小型水下機器人的設計與制作

朱科名 張藝瀝 許偉燦 高 潔 張亞紅

（南通理工學院 電氣與能源工程學院，南通 226001）

隨著人口數量的不斷增長，資源與環境之間的矛盾逐漸顯露，促使人們逐漸把目光轉向海洋。深海開發離不開探索工具，因此海洋探索工具發展前景廣闊。全球70.8%的面積為海洋，同時陸地上還有1.5%的湖泊面積[1]。因為呼吸方式制約，所以人類不能在水下持續作業，嚴重影響了工作效率。水下機器人具有水下觀察和水下作業的能力，可代替人在水下進行一些原來人類不能完成的工作。小型水下機器人可以從事的工作包括水產養殖業觀測、水下科學勘測、水下救援打撈以及水下作業等[2-3]。面對這些行業需求，本文制作了一款適用于淺水域的小型水下機器人。

1 水下機器人整體設計

本設計基于有纜水下機器人，研制了一款小型水下機器人，可用于基礎的水下觀測和水下打撈任務。采用模塊化設計，水下部分由外框架、設備倉、電池倉以及4個推進器4部分構成，外部尺寸為300 mm×350 mm×180 mm，在空氣中的質量約為4 kg，設計最大深潛為10 m，具體結構如圖1所示。

該機器人由左右兩塊側板和一塊底板作為主要框架，可以有效保護水下機器人的內部設備。框架內部有兩塊T型支架固定推進器和上下兩個艙室。水平推進器安裝在T型支架的下部，左右各一個。垂直推進器安裝在T型支架的上部分的圓孔中，同樣左右各一個。垂直推進器和水平推進器安裝在同一軸線上。T型支架中間夾著設備倉和電池倉，其中上部分帶圓頭的為設備倉。所有的電子設備都被安裝在設備倉中。下面部分是電池倉，內部裝有一塊4串1并的鋰電池。

圖1 三維設計整體效果圖

2 水下機器人控制系統選型和設計

為了提高水下機器人的穩定性，必須了解當前機器人在水中的姿態和深度信息，通過當前水下機器人的姿態和深度信息調整推進器電機的速度。本設計利用姿態傳感器采集水下機器人自身的姿態信息，利用壓力傳感器采集水壓信息，并將壓力數據轉換成深度信息，以得到當前機器人的深度信息。利用PID控制器分析處理傳感器數據，并動態調整水下機器人的運動狀態，以實現水下機器人的運動控制[4]。水下機器人控制系統結構如圖2所示。

從整體的控制系統結構圖（圖2）可知，電源通過穩壓電路為各個模塊供電，系統由PIXHAWK控制。當陸上操作人員通過遙控器發出操作指令后，信號將發送給接收機。接收機收到信號并將信號傳輸給PIXHAWK，PIXHAWK通過轉換為PWM波命令使推進器動作。壓力傳感器和姿態傳感器將收集到的姿態、壓力信息反饋給PIXHAWK，PIXHAWK做出指令調整推進器，從而使水下機器人穩定。PIXHAWK將獲取的壓力和深度信息等信息通過攝像頭和圖傳發射反饋給陸上操作人員。

圖2 水下機器人控制系統結構圖

3 水下機器人系統組裝與調試

水下機器人組裝完成后需要先在陸上進行電路測試，測試電路是否能夠正常工作。首先，目檢接線是否接好，正負接口是否反接，插線是否接線錯誤。其次，進行通電測試。設備主電源通電后推進器工作正常，轉向和設計一致，傳感器工作正常，主控芯片工作正常。一切正常后，可以進行水下測試。先測試設備的防水性能，給水下機器人裝好電源，但此時并不需要接通電源。將電池放入水下機器人，是為了模擬水下機器人實際的質量。機器人完全浸在水中，看電池倉是否有水泡冒出。如有水泡冒出，可以判斷電池倉進水，需加強密封。待無進水現象時，方可進行下一步實驗。最后，水下機器人水下航行測試。經過測試，水下機器人可以在水中完成基礎動作，如下潛、上浮、前進以及后退等，為后期水下機器人作業奠定基礎。圖3為水下機器人下水畫面。圖4為水下機器人水下拍攝的畫面。

圖3 水下機器人準備下潛

圖4 水下機器人拍攝回傳視頻截圖

4 結語

本設計完成了水下機器人的結構、動力裝置及基本控制系統的設計，并進行了水下航行試驗。設計的小型水下機器人操作簡單、控制靈活以及動力強勁，基本達到了預期目標。但是，本設計的通信方式為水上水下有纜傳輸方式，因此水下機器人運動范圍和下潛深度受到了電纜線長的制約。采用低頻無線信號作為傳輸方法能解決信號干擾問題，提高水下機器人活動范圍，擴展水下機器人的功能，使水下機器人能夠參與更多的工作。