自主导航水下勘测机器人
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作者:黄丽丽 黄强 苏敏 臧红岩
摘 要：该文设计的主要思路是应用网络来完成图像的识别并且进行处理，与在水下工作的机器人系统进行通信，该系统成功制作完毕后能够通过联网进行视频动画的传输。在光缆的应用上选择使用RS485作为控制总线，光缆线完成电信号的传输，通过加在光缆和以太网之间的光纤收发器，进行对光电信号的转换。光纤收发器的一端连接交换机，而交换机的一端连接双绞线直到水面平台。在创新应用方面，该设计提出了通过网络远程监控水下勘测机器人的功能完成度。在实际应用中，一些专家不能亲临现场指导，这样通过网络远程监控就能完成，节省了人力、物力、财力，使得水下勘测机器人的技术更加科技化。
关键词：智能水下机器人 弱视觉图像处理 勘测
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（c）-0025-02
随着人口的增长和耕地的减少，海洋占的比例原来越大，几乎占地球表面积75%，有80%的生物资源在海洋，所以海洋的探索是值得我们研究的。1990年，经国务院批准成立了金属勘测和海洋采矿协会，就世界而论，有很多国家都在加强对海洋的研究和探索。一个国家科技水平的能力体现在對海洋的开发上。众所周知，海洋底下环境复杂恶劣，人类是无法靠近并且能全面深入地探索其中的奥妙，这就需要一些特殊工具或者特殊技术代替人类对浩瀚的海洋进行探索，传递有用信息及图片从而提高人类的科研水平。
1 系统整体设计
水下机器人运动控制流程如下：摄像头等传感器采集到水底的图像，被水下的主控板接收到;然后主控器对采集到的数据进行处理，处理后的信息从端口输出命令信号，该信号传送至控制板，并实时通过光纤传输至上位机;上位机发出的控制信号和数据信息通过光纤收发器和RS485总线，传送到水下的主控制板;水下控制器通过接受到的信号完成具体的PWM脉宽调制;H桥驱动板接收到PWM脉宽调制信号后就控制推进器的完成水下动作。
2 系统硬件设计
2.1 系统主控芯片
主机器人运动部分主控芯片采用STC15单片机，此系列单片机是STC推向市场的一种8位超低功耗单片机，集成化较高的，功能较强的利用微处理器进行工作的芯片。
2.2 采集处理系统的设计
由于系统需要控制推进器和采集视频数据，对处理器的性能要求较高。此外，处理器还要有很高的数据交换速度、较好的网络支持以及较强的图像处理能力。同时，要求处理器能为后续开发搭载各类传感器预留接口，例如 SPI、IIC、RS232接口等。将运动控制处理器与图像处理处理器分开使用。图像处理部分使用OV9715 CMOS图像传感器， 图像处理的主控芯片选用LPC4330。需要在通信系统基础上实现了机器人图像采集系统，采用了OmniVision 推出OV9715 CMOS图像传感器。该传感器可用于360°视图以及其他独立摄像头或多摄像头汽车视觉系统中。这款100万像素的OV9715是一款完全达到AEC-Q100标准的CMOS图像传感器。
图像处理的主控芯片选用LPC4330是针对嵌入式应用的ARM Cortex-M4 微控制器，搭载1个ARMCortex-M0协处理器、高达264kB SRAM、高级可配置外设（如状态可配置定时器（SCT）和串行通用I/O （SGPIO）接口）、2个高速USB控制器、以太网、液晶显示器、1个外部存储控制器和多个数字和模拟外设。LPC4330 CPU工作频率高达204MHz。LPC4330将对采集的数据进行处理分析，并将数据上传至上层机，同时分析数据后对运动主控芯片发出下一步指令。
2.3 推进器设计
为了使机器人在水中各种情况下有充足的动力，动能部分设计为双动能。推进器使用了自主设计的同轴串联主动反水系统。
2.4 H桥驱动设计
有刷直流电机的正反转是由电压的正负极控制的，其控制方法比较简单，通过改变电压的大小从而控制电机的转速。目前很多的直流电机通过PWM脉宽调制信号控制电机的平均电压的大小，从而对电机的速度进行控制调节。直流电机的转速公式如（1）所示。
式中，Uα为电机两端电压;Iα为电机电流;∑Rα为电机电路总电阻;φ为每级磁通量（Wb）;Ce为电机常数。
全桥芯片来完成对驱动板的设计，这样设计相对来说比较稳定，但该芯片的缺点也很多，其内阻比较大，对大电流电机启动时，芯片常常过热，导致系统效率降低。并且，该芯片的内阻很大会阻碍推进器的加速度。基于上述分析，该文采用基于MOS管组成H桥电路来完成设计。每个推进设备备一个H驱动板，单独工作，设置时序后可以协同工作。控制板传输的PWM信号送至驱动可以完成电机的双向转动，改变PWM信号占空比即可调节推进器速度。
2.5 光纤收发器
该文用到的光纤收发器是一种网络转换器，主要用来转换光电的器件。通过光纤收发器转换双绞线网络和光纤网络。这样双绞线的传输距离得到了很大的扩展，该系统共需要两个光纤收发器，一个安装在水面平台系统中，另一个安装在水下机器人上。
3 系统软件部分
（1）水下勘测机器人应用程序。采集程序有两个包括图像和视频，控制程序如推进器的工作，端口的驱动工作程序，联网的通信程序，多方位运行程序。设计时应该着重考虑现场工作的实时性，能够并行处理信息，用来提高处理器的使用效率。（2）水面涉及平台应用程序。人机触摸界面，远程操纵控制程序，机器人通信程序。
4 课题的创新点
机器人动能部分设计为双动能，一为电机驱动车轮，二为推进器。在水中悬浮状态运动时以推进器为主要动力，在水底以车轮为主要动力。该推进器为项目组自主设计的单轴联动主动式防水推进器。在外部推力螺旋桨作业时，会有水流入，而内部泄流排水涡轮会同时转动将水排出，且两叶轮交错分布，经过计算达到动平衡，运转时可以减少轴的震动。
该水下机器人采用的机械臂为创新设计。该机械臂模拟人手抓取物品并采用MG996R舵机控制，可对水下资源样本及养殖产业产生的附着物进行抓取。
机载摄像头快速导航，在机载摄像头上对采集到的数据进行快速处理：（1）图像增强。（2）动态阈值分割。结合图像的分割结果和超声波探测结果，快速确定障碍物范围，规划行进路线。
上位机回传的精确导航：机载摄像头将图像元数据传达至上位机，经上位机深入处理，进行最优路径规划和复杂动作设计后将指令回传至勘测机器人。
5 结语
水下勘测机器人的主要技术是如何进行通信和如何进行控制的，该文使用嵌入式系统来研究水下勘测机器人的核心部件。充分利用了嵌入式功能较强，性能稳定不易可变，系统可以随时定制的特点，该文设计的一款水下勘测机器人体积较小与嵌入式系统相互配合，使控制更加的科学。通过理论的分析，对实物加以制作，通过试运行，有很好的现实指导意义。
参考文献
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[2] 王丽荣.水下机器人控制系统故障诊断研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
[3] 成巍，苏玉民，秦再白，等.一种仿生水下机器人的研究进展[J].船舶工程，2004，26（1）：5-8.
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