（哈尔滨哈船特装科技发展有限公司 黑龙江 哈尔滨 150010）
摘要:本文提出了一种小型水下观测遥控式机器人的设计方法，重点解决了结构设计和远程控制中有关的密封方式、机械手设计、摄像机云台设计、驱动方式、水下控制等问题，并通过实验验证了该设计方法的可行性和有效性;相比同类产品，具有性能稳定、功耗低、价格低廉等优点。
关键词:水下机器人 控制系统
0引言
在国内，小型水下机器人技术同国外相比还存在一定的差距，由于体积较大，无法适应小型水下环境作业，故形成产品较少。而随着国内核电工业的发展、江河湖海水资源的不断利用，带来的一系列有关水下检侧遇到的问题也将越来越多。因此研制出在特殊环境中进行水下观侧作业并具备一定抓取能力的小型水下机器人具有十分重要的现实意义。同时在水下养殖、考古、探矿、航运及水下工程监侧等一些危险的场合或人不方便检查的场合，远程小型水下观侧机器人也具有广阔的应用空间。
本文所研制的小型水下观侧机器人其主要的性能指标如下:
采用流线型外形，浮游移动方式，遥控式控制;
运动速度:纵向lkn.、垂向0.6kn.;
工作水深为:0一50 m;
本体尺寸:480mm/280mm/250mm;
重量:(空气中)12kg
1总体方案设计
1.1系统组成及工作原理
小型水下观侧机器人主要由人机交互平台、上位系统、下位系统、摄像机四部分组成，操作人员通过有线遥控，结合人机交互界面上的水下视频图像，只需扳动上位系统控制面板上相应的运动控制按钮即可实现对水下机器人的运动控制，操作简单、实用。
1.2前摄像头云台装置设计
考虑到水下光的衰减非常大、散射现象也相当严重，为扩大CCD摄像头的取景范围，提高图像清晰度，有必要设计摄像头云台装置。直流伺服电机传动轴4经传动带3带动整个摄像头1俯仰装置竖直方向±60°旋转。
1.3驱动方式的选用
几乎所有的水下机器人都采用螺旋桨式推进器。80%以上采用电机推进器，其余采用油压电机推进器。水下机器人要实现水下空间的六维(六自由度)运动，即三个平移运动:推进( S urge ,沿x轴)、升沉(Heave ,沿z轴)、横移(S way ,沿y轴)和三个回转运动:转首(Yaw,绕z轴)、纵倾(Pitch ,绕y轴)、横摇(Roll ,绕x轴）。为使水下机器人在所有六维上的运动都是可控的，须适当选用推进器的数量和给予不同的布置。
根据本水下机器人的使用目的，不需要使用六维运动，只要三个自由度即可，即推进、升沉和转首。我们选用了三个直流电机推进器，分别布置在机器人本体的水平左右两侧和中部垂直处，左右推进器完成推进和转首两个动作，垂推进器完成升沉动作。
1.4能源供给方式的选用
其能源供给方式有两种选择:有缆方式或无缆方式，对于无缆水下机器人能源供给一般在机器人舱体安装蓄电池或是带燃油发电机组，这就造成水下机器人本体体积庞大、超重，此外蓄电池所储存的能力有限，且受电池质量、充电工艺等因素的影响。根据实际应用环境，此机器人工作所要求的行走距离不是很大，故设计时采用了有缆远程遥控方式，这样既可减小本体尺寸、重量，又保证了控制操作的有效性和可靠性，当设备出现不可预料的故障时可通过缆线撤回安全区域，不至于丢失。
2控制系统设计
本文所研究水下机器人的控制系统主要由水下机器人和水上控制箱两部分组成，下面就各部分分别进行详细说明。
2.1水下机器人控制系统设计
主要包含主处理器核心模块、电机驱动模块、传感器模块和视频切换模块等，实现对机器人推进器的动力驱动、上下位机的通讯以及视频图像的切换等。
水下机器人本体的左右两边各安装1个主推进器，分别由2个直流电机通过联动轴与螺旋桨相连，实现水下机器人前进、后退、左转、右转运动;垂直方向安装有1个垂推进器，实现机器人上升、下沉运动。前变焦摄像机安装有垂直方向一维云台，避免摄像死区;同时，机器人本体底部还安装有机械手，实现轻量级的异物抓取。在机器人电子舱内安装有深度计、温度计和数字式电子罗盘传感器，满足实际作业环境需要，为检修人员提供了丰富的作业环境信息。
设计中，我们采用了常见的小型控制箱作为岸上控制平台，其外形尺寸为372mm X 266mm X 134mm，具有体积小，携带方便的特点。其内部硬件模块主要包含主处理器核心模块和液晶显示模块，完成上下位机间的通讯，视频图像、传感器信息显示，实现人机交互。
其内部集成的14路12位模数转换器和串口通讯模块，操作人员只需通过设定控制面板上各按键、摇杆，经AD转换，将各模拟量转换为数字量，经串口通讯模块来实现控制箱对下位控制系统各推进器速度、方向的控制、照明灯的亮度调节以及摄像机云台、机械手的运动设定。
2.3控制系统软件设计
软件是在IAR公司的Embedded Workbench下开发的，它提供了方便且功能丰富的界面，使开发和调试的效率大大提高。我们采用它作为开发平台，用C语言来设计系统软件。控制器软件设计包括两大部分，即上位系统程序设计和下位系统程序设计。
上位系统程序主要完成系统上电初始化，控制面板各按键、摇杆信息的采集，液晶模块显示，与下位系统的通讯等工作。
下位系统程序主要完成电机速度、方向的设定，各传感器信息的采集，与上位系统的通讯等工作。同上位系统一样，它也采用了顺序结构往复运行。
3结束语
结果表明该系统控制精度高，功耗低，实时性好，具有很强的抗干扰能力，能有效地用于浅水巡航观侧。
参考文献:
[1]翟宇毅，刘亮，龚振邦.超小型水下机器人的发展现状及若干问题探 讨[[J].机床与液压，2015, 2:1-4.
[2]程毅.水下小型爬行视频监测机器人设计与控制的研究[[J].中国水运，2017, OS:132-134.
[3]蒋新松，封锡盛，王棣堂.水下机器人[M].沈阳:辽宁科学技术出版社， 2016, 1:40-41.
作者简介：丁天宝（1984.03—），男，产品设计工程师，长期从事产品设计工作
论文作者:丁天宝
论文发表刊物:《科技研究》2018年7期
论文发表时间:2018/9/10
标签：水下论文; 机器人论文; 推进器论文; 系统论文; 上位论文; 本体论文; 控制系统论文; 《科技研究》2018年7期论文;