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(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)污水的排放逐漸增多，影響著實際生產(chǎn)生活，而在污水處理環(huán)節(jié)中，最為緊要的是能夠處理廢水中好養(yǎng)生物量的維持，而曝氣盤就是這一生物量維持的關(guān)鍵所在，曝氣盤能夠曝氣產(chǎn)生該生物維持生存所需的溶解養(yǎng)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(yōu)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(xiàn)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(yè)，且水下工況較為復雜，另一方面以人為主體的單元作業(yè)需要攜帶一定的設備，包括支撐人體上浮下沉的纜繩，作業(yè)于曝氣盤的酸堿溶液，以及一定的水下作業(yè)工具，作業(yè)效果也不太理想。伴隨著水下機器人技術(shù)的成熟發(fā)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(wěn)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(tǒng)的工作環(huán)境分為水上和水下。在水上，操控臺發(fā)出的操控指令經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器增強、編碼后進入電纜進行電傳輸；輸線裝置根據(jù)水下載體的駛出距離調(diào)節(jié)電纜線長度；電力傳輸系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成不同的電壓向各個需電裝置供電；傳輸?shù)闹噶钚盘柦?jīng)過水下載體搭載的信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成上位機可以識別的串口通信協(xié)議，實時進行操控。上位機連接著雙目視覺系統(tǒng)，對曝氣器的相對位置進行解算，同時用聲吶測距系統(tǒng)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(tǒng)，可以更快地讓水下載體校正速度和姿態(tài)。

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(wěn)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(wěn)壓采用4塊逐飛生產(chǎn)的MP2482穩(wěn)壓模塊以及2塊專供12 V的2 596穩(wěn)壓模塊，其間MP2482可穩(wěn)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(diào)對占空比信號進行解調(diào)，來控制3線無刷電機。根據(jù)其特性：標準PWM信號脈沖時間：1 000～2 000μs之間，以1 500μs為0轉(zhuǎn)速，1 000～1 500μs反轉(zhuǎn)、1 500～2 000μs正轉(zhuǎn)。穩(wěn)壓模塊由高電壓轉(zhuǎn)為低電壓，為開關(guān)穩(wěn)壓，通過電路的開關(guān)來調(diào)節(jié)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(nèi)輕松抓取物體，有著良好的自由特性。依此得，驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，曝氣器抓取結(jié)構(gòu)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(gòu)的移動軌跡；9為螺母；10為定位機構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(fā)送期望位置，通過對機械臂的每個擺臂和關(guān)節(jié)的力學分解和控制每個舵機的轉(zhuǎn)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(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)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(jù)圖傳畫面操控載體尋找曝氣器并清洗，由雙目視覺系統(tǒng)和聲吶測距系統(tǒng)共同輔助操控，并由慣導得到的速度、姿態(tài)信息通過控制水下推進器的轉(zhuǎn)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(fā)射出的聲脈沖返回時間得到目標相對位置距離，根據(jù)脈沖發(fā)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(nèi)。

圖7 聲吶測距系統(tǒng)效果圖

用雙目視覺系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過標定后再根據(jù)三角定位法得到目標方位與相對距離。

圖8 雙目視覺系統(tǒng)效果圖

4 結(jié)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(jié)論：

（1）采用Solidworks軟件實現(xiàn)對于機械結(jié)構(gòu)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(jù)流程分析實現(xiàn)相關(guān)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。