一種用于污水池中曝氣器的清洗機器人系統設計

廖子錚，羅思麟，薛涵方

（哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

當今工業發展迅速，工業污水的排放逐漸增多，影響著實際生產生活，而在污水處理環節中，最為緊要的是能夠處理廢水中好養生物量的維持，而曝氣盤就是這一生物量維持的關鍵所在，曝氣盤能夠曝氣產生該生物維持生存所需的溶解養量以及促進水下流體運動，增加處理廢水的接觸面積從而提高對污水處理的效率。實用是曝氣盤的主要優點，但是也有一個較為明顯的不足之處，即使用到一定時長時會由于流體擠壓以及生物量限制等原因出現需要更換的情形，而一方面更換曝氣盤需要到水下一定深度處進行作業，且水下工況較為復雜，另一方面以人為主體的單元作業需要攜帶一定的設備，包括支撐人體上浮下沉的纜繩，作業于曝氣盤的酸堿溶液，以及一定的水下作業工具，作業效果也不太理想。伴隨著水下機器人技術的成熟發展，曝氣盤清洗機器人設計成為可能。

1 總體設計

曝氣盤清洗機器人總體設計方案分為硬件設計、軟件設計以及機械設計三部分，其中硬件設計主要包括選取電源模塊及充電模塊、穩壓模塊、通信模塊、攝像采集圖像傳輸模塊和單片機控制；軟件設計主要包括雙目視覺定位的目標跟蹤，實現解算相對位置以及目標匹配跟蹤識別，聲吶的目標測距、清洗器的壓力傳感匹配應力抓取設計和慣性器件的解算以至于實現對機器本體的測位測姿，機械臂壓力傳感匹配應力抓取設計、推進器的運行移動以及姿態控制；機械設計主要包括密封艙體、端蓋設計、舵機支架、浮力材料和電纜。

整個系統的工作環境分為水上和水下。在水上，操控臺發出的操控指令經過信號轉換器增強、編碼后進入電纜進行電傳輸；輸線裝置根據水下載體的駛出距離調節電纜線長度；電力傳輸系統將電力通過可通大電流的電纜向水下載體供電。在水下，通過電纜的傳輸，有線圖傳系統將載體中2個攝像頭采集的圖像傳回水上操控臺；電力通過電纜流向電源轉換系統，轉換成不同的電壓向各個需電裝置供電；傳輸的指令信號經過水下載體搭載的信號轉換器轉換成上位機可以識別的串口通信協議，實時進行操控。上位機連接著雙目視覺系統，對曝氣器的相對位置進行解算，同時用聲吶測距系統進行輔助。上位機與下位機進行實時通信，讓下位機控制清洗裝置和推進器完成相應操作，而與下位機向連接的慣導系統，可以更快地讓水下載體校正速度和姿態。

2 硬件設計及機械設計

硬件設計主要包括選取電源模塊、充電模塊、穩壓模塊、通信模塊、攝像采集圖像傳輸模塊和單片機控制。其間硬件設計中電源選取2塊4 200 mAh的8.4 V電源以及3塊5 200 mAh的16.8 V電源，穩壓采用4塊逐飛生產的MP2482穩壓模塊以及2塊專供12 V的2 596穩壓模塊，其間MP2482可穩出3.3 V直流電以及5 V直流電，3.3 V供給于單片機，5 V供給于機械臂舵機以及PC上位機以及慣導，12 V供給于圖傳以及6個推進器，包括4個垂直推進器以及2個水平推進器，推進器型號為ROV350KV，其適用電壓范圍為11～25 V，其在12 V下推力為1.74 kg，電流為7.5 A。

