裴國(guó)棟，卞則武，溫亞楠

?

便攜式水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

裴國(guó)棟，卞則武，溫亞楠

（青島市光電工程技術(shù)研究院，山東青島 266019）

出于對(duì)近海海洋探索的目的，本文應(yīng)用了上次研究[1]的水下ROV空間姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種便攜式水下機(jī)器人。該水下機(jī)器人系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、無(wú)刷電調(diào)、遙控部分以及姿態(tài)傳感器模塊組成，軟件控制以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理由一塊ARM-M3內(nèi)核的處理器完成，編譯軟件使用Kile。水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用3D打印機(jī)制作，材料選用PLA。遙控通訊采用CAN總線協(xié)議。水下機(jī)器人經(jīng)過實(shí)際調(diào)試可以達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求，下潛深度100 M，能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的水下作業(yè)要求。

水下機(jī)器人 姿態(tài)檢測(cè) 水下探測(cè)

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是集運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)、控制理論、電動(dòng)伺服隨動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能理論等科學(xué)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，它的研究與開發(fā)標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。

隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人類已把海洋作為生存和發(fā)展的新領(lǐng)域。海洋的開發(fā)與利用已經(jīng)成為決定一個(gè)國(guó)家興衰的基本因素之一。從而使水下機(jī)器人具有更加廣闊的應(yīng)用前景[8]。

水下機(jī)器人一般可以分為兩大類：一類是有纜水下機(jī)器人，習(xí)慣稱為遙控潛水器(Remote Operated Vehicle,簡(jiǎn)稱ROV)；另一類是無(wú)纜水下機(jī)器人。習(xí)慣稱為自治潛水器。(Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV)。此外按使用的目的分有水下調(diào)查機(jī)器人（觀測(cè)、測(cè)量、試驗(yàn)材料的收集等）和水下作業(yè)機(jī)器人（水下焊接、擰管子、水下建筑、水下切割等作業(yè)）。按活動(dòng)場(chǎng)所分,有海底機(jī)器人和水中機(jī)器人，如今隨著國(guó)家海洋探索腳步的加快，水下機(jī)器人的研發(fā)以及應(yīng)用也越來(lái)越重要。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 水下控制系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求以及各方面綜合考量系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體（ST）的增強(qiáng)型處理器STM32f103C8T6芯片作為主處理器芯片，負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)以及對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行控制，攜帶的傳感器有姿態(tài)傳感器MPU6050（負(fù)責(zé)獲取水下機(jī)器人實(shí)時(shí)姿態(tài)，用于通過推進(jìn)器閉環(huán)控制）、濕度傳感器DHT11（負(fù)責(zé)檢測(cè)電子倉(cāng)密封性）以及一個(gè)模擬攝像頭，預(yù)留的數(shù)據(jù)接口有SPI、串口及IIC等，可根據(jù)后期需要掛載其他傳感器[2]。此外還留有的通訊接口有CAN以及RS485遙控暫用的CAN通訊接口。通訊線纜使用水下六芯雙絞屏蔽纜，分別用于傳輸控制信號(hào)、攝像頭模擬信號(hào)以及電源。水下機(jī)器人系統(tǒng)框圖圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

其他方面，推進(jìn)器使用12 V供電，最大推力可達(dá)11 N，兩側(cè)推進(jìn)器同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，可使水下機(jī)器人的航速達(dá)到1 m/s。攝像頭選用的RunCam nano FPV迷你14*14 650TVL攝像頭，圖像清晰，視野廣闊。

1.2 水上遙控監(jiān)控系統(tǒng)

水上遙控監(jiān)控系統(tǒng)分為遙控器以及監(jiān)控平臺(tái)，遙控器為四通道，其中三通道分別控制水下機(jī)器人的前-后、左-右以及升-潛，其余一個(gè)通道預(yù)留為控制水下視頻云臺(tái)。水下視頻采用移動(dòng)終端來(lái)實(shí)時(shí)顯示，水下模擬視頻通過MicroUSB接口的視頻采集卡連接至手機(jī)或者PAD的MicroUSB接口，然后通過設(shè)備的OTG功能來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及顯示。此外遙控系統(tǒng)還預(yù)留了藍(lán)牙BLE接口，后期可通過藍(lán)牙將水下傳感器以及水下機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)傳輸至移動(dòng)終端顯示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

軟件部分采用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)代碼編寫，主要是因?yàn)镃語(yǔ)言具有較好的移植性，開發(fā)環(huán)境采用Kile5，STM32使用3.5版本的函數(shù)庫(kù)。

水下機(jī)器人軟件系統(tǒng)主要使用了姿態(tài)融合算法以及傳統(tǒng)PID算法,考慮到控制的時(shí)效性相關(guān)算法均在5 ms定時(shí)器中斷內(nèi)完成，此外遙控?cái)?shù)據(jù)接收也是通過中斷來(lái)完成。大大保證了遙控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，main函數(shù)里面做一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較低的工作。

2.2 C語(yǔ)言代碼的實(shí)現(xiàn)

初始化函數(shù)主要完成對(duì)中斷向量表、定時(shí)器中斷、CAN控制器、PWM以及其他外設(shè)的初始化工作[3]。以下是幾個(gè)主要的控制函數(shù)：

