AI 水下捕魚機器人的研制

周 固 譚 鑫 陳洪雨 李玉廷

（臨沂大學，山東 臨沂 276000）

1 項目簡介

AI 水下捕魚機器人是將人工智能、 探測識別、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面的技術應用在同一水下載體上， 通過圖像識別技術實現(xiàn)自主控制和人工操控，預期做出一種工作于水下的極限作業(yè)的機器人。 它能在節(jié)省大量人力的同時，潛入危險海域幫助人類進行一系列的捕魚操作，同時也能進行水下資源勘探和海洋科學生物考察等。 因此，水下捕魚機器人已經成為開發(fā)水下資源、漁業(yè)養(yǎng)殖的一種重要工具。

2 國內、外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

（1）國外水下捕魚機器人的發(fā)展，主要以美國，日本以及西方發(fā)達國家為代表，他們的發(fā)展技術幾乎代表了全世界水下機器人技術的發(fā)展水平。 美國是最先發(fā)展水下機器人的國家，他們掌握著水下機器人較高的技術水平。 但捕魚機器人的研制開始出現(xiàn)在日本，并漸漸成熟。

（2）現(xiàn)階段，我國的水下機器人只能用于觀察和測量，很少具備作業(yè)能力，而且智能控制水平也不高。所以捕魚機器人的開發(fā)與研制并不成熟，值得人們去創(chuàng)新研究。 實現(xiàn)水下自動機器人具有作業(yè)能力。

（3）項目研究創(chuàng)新點與項目特色:

1）實行可視化垂釣，一種結構簡單、體積小、可自動識別上鉤魚種類和大小的智能捕魚機器人。

2）針對式撒網式捕魚，分析某種魚類最喜歡的餌料，再利用水底圖像進行操控撒網，重點捕撈。

3）改進獨特的程序算法，可以自由操控水下機器人進行作業(yè)。

4）改用stm32 單片機替代51 單片機，實現(xiàn)控制的處理高速率、高效率，使水下機器人的反應更加迅速。

5）推進器用無刷減速電機，可以更靈活地控制前后方向。

3 研究內容

（1）隨著科技的不斷發(fā)展越來越多的領域開始采用機器人代替人工，機器人將代替人類完成一些高度危險活動和繁重體力勞動，這使得機器人需要適應各種極端的環(huán)境，在各種已知甚至是未知的環(huán)境中完成各種作業(yè)任務。 此項目在復雜的水下環(huán)境中選擇了捕魚功能的研究， 現(xiàn)在的捕魚業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)如火如荼，項目中加入了對現(xiàn)在市場捕魚需求的實用功能，更加小眾化，適應國家和市場需求。

（2）傳統(tǒng)的釣魚都是采用釣魚竿，釣魚者拿著釣魚竿釣魚，人在釣魚時得全神貫注地看著水里的浮子，時間長了容易產生疲勞， 釣魚本來就是一項放松的事情，當釣魚者產生疲勞時，正是適得其反，而且每次釣魚時，需要人工判斷當前上鉤魚的大小，在釣魚過程中，經常將幼魚或者其他稀有魚類釣上，影響釣魚的速度和質量，這就導致釣上目標大小和種類魚類越來越困難。

4 設計方案

根據(jù)研究項目所要實現(xiàn)的功能， 對AI 水下捕魚機器人做整體設計，整體架構采用厚度10 mmPOM 板材料加工制作，捕魚機器人手采用POM 材料，以防水舵機驅動，機器人采用防水無刷電機推進器，采用透明亞克力管作為主艙，主控板采用四驅模式。 鋰電池置于電池艙，捕魚機器人采用零浮力電纜控制，在機器人主艙前部安裝OPEN MV4 攝像頭，可實現(xiàn)水下實時監(jiān)控，并能夠及時發(fā)現(xiàn)水下魚群動態(tài)，可用于獲取機器人的實時位置信息及水下障礙，及時采取操作與控制，以便于完成相應的作業(yè)任務。

4.1 機器人總體結構設計框圖

根據(jù)AI 水下捕魚機器人的各部分功能， 構建整體結構功能的流程框圖如圖1 所示。

圖1 總體方案裝置框圖

4.2 機器人各分系統(tǒng)研究

機器人整體架構設計完成后，下一步將進行各分系統(tǒng)的設計，本機器人主要由以下幾個系統(tǒng)，本別加以表述。

4.2.1 動力系統(tǒng)

該機器人采用無刷減速電機水下推進器，理論最大工作深度為150 m，工作電壓為12 V，最大工作電流為6.5 A， 在保證了節(jié)省電量的同時增大了電機的推力。 電路方面根據(jù)智能車的技術經驗采用了MOS驅動電路來安全穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)電機的正轉反轉及加減速，如圖2 所示。