水下推進器需要進行水密封，通過測試驗證水密性良好。無刷電調對占空比信號進行解調，來控制3線無刷電機。根據其特性：標準PWM信號脈沖時間：1 000～2 000μs之間，以1 500μs為0轉速，1 000～1 500μs反轉、1 500～2 000μs正轉。穩壓模塊由高電壓轉為低電壓，為開關穩壓，通過電路的開關來調節有效電壓值，得到器件適應電源。整個機械臂共采用了6個舵機，有6個自由度，從機械的角度來說可以在一定范圍內輕松抓取物體，有著良好的自由特性。依此得，驅動電路設計如圖1所示、慣導電路的PCB設計如圖2所示、慣導電路設計如圖3所示。

圖1 驅動電路設計

圖2 慣導電路的PCB設計

圖3 慣導電路設計

機械設計主要包括密封艙體、端蓋設計、舵機支架、浮力材料和電纜。水下清洗曝氣盤機器人機械設計的3D建模圖如圖4所示，外體結構如圖4（a）所示，曝氣器抓取結構如圖4（b）所示。其中，1為水下垂直推進器提供垂直升力；2為浮力材料，為靜止載體提供額外的浮力；3為水下水平推進器提供水平升力；4為水下載體框架用來搭載工具；5為水下清洗工具用來拆卸曝氣器；6為水下攝像頭用來進行雙目視覺以及圖傳；7為水密電機用來拆卸曝氣器；8為絲杠提供定位機構的移動軌跡；9為螺母；10為定位機構用來提高抓取曝氣器的成功率；11為卡箍用來固定曝氣器。

圖4 水下清洗曝氣盤機器人機械設計

3 軟件設計

軟件設計主要包括雙目視覺定位的目標跟蹤，實現解算相對位置以及目標匹配跟蹤識別、聲吶的目標測距、清洗器的壓力傳感匹配應力抓取設計和慣性器件的解算以至于實現對機器本體的測位測姿、機械臂壓力傳感匹配應力抓取設計、推進器的運行移動以及姿態控制。

為了操作機械臂更加方便。在程序設計上，通過控制臺向機械爪發送期望位置，通過對機械臂的每個擺臂和關節的力學分解和控制每個舵機的轉角讓機械爪處于期望的俯仰角、偏航角與滾動角。機械臂的擺動存在一定的范圍，為了保護舵機不出現堵轉現象，需要對其進行占空比限幅，機械爪的操控程序流程如圖5所示。

圖5 機械爪的操控程序流程圖

操控臺根據圖傳畫面操控載體尋找曝氣器并清洗，由雙目視覺系統和聲吶測距系統共同輔助操控，并由慣導得到的速度、姿態信息通過控制水下推進器的轉速實時校正，當曝氣器進入清潔工具的捕捉范圍時，清潔工具捕捉并開始清洗。清洗曝氣器程序流程如圖6所示。

圖6 清洗曝氣器程序流程圖

聲吶通過計算發射出的聲脈沖返回時間得到目標相對位置距離，根據脈沖發射來測量目標的方位角，因此可以得到一個由反射脈沖強度和方位角組成的圖像。如圖7所示，待測目標在點線范圍內。

圖7 聲吶測距系統效果圖

用雙目視覺系統來對曝氣器的邊緣進行提取以及測量方位，因為在水中清晰度不一定滿足要求，所以需要聲吶系統進行輔助。如圖8所示，安裝在載體的兩個攝像頭在像素中對目標提取有不一樣的定位，經過標定后再根據三角定位法得到目標方位與相對距離。

圖8 雙目視覺系統效果圖

4 結束語

本文設計了一種用于污水池中水下曝氣盤的清洗機器人，通過理論分析和實際設計，得到如下結論：

（1）采用Solidworks軟件實現對于機械結構的設計，依此建立起用于污水池中水下曝氣盤的清洗機器人機械設計。

（2）依據流程分析實現相關軟件設計，依此建立起用于污水池中水下曝氣盤的清洗機器人軟件設計。

（3）完成了一種用于污水池中水下曝氣盤的清洗機器人總體設計分析，依此建立了以曝氣盤為對象的清洗機器人設計。