水面救助機器人的設計與應用前景

朱海濤

摘 要：以習近平為主導的科技強國方針遍布全國。交通運輸部北海救助局響應黨的號召，開始步入新技術新裝備的研發與采購，以新型的救助裝備--水面救助機器人為例，其設計理念為增加救助效率，減少救助成本與風險，并彌補傳統救助的缺陷;介紹該設備的開發設計原理，主要從外形結構、控制系統、推進系統以及操控系統上進行設計研究，再根據救助方面的實際情況對其應用展開分析，以說明該設備的實用性。

關鍵詞：水面救助機器人;系統設計;動力艙;控制艙;遙控臺;

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0064-03

中國黃渤海域每年因船舶事故或天氣原因導致船員落水身亡的人數居高不下，例如2017年1月11日，在距北海三號位東北約75海里處，運砂船“平安98”輪機艙失火，因為火勢太大，救助船舶無法靠近，只能利用消防炮進行遠程滅火降溫，船上14人遇險身亡。為了能在特殊環境下對難船人員進行可靠的施救，需研發一種海面救助設備以減少救助風險與成本;并且便于操控，還能適應大風浪天氣的下航行，其動力要強勁，機動性能良好，此外要具備一定的防水性能。針對以上條件，開展基于遠程遙控的水面救助機器人（見圖1）的研發設計，為傳統救助船舶的救助提供有利技術支持與裝備保障。

1 水面救助機器人的設計

1.1水面救助機器人的整體結構的設計

（1）外形結構設計。根據流體力學的原理，為了減小其水中的阻力，其載體的外形采用魚雷的設計理念[1]，艏艉部采用圓錐形設計方案，中間整體結構采用圓柱形外殼。為了兼顧載體在水中的浮力與電池的容量配重，采用雙艙室結構，動力艙與控制艙（見圖2），動力艙是浸沒在水里，控制艙是露在水面的，兩艙室通過箭橋進行連接，動力艙包括電池艙與推進系統。推進系統包括推進器與穩定翼，推進器采用雙定矩螺旋槳與同步電機，為載體提供充沛的動力以及轉向，穩定翼可保持機器人載體在水中航行時穩定不偏移。控制艙與天線組合在一起，并在控制艙艏部安裝一個頻閃的指示燈，為夜間救助提供便利;在控制艙的中間增加一個半圓形掛鉤，為方便釋放回收機器人做準備。

（2）結構材料與密封設計。為減輕機器人的重量來提高浮力與機器人本身的強度，采用航空鋁材料作為機器人的機身外殼。在密封方面，殼體采用無縫焊接技術，艏艉可拆卸部分采用螺紋罩加橡膠密封圈結構，在充電口出，采用細螺紋螺絲帽加橡膠密封圈結構（見下圖3）。整體外殼采用高度防水防腐蝕密封漆，并采用多道噴漆工藝。

1.2控制系統的設計

控制艙作為機器人載體的大腦，設計要求內部器件重量輕，整體密度較小，為整個機器人載體提供浮力。其內部搭載電源轉換模塊、主控模塊、通訊模塊、定位模塊等，如下圖4。

負責與控制臺的通訊，推進器的調速，接受GPS位置信號等，是機器人載體的通信、控制核心。包含由無線通訊、數字量輸入/輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等構建的控制系統;利用主控制模塊的信息處理能力接受控制臺發來的載體推進器控制命令，對載體前進、后退、左轉、右轉等操作的控制信息進行處理，并將電池狀態信息、GPS信息、串口通訊狀況等發給控制臺從而達到控制整個載體的目的，其具體關系如下圖5。

主控系統采用嵌入式設計方案，可靈活對功能進行個性化管理，方便以后增加功能。對于該系統采用開環設計模式，主控模塊根據操控臺發出來的指令信號進行處理并發送兩路PWM信號給推進系統，最后由推進系統的變頻放大模塊控制左右兩螺旋槳電機的轉數與轉向來實現機器人的前進、后退與轉向功能。

1.3電源系統的設計

動力艙占據了整個機器人載體的大部分重量，其內部電池艙的高密度電池系統為載體提供靜態穩性，電池為高密度的磷酸鐵鋰電池組，其設計容量約為1.8kwh，且滿負荷的續航時間不低于3小時;與其配套的電池組管理單元要滿足300V的升壓整流電壓。為了滿足裝配需求，須把電池組設計成圓柱形（見下圖6），在電池艙外面設計一個水密充電頭，平時充電時，擰開水密旋鈕蓋（類似礦泉水瓶蓋），可以接入350V5A的充電器。