水下機器人采用了4 個水下推進器驅動，其中兩個推進器在后側為機器人提供前進后退動力及左右轉向控制（當給機器下達向右轉的指令是右側電機停止或者減速旋轉，左側保持原來的速度，左轉原理亦然），兩側的推進器朝上，可以控制機器人在水中的下沉、上浮或者處于懸浮狀態(tài)。

4.2.2 控制系統(tǒng)

采用stm32f103cbt6 這個32 位的單片機來對機器人進行控制（見圖3），通過單片機的指令控制無刷直流減速電機的正轉或反轉從而實現(xiàn)機器人在水中的上升、下降、前進、后退、左轉、右轉這6 個自由度。 之所以采用stm32， 是因為stm32 屬于arm 內核的一個版本擁有51 無法比擬的更高運算速度而且功耗小、價格相對便宜。

圖3 基于stm32 控制的主控板

4.2.3 供電系統(tǒng)

采用直流供電系統(tǒng)，包括第一電池組、第二電池組、選擇開關和控制器；第一電池組的正負極分別連接到第一用電設備；第二電池組的正極經由選擇開關連接到第一電池組的負極或第二用電設備，第二電池組的負極連接到第二用電設備或第一用電設備；選擇開關的本體連接于第二電池組的正極，選擇開關的第一端連接到第一電池組的負極，選擇開關的第二端連接到第二用電設備；控制器控制選擇開關的動作。 其第一電池組和第二電池組能分別給第一用電設備和第二用電設備供電，也能串聯(lián)起來一起給第一用電設備供電，能提高水下機器人的續(xù)航能力，提高可靠性和安全性。

電池充電裝置采用220 V 轉12 V 變壓器將220 V交流電變?yōu)?2 V 交流電，再經GBU406 整流橋式電路把12 V 交流電變?yōu)?2 V 直流電，再經過7812 三端穩(wěn)壓器把12 V 轉換成相對應的電壓，實現(xiàn)模塊供電。

變壓器是變換交流電壓、 電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。 是一種利用電磁互感應， 變換電壓， 電流和阻抗的器件。 根據(jù)電磁感應原理，交變磁通穿過這兩個繞組就會感應出電動勢， 其大小與繞組匝數(shù)以及主磁通的最大值成正比，繞組匝數(shù)多的一側電壓高，繞組匝數(shù)少的一側電壓低，當變壓器二次側開路，即變壓器空載時，一、二次端電壓與一、二次繞組匝數(shù)成正比，即U1/U2=N1/N2，但初級與次級頻率保持一致，從而實現(xiàn)電壓的變化如圖4 所示。

圖4 220 v 交流電變12 v 直流電源

4.2.4 圖像系統(tǒng)

該機器人屬于電纜通信機器人，通過通信電纜的通道進行信息傳輸是可靠的，通常采用通信系統(tǒng)復用系統(tǒng)一般為分時—分頻系統(tǒng)，用通信通道可以進行視頻傳輸，系統(tǒng)工作信息和控制信息。 視頻傳輸采用的是當前比較成熟的模塊單路純視頻光端機，把視頻數(shù)據(jù)通過光纖進行傳輸數(shù)據(jù)。 能夠實時顯示當前的攝像頭采集到的信息。

4.2.5 捕魚結構的確定與實現(xiàn)

捕魚結構采用框架式。 捕魚結構的發(fā)展趨勢是從框架式趨向于魚形流線體結構， 但我國此項技術也尚未成熟。 捕魚方式采用垂釣式和撒網式兩種選擇方案。

垂釣式提供一種結構簡單、體積小、可自動識別上鉤魚種類和大小的智能捕魚機器人及其捕魚方法，以解決現(xiàn)有釣魚竿功能單一、難以滿足實際需要的技術問題，通過控制器控制驅動裝置驅動捕魚器拋鉤和提桿，利用位置傳感器用于獲取魚鉤咬鉤后的位移信息， 且其包括X 方向傳感器，Y 方向傳感器和Z 方向傳感器。 通過壓力傳感器判斷魚類咬合力的力度來判斷魚類的大小，輔助以圖像技術傳輸達到對魚種類和大小的確定。

驅動裝置受控于控制器，且驅動裝置驅使捕魚器拋鉤和提竿，捕魚器包括魚竿、魚鉤和升降裝置，魚鉤裝設在魚竿上，且魚竿通過該升降裝置以固定，驅動裝置與升降裝置驅動相連，魚鉤上設有位置傳感器和壓力傳感器；控制器包括微處理器、存儲器和智能分析模塊，位置傳感器和壓力傳感器分別與微處理器電性相連，存儲器與微處理器電性相連，智能分析模塊與微處理器電性相連。

