方面可以進行進一步的優(yōu)化，打破環(huán)境的限制，實現(xiàn)民用、商業(yè)和軍隊多方面應用價值。

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