黃麗麗　黃強　蘇敏　臧紅巖

摘? 要：該文設計的主要思路是應用網絡來完成圖像的識別并且進行處理，與在水下工作的機器人系統(tǒng)進行通信，該系統(tǒng)成功制作完畢后能夠通過聯(lián)網進行視頻動畫的傳輸。在光纜的應用上選擇使用RS485作為控制總線，光纜線完成電信號的傳輸，通過加在光纜和以太網之間的光纖收發(fā)器，進行對光電信號的轉換。光纖收發(fā)器的一端連接交換機，而交換機的一端連接雙絞線直到水面平臺。在創(chuàng)新應用方面，該設計提出了通過網絡遠程監(jiān)控水下勘測機器人的功能完成度。在實際應用中，一些專家不能親臨現場指導，這樣通過網絡遠程監(jiān)控就能完成，節(jié)省了人力、物力、財力，使得水下勘測機器人的技術更加科技化。

關鍵詞：智能水下機器人? 弱視覺圖像處理? 勘測

中圖分類號：G64 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（c）-0025-02

隨著人口的增長和耕地的減少，海洋占的比例原來越大，幾乎占地球表面積75%，有80%的生物資源在海洋，所以海洋的探索是值得我們研究的。1990年，經國務院批準成立了金屬勘測和海洋采礦協(xié)會，就世界而論，有很多國家都在加強對海洋的研究和探索。一個國家科技水平的能力體現在對海洋的開發(fā)上。眾所周知，海洋底下環(huán)境復雜惡劣，人類是無法靠近并且能全面深入地探索其中的奧妙，這就需要一些特殊工具或者特殊技術代替人類對浩瀚的海洋進行探索，傳遞有用信息及圖片從而提高人類的科研水平。

1? 系統(tǒng)整體設計

水下機器人運動控制流程如下：攝像頭等傳感器采集到水底的圖像，被水下的主控板接收到;然后主控器對采集到的數據進行處理，處理后的信息從端口輸出命令信號，該信號傳送至控制板，并實時通過光纖傳輸至上位機;上位機發(fā)出的控制信號和數據信息通過光纖收發(fā)器和RS485總線，傳送到水下的主控制板;水下控制器通過接受到的信號完成具體的PWM脈寬調制;H橋驅動板接收到PWM脈寬調制信號后就控制推進器的完成水下動作。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)主控芯片

主機器人運動部分主控芯片采用STC15單片機，此系列單片機是STC推向市場的一種8位超低功耗單片機，集成化較高的，功能較強的利用微處理器進行工作的芯片。

2.2 采集處理系統(tǒng)的設計

由于系統(tǒng)需要控制推進器和采集視頻數據，對處理器的性能要求較高。此外，處理器還要有很高的數據交換速度、較好的網絡支持以及較強的圖像處理能力。同時，要求處理器能為后續(xù)開發(fā)搭載各類傳感器預留接口，例如 SPI、IIC、RS232接口等。將運動控制處理器與圖像處理處理器分開使用。圖像處理部分使用OV9715 CMOS圖像傳感器， 圖像處理的主控芯片選用LPC4330。需要在通信系統(tǒng)基礎上實現了機器人圖像采集系統(tǒng)，采用了OmniVision 推出OV9715 CMOS圖像傳感器。該傳感器可用于360°視圖以及其他獨立攝像頭或多攝像頭汽車視覺系統(tǒng)中。這款100萬像素的OV9715是一款完全達到AEC-Q100標準的CMOS圖像傳感器。

圖像處理的主控芯片選用LPC4330是針對嵌入式應用的ARM Cortex-M4 微控制器，搭載1個ARMCortex-M0協(xié)處理器、高達264kB SRAM、高級可配置外設（如狀態(tài)可配置定時器（SCT）和串行通用I/O （SGPIO）接口）、2個高速USB控制器、以太網、液晶顯示器、1個外部存儲控制器和多個數字和模擬外設。LPC4330 CPU工作頻率高達204MHz。LPC4330將對采集的數據進行處理分析，并將數據上傳至上層機，同時分析數據后對運動主控芯片發(fā)出下一步指令。