工作步驟如下：

（1）位移傳感器獲取上鉤魚的運動軌跡，壓力傳感器獲取上鉤魚的咬合力大??；

（2）基于智能分析模塊，根據(jù)獲取到的所述上鉤魚的運動軌跡和咬合力大小，以確定驅動裝置的響應時間和驅動力度的大小如圖5 所示。

圖5 智能分析模塊與微處理器電連接框圖

（3）撒網式操作。 垂釣式的捕魚量難以滿足實際市場需要，而撒網式捕魚可以優(yōu)化這一不足，以不同魚餌對不同種類的魚進行選擇，網隙的大小對魚的大小進行篩選，利用圖像傳輸技術，以人為操控手柄驅動捕魚裝置，實現(xiàn)捕魚。 控制器控制驅動裝置，驅動裝置驅動撒網，利用位置傳感器，判斷小魚群的走向，利用高度優(yōu)勢進行廣撒網，但這一項對機器人動力裝置要求極高。

4.2.6 重要組件

（1）Stm32f103cbt6、GBU406、 超級電容、7805、貼片電阻若干、貼片電容若干、光電混合纜、光端機、電池、搖桿、電位器、Pom 板、鐵箱、攝像頭、散熱扇、熱熔膠、主控板、Mos 驅動電路、轉壓板、直流減速有刷電機、舵機、機械臂，捕魚器，驅動裝置。

（2）外部材料。

①POM 板機架POM 板是一種沒有側鏈、 高密度、 高結晶性的共聚性聚合物， 具有優(yōu)異的綜合性能，表面光滑，有光澤的硬而致密，可在-40～106°C 溫度范圍內長期使用。 它的耐磨性和自潤滑性也比絕大多數(shù)工程塑料優(yōu)越，又有良好的耐油，耐過氧化物性能。 機械強度高、剛性大，硬度高、優(yōu)異的彈性、滑動性和耐磨性、抗蠕變性能好，即使在低溫下，耐沖擊強度高，有非常好的尺寸穩(wěn)定性，機械性能優(yōu)異漂浮力電纜參數(shù)如表1 所示。

表1 零浮力電纜參數(shù)表

②零浮力光電混合纜。 光電混合纜的結構是將250μm 光纖套入高模量材料製成的松套管中， 松套管內填充防水化合物。 纜芯中心為FRP 或金屬加強件。電線與松套管（和填充繩）圍繞中心加強芯絞合成緊湊和圓形的纜芯，纜芯內的縫隙充以阻水填充物。 雙面涂塑鋼帶（PSP）縱包后擠制聚乙烯或低煙無鹵（LSZH）護套成纜。 具有很好的柔韌性和機械性能。

電纜部分與光纜部分保持相對獨立的結構，便于安裝時的引入、引出和連接，充分節(jié)約管道資源。 可適用于較大的工作溫度范圍，而且在狹小空間也能自由安裝同事相容光信號傳輸和電能傳輸。

5 技術路線與實現(xiàn)

5.1 技術路線

研究小組實行分工協(xié)作，按照項目研究計劃的進度向前推進研究工作， 合理設計機器人的整體結構、確定好機器人的吸附方式及行走機構和作業(yè)內容及模式，做好機器人制作的各個環(huán)節(jié)，認真進行測試，并不斷改進和優(yōu)化，按時完成研究計劃，在研究的同時撰寫和發(fā)表論文，爭取順利結題。

5.2 擬解決的問題

（1）捕魚多功能的實現(xiàn)；

（2）防水效果的優(yōu)化；

（3）圖像傳輸處理；

（4）多種傳感器的協(xié)同檢測協(xié)作。

5.3 預期成果

研制出樣機一部， 在國內期刊上發(fā)表論文1 篇或申請專利1 項。

5.4 創(chuàng)新點與項目特色

（1）實行可視化垂釣，一種結構簡單、體積小、可自動識別上鉤魚種類和大小的智能捕魚機器人。

（2）針對式撒網式捕魚：分析某種魚類最喜歡的餌料，再利用海底圖像進行操控撒網，重點捕撈。

（3）改進獨特的程序算法，可以自由操控水下機器人進行。

（4）改用stm32 單片機，超越51 單片機的處理速率，使水下機器人的反應更加迅速。

（5）推進器用直流減速電機，可以更靈活地控制前后方向。

AI 水下捕魚機器人實物如圖6 所示。

圖6 AI 水下捕魚機器人實物照片

6 結語

隨著漁業(yè)捕撈和漁業(yè)養(yǎng)殖發(fā)展的需要，由于水下工作的比較復雜及工作非常艱苦，以及人工費用增長迅速，采用水下機器人替代潛水員執(zhí)行任務已是大勢所趨。 各種水域作為人類賴以生存的藍色國土，關系到人類的生存和持續(xù)發(fā)展，這是人類必須面臨的現(xiàn)實問題，必須用好水域資源。 21 世紀伴隨著人類增進認識水域資源的進程，水下機器人這一高新技術將進一步發(fā)展改進并會更加完善。 無人自主水下機器人是其發(fā)展的方向。 對AI 水下捕魚機器人要繼續(xù)做深入研究，增加傳感器種類和數(shù)量，改進智能控制算法，使其可自主巡游、自主作業(yè)。