1.4推進系統的設計

推進系統作為整個機器人載體的動力核心，其螺旋槳采用四葉片定矩槳結構，動力電機的轉速可線性調節，設計單機最大功率為500W的同步電機。要滿足在靜水狀態下帶纜航行時，最大設計航速不低于4.5節，系樁設計拉力不小于35Kg。為了避免纜繩纏繞到螺旋槳，在螺旋槳前后安裝了網狀格柵。穩定翼采用兩片不銹鋼板鑲嵌在動力艙的艉部，其外形做成魚鰭狀，促使載體在水中前進時更加豎直平穩。

1.5遙控系統的設計

遙控系統設計為可移動式控制臺（簡稱遙控器），操作人員可以隨身攜帶，對機器人載體進行遠程操控。遙控器是一個由無線通訊、數字量輸入/輸出模塊與模擬量輸入/輸出模塊等構建的控制系統;利用操控桿及開關實現了載體推進器的開關，載體前進、后退、左轉、右轉等操作的控制與對電池信息、GPS信息、串口通訊狀況以及電池狀態的監視等，具體控制臺反饋信息如下表1。遙控器的操作在控制面板上完成，控制面板布局如下圖7。

遙控器的內部硬件部分的主要劃分為：電源模塊（24VDC電池與24VDC-5VDC電源轉換模塊）、主控模塊、Xtend無線通訊模塊、顯示屏、三軸搖桿等。電源模塊為其他模塊提供電源，主控模塊采集操作手柄的控制信號，通過控制臺上的無線通信模塊在載體發送指令，載體將采集到的載體電池信息、GPS信息、狀態信息等通過載體的無線通信模塊向控制臺發送，由顯示模塊進行綜合信息顯示，其模塊關系如下圖8。

Xtend無線通訊模塊為美國DIGI的遠距離射頻模塊，（見圖9），采用FHSS（調頻擴頻）技術，具有良好的抗干擾性;設置該模塊的工作頻段為ISM900M，搭配RPSMA接口型天線的數據吞吐量高達115.2kbps[2]，足以滿足機器人的數據傳輸能力;在功耗方面表現出優異的成績：1mW-1W，并且根據自身要求可以通過軟件進行調整;Xtend具有超遠的傳輸距離的能力，通過增加高增益天線在戶外無遮擋的情況下最遠可以達到65公里。

2 水面救助機器人的應用前景

2.1人員救助

當人員落水后，通過遙控器操控機器人拖帶救生圈、救生衣與救生艇等到水面遇險人員附近實施救助。

2.2 ?帶纜功能

在惡劣天氣下，船舶搖晃較為劇烈，傳統的打撇纜的方式無法準確擊中難船，可以通過釋放機器人快速拖帶纜繩到難船附近，實現對難船及時就行拖帶作業，創造進一步救援條件。

2.3 ?可用于礁石、淺灘以及狹窄水域等特殊水域下救援

救助機器人的外形最大尺寸僅為1500mm（長）*650mm（寬）*750mm（高），結構靈活小巧能滿足大型船舶或救助艇無法到達的特殊水域下救助。

2.4 ?降低救助風險與成本

救助機器人可用于高危海域下的救助，如起火的油輪，溢油的船舶。發生火災的油輪有爆燃的風險，如果救助人員冒然前往救援，會增加救助風險，救助船舶用消防炮一邊進行遠程灑水冷卻，然后一邊配合救助機器人前往失火油輪進行人員救助轉移。既減少人員傷亡的風險，同時又降低了救助的經濟成本[3]。

2.5 ?具有較強的抗風浪能力

根據其結構特點，可以做到與魚雷一樣在水中穿梭，即使惡劣的風浪環境，也能正常航行，加上強勁的動力，能夠在較短的時間內到達目標位置，為救援爭取時間。

3 結束語

本文針對船舶在特殊環境下無法進行科學施救的情況下研制出一款可以代替傳統人力救助的水面救助機器人。并對系統的設計進行詳細的分類說明，并對24VDC-5VDC電源轉換模塊進行詳細的計算分析，最后對其應用進行了合理分析，突出該設備的應用價值。由此得出以下結論：

（1）通過海上一個月的實測，滿足海上實際特殊環境的應用的要求，在其機動性能與防水防腐蝕性能上表現出優秀;在操控性能上方面，表現良好，由于機器人的自身大小的限制，在遠距離遙控時，仍難把握其方向，可能需要增配無線攝像頭來彌補這一缺點。

（2）水面救助機器人使用范圍廣，不僅可以用于救助，還可以用于勘測，水面拍攝等其他應用，也為其他海上新型救生設備研發提供有利的參考價值。

參考文獻：

[1] 王鵬，宋保維等.魚雷外形多科學設計優化與仿真[J].系統仿真學報.2008.20（7）：1915-1916

[2] linhaixiang. 5公里無線數傳電臺設計[J/OL]. 百度文庫.2012-06-28.https：//wenku.baidu.com/view/94646218650e52ea5518982e.html

[3] 王全杰，鄭州.無人救助艇的功能性應用及技術展望[J].航海技術.2018.6：