NVIC_Configuration()：設(shè)置NVIC中斷分組

RobotWH_Init()：初始化硬件底層

moto_PwmRflash(&Can_data_step[0])：將推進(jìn)器數(shù)據(jù)送達(dá)至相應(yīng)PWM端口

RC_Analy()：通訊協(xié)議的編解碼

Prepare_Data()：傳感器數(shù)據(jù)的采集

Get_Attitude()：態(tài)解算函數(shù)[6][7]

Control(angle.roll,angle.pitch,0)：通過解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行PID閉環(huán)控制。[8]

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式水下機(jī)器人整體采用流線型設(shè)計(jì)，整體尺寸為298×297×149 m。采用三個(gè)推進(jìn)器為水下機(jī)器人提供動(dòng)力，在水下機(jī)器人的中間位置設(shè)計(jì)有垂向推進(jìn)器，左、右兩側(cè)位置設(shè)計(jì)有水平推進(jìn)器。通過三個(gè)推進(jìn)器即可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。水下機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水下機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

水下機(jī)器人的殼體分為上蓋和下蓋，均采用3D打印的方式制造。兩側(cè)的水平推進(jìn)器通過安裝架，安裝在下蓋左、右兩側(cè)的涵道內(nèi)，中間的垂向推進(jìn)器安裝在上蓋的垂向涵道內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的上浮和下潛。左、右兩側(cè)的推進(jìn)器差速轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩個(gè)密封艙，分別安裝在下蓋的前后位置。后密封艙為電源艙，內(nèi)部放置一個(gè)容量為6000 Ah的鋰電池，為水下機(jī)器人提供能源，可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人45分鐘左右不間斷工作。前密封艙為控制艙，內(nèi)置有小型攝像頭，LED燈和水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

主體使用的是高透明亞克力材質(zhì)，厚度為3 m，可承受100 深的水壓。兩側(cè)的艙蓋使用光固化3D打印方式加工制作，具有成型精度高的優(yōu)點(diǎn)。密封艙與艙蓋之間通過O型密封圈進(jìn)行密封[4]，電源線和控制線纜等通過水下穿線螺栓穿過艙蓋[5]。其中，控制線纜穿出密封艙后，通過線卡穿出上蓋。線卡固定在上蓋的安裝孔上，線卡內(nèi)部有壓緊螺栓可以將線纜固定?？刂凭€纜連接地面遙控器，可以傳輸視頻信號(hào)和控制信號(hào)。水下機(jī)器人的最大下潛深度可達(dá)100米。水下機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。1-殼體，2-推進(jìn)器，3-電源艙，4-線卡，5-控制艙，6-攝像頭

圖3 水下機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

將機(jī)器人樣機(jī)放于體積4*3*3的水箱中測(cè)試機(jī)器人速度、俯仰角度、視頻清晰度以及遙控穩(wěn)定性等指標(biāo)均達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，因此，本課題所研制的便攜式水下機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)初步測(cè)試可以達(dá)到實(shí)際需求，其中各項(xiàng)數(shù)據(jù)為取多次實(shí)驗(yàn)值去掉最大與最小值然后取平均值的方法獲得，其中速度1.45 /s，靜水最大傾斜角度48度，具有多方向?qū)嶋H應(yīng)用推廣性。

[1] 裴國(guó)棟, 溫亞楠, 朱莉莉. 用于水下ROV控制的姿態(tài)融合技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù), 2018, （04）: 56-58.

[2] 劉火良. STM32庫(kù)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M]. 北京: 械工業(yè)出版社, 2017: 20-43.

[3] 張新民, 段洪琳. ARM Cortex嵌入式開發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2016: 14-21.

[4] 羅伯特.諾頓, 黃平.譯. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2016: 33-52.

[5] CAD/CAM/CAE技術(shù)聯(lián)盟. SolidWorks 2016中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通[D]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2017: 19-54.

[6] 盧大偉. 多傳感器數(shù)據(jù)融合方法在新型組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 南京: 東南大學(xué), 2001.

[7] 曾慶華, 張為華. IMEMS 速率陀螺芯片在MAV飛行控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究[J]. 測(cè)控技術(shù), 2004, 23(2).

[8] 張靜, 金志華. 空中平臺(tái)航姿參考系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 12(2): 47-52.

[9] 楊徽. 水下機(jī)器人通訊與控制技術(shù)研究[J]. 船科學(xué)技術(shù)期刊, 2015, 7(3): 17-21.

Research on Attitude Fusion Technique for Underwater ROV Control

Pei Guodong, Bian Zewu, Wen Yanan

（Qingdao Academy for Opto-electronics Engineering, Qingdao 266019, Shandong, China）

TP242

A

1003-4862（2019）01-0014-03

2018-07-26

青島市光電智庫(kù)聯(lián)合基金資助（GDZK-2017-16）

裴國(guó)棟（1991-），男，初級(jí)。研究方向：自動(dòng)控制。E-mail: pei_guodong@foxmail.com