基于圖像識別無人自主巡游航行器

楊軒軒 金章勇 郭星宇 王瀚琦

摘 ?要：越障機器人是機器人領域的一個重要分支，主要憑借傳感器等設備在非結構化環境里進行自主決策及動作執行，多運用于地形檢測，災害搜救等方面。本文將對越障機器人背景進行簡單介紹，并將對其組成原理和市場應用進行進行分析

關鍵詞：巡游航行器：圖像識別：組成原理和市場應用

1背景

隨著智能控制和傳感器的發展，水下機器人在完成水下作業方面扮演著越來越重要的角色。尤其是在未知的水下環境，機器人的承受能力大大超過人工，能完成許多潛水員無法完成的工作。目前一些水下機器人雖具有觀察能力和一定的水下簡單作業能力，但是平臺和設備比較固定，價格昂貴，許多機器人的本體只是推進器和防水攝像機的簡單組裝，通過岸上的電纜線控制，適用場合受限，可拓展性不強。

據了解，目前螺旋槳推進器作為動力裝置廣泛應用于船舶和水下機械。

我們決定提高水中推進操控性能和水環境交互性能，可用于軍用潛艇，魚雷;實現靜態觀測;結合圖像處理，智能決策等技術，完成水中目標追蹤，水中救援等任務，可進行戶外水中探測或水中檢測，或進行擴展開發，完成路徑規劃，任務分配，姿態控制等任務的研究與試驗。擴大水下機器人的應用領域，促進水下機器人技術蓬勃發展，使水下機器人創造更多的價值。

2原理

該水下巡游航行器將仿生、機械、電子、人工智能相結合。采用無刷正反槳推進方式，自抵自旋，減少水中阻力，提高行進方式具有優良的水中推進操控性能和水環境交互功能。結合圖像處理、智能決策等技術可以完成水中目標追蹤、水中救援等任務，可進行戶外水中探測或水中監測或進行擴展開發完成路徑規劃、任務分配、姿態控制等任務的研究與試驗。

水下推進原理

水下推進系統主要由驅動電路，直流電機，單片機和螺旋槳組成。使用驅動電路的模塊對電機進行驅動，電機一端連接螺旋槳，通過STM32單片機編程實現PWM控制電機轉速從而控制螺旋槳的推進。制作水下推進系統時，需要選擇電機的種類，驅動電路的搭建，以及螺旋槳的選擇和最終的連接。最需要注意的是電機的防水問題，我們采用無刷電機作為動力部分，其沒有電刷，可以在水下進行工作，但因為海水的腐蝕性，我們對無刷電機的線圈和軸承部分做了特殊處理，使其壽命更長。

3應用

3.1水環境監測，數據收集

可搭載相關儀器設備進行經常性水質監測，對地表水及地下水進行經常性監測，監視和測定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢，監測水中色度、濁度、電導率、懸浮物和溶解氧等指標，評價水質狀況;

3.2漁業養殖，水生物研究

可以滿足經常性工作，例如檢查水質的溫度、鹽度、PH值和溶解氧等，以及魚類、貝類和海參等的生存狀況觀察。另一方面，通過對水生物的觀察可獲得其生活大數據，進而可以對其進行精準化養殖，提高產量和質量。

3.3娛樂活動，水下拍攝。

可以用于水下拍攝，其配備的六軸陀螺儀可以確保機器人在水下保持高度平衡狀態，LED前燈可以照亮視野，液位變送器可以讓機器人準確停留在所需水下深度。使用者可以用計算設備上的開源軟件對機器人進行控制，最高時速能夠達到2m/s，續航時長2小時以上。

3.4水下搜索救援與觀察

攝像頭獲取的圖像信息經過后臺算法處理可以得到關鍵信息，可用于檢查大壩、橋墩結構好壞情況，遙控偵察、危險品靠近檢查，水下基陣協助安裝/拆卸，船側、船底走私物品檢測（公安、海關），水下目標觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等，搜尋水下證據（公安、海關），海上救助打撈、近海搜索等。

3.5管道檢查

可用于市政飲用水系統中水罐、水管、水庫檢查;排污/排澇管道、下水道檢查;洋輸油管道檢查;跨江、跨河管道檢查;船舶河道海洋石油;船體檢修;水下錨、推進器、船底探查;碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查;航道排障、港口作業;鉆井平臺水下結構檢修、海洋石油工程。

3.6科研教學、考古

可為水環境、水下生物等課題的研究和教學提供極大的便利。還可進行海洋考察、冰下觀察、水下考古、水下沉船考察等學術性觀測和研究，為海洋科學、考古工作者提供有利條件。

3..7服務于能源產業

在人為檢查非常不易的條件下，該作品可以幫助我們進行核電站反應器檢查、管道檢查、異物探測和取出。除此之外，還可以進行水電站船閘檢修;水電大壩、水庫堤壩檢修（排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修）。

參考文獻

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[3] ?唐鴻儒，奚家烽，沈天鶴，包加桐，劉其銘.基于ROS的遙控水下機器人監控系統研制[J].南京信息工程大學學報（自然科學版），2019，11（02）：138-143

作者簡介：楊軒軒（1997-），男，漢族，鄭州大學機械工程學院2016級學生。