2.3 推進器設計

為了使機器人在水中各種情況下有充足的動力，動能部分設計為雙動能。推進器使用了自主設計的同軸串聯(lián)主動反水系統(tǒng)。

2.4 H橋驅動設計

有刷直流電機的正反轉是由電壓的正負極控制的，其控制方法比較簡單，通過改變電壓的大小從而控制電機的轉速。目前很多的直流電機通過PWM脈寬調制信號控制電機的平均電壓的大小，從而對電機的速度進行控制調節(jié)。直流電機的轉速公式如（1）所示。

式中，Uα為電機兩端電壓;Iα為電機電流;∑Rα為電機電路總電阻;φ為每級磁通量（Wb）;Ce為電機常數。

全橋芯片來完成對驅動板的設計，這樣設計相對來說比較穩(wěn)定，但該芯片的缺點也很多，其內阻比較大，對大電流電機啟動時，芯片常常過熱，導致系統(tǒng)效率降低。并且，該芯片的內阻很大會阻礙推進器的加速度?；谏鲜龇治?，該文采用基于MOS管組成H橋電路來完成設計。每個推進設備備一個H驅動板，單獨工作，設置時序后可以協(xié)同工作?？刂瓢鍌鬏數腜WM信號送至驅動可以完成電機的雙向轉動，改變PWM信號占空比即可調節(jié)推進器速度。

2.5 光纖收發(fā)器

該文用到的光纖收發(fā)器是一種網絡轉換器，主要用來轉換光電的器件。通過光纖收發(fā)器轉換雙絞線網絡和光纖網絡。這樣雙絞線的傳輸距離得到了很大的擴展，該系統(tǒng)共需要兩個光纖收發(fā)器，一個安裝在水面平臺系統(tǒng)中，另一個安裝在水下機器人上。

3? 系統(tǒng)軟件部分

（1）水下勘測機器人應用程序。采集程序有兩個包括圖像和視頻，控制程序如推進器的工作，端口的驅動工作程序，聯(lián)網的通信程序，多方位運行程序。設計時應該著重考慮現場工作的實時性，能夠并行處理信息，用來提高處理器的使用效率。（2）水面涉及平臺應用程序。人機觸摸界面，遠程操縱控制程序，機器人通信程序。

4? 課題的創(chuàng)新點

機器人動能部分設計為雙動能，一為電機驅動車輪，二為推進器。在水中懸浮狀態(tài)運動時以推進器為主要動力，在水底以車輪為主要動力。該推進器為項目組自主設計的單軸聯(lián)動主動式防水推進器。在外部推力螺旋槳作業(yè)時，會有水流入，而內部泄流排水渦輪會同時轉動將水排出，且兩葉輪交錯分布，經過計算達到動平衡，運轉時可以減少軸的震動。

該水下機器人采用的機械臂為創(chuàng)新設計。該機械臂模擬人手抓取物品并采用MG996R舵機控制，可對水下資源樣本及養(yǎng)殖產業(yè)產生的附著物進行抓取。

機載攝像頭快速導航，在機載攝像頭上對采集到的數據進行快速處理：（1）圖像增強。（2）動態(tài)閾值分割。結合圖像的分割結果和超聲波探測結果，快速確定障礙物范圍，規(guī)劃行進路線。

上位機回傳的精確導航：機載攝像頭將圖像元數據傳達至上位機，經上位機深入處理，進行最優(yōu)路徑規(guī)劃和復雜動作設計后將指令回傳至勘測機器人。

5? 結語

水下勘測機器人的主要技術是如何進行通信和如何進行控制的，該文使用嵌入式系統(tǒng)來研究水下勘測機器人的核心部件。充分利用了嵌入式功能較強，性能穩(wěn)定不易可變，系統(tǒng)可以隨時定制的特點，該文設計的一款水下勘測機器人體積較小與嵌入式系統(tǒng)相互配合，使控制更加的科學。通過理論的分析，對實物加以制作，通過試運行，有很好的現實指導意義。

參考文獻

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