龍建成，彭彬烘，田秀云，王慧，陸源，張逸華，陳倬彬

（廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，廣東湛江，524088）

0 引言

潛水員參與救撈工作時面臨著很大的風(fēng)險，主要包括：水流速度大時，潛水員為了潛入水底可能需要通過攜帶鉛塊增加自身重量，增加風(fēng)險；水下情況復(fù)雜多變，可能存在渦旋、殘余漁網(wǎng)等，加大風(fēng)險；一些水域環(huán)境可能存在石油污染、化工污染，對救撈人員身心傷害極大。因此在這種情況下，水下機器人下潛深度大，不受水流、水溫、能見度等因素的影響，同時有一定的續(xù)航能力，可以長時間在水下工作，在應(yīng)急救援中的應(yīng)用也越來越受到人們關(guān)注。

1 總系統(tǒng)設(shè)計

本作品采用32位高性能ARM Cortex-M3處理器為核心的STM32F103ZET6作為主控芯片和樹莓派B3進行圖像采集。當(dāng)本作品工作時，STM32芯片通過輸出脈沖寬度調(diào)制波(PWM)實現(xiàn)對六路水下推進器的控制，再通過控制不同水下推進器的啟停及速率大小實現(xiàn)讓機器人在水下可以靈活移動的功能。操作者通過WiFi模塊使PS2手柄對機器人進行遠程操作，當(dāng)機器人到達落水人身旁時，可以使用手柄操作機械臂對落水人進行救援。通過攝像頭采集圖像傳回到樹莓派進行處理，再傳送到頭戴VR設(shè)備，眼睛可以看到水下的狀況，從而更準(zhǔn)確地操作機器人對落水者進行救援。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件設(shè)計

我們選擇內(nèi)核為32位高性能ARM Cortex-M3處理器、時鐘為72MHz的STM32F103芯片。STM32芯片具有512KB的FLASH存器64KB的SRAM存儲器，擁有有144個引腳和112個IO，支持SWD和JTAG調(diào)試，這讓STM32芯片具有強大的運算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸能力，讓硬件系統(tǒng)可以工作。STM32多達11個定時器，每個定時器可以產(chǎn)生PWM輸出，讓單片機穩(wěn)定地工作。

1.1.1主控板最小系統(tǒng)

主控板最小系統(tǒng)為STM32最小系統(tǒng)，使用8MHz的外部晶振作為MCU的RC振蕩器，每個電源接口接一個容量為0.1μF的濾波電容，濾除交流成分，使輸出的直流更平滑，防止不穩(wěn)定的電源影響MCU的工作。還有BOOT設(shè)置電路、按鍵復(fù)位電路、J-Link接口電路。主控板最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 主控板最小系統(tǒng)圖

1.1.2 電源電路

電源方面采用5V的電源供電，電路中的3.3V的電由AMS1117-3.3為主芯片的轉(zhuǎn)換電路提供。這種電路的可靠性高，電路穩(wěn)定，可以有效地位電路供電。其穩(wěn)壓電路如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電路圖

1.1.3 MPU6050

MPU6050是一款6軸遠動處理組件，內(nèi)部整合了3軸陀螺儀、3軸加速度傳感器，并且含有一個第二IIC接口。利用 MPU6050 芯片內(nèi)部的數(shù)字運動處理器模塊，可對傳感器數(shù)據(jù)進行濾波、融合處理，直接通過 IIC 接口向主控器輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)，降低運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷，同時降低了開發(fā)難度。MPU6050電路圖如圖4所示。

圖4 MPU6050電路圖

1.2 外觀設(shè)計方案

機器人的外殼框架主要是由以光敏樹脂為原材料的光固化打印技術(shù)打印而成的。外殼的設(shè)計是使用SOILDWORKS 2021進行3維建模。作品總長：600mm，總寬：545mm，總高：550mm。我們采用的是水下有攬操作式潛行器（水上的操作員可以通過手柄控制機器人在水下的姿態(tài)，而機器人在水下的狀態(tài)數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)線傳輸給電腦的上位機）。并且，我們機器人的下半部分還裝有攝像頭和兩個照明燈，除此之外，我們在攝像頭下方還裝有一個可以左右擺動的機械臂，用于水下的救援操作。所以，我們的作品可分為三大部分，分別是密封艙，外殼框架，機械臂。

1.2.1 密封艙的設(shè)計

因為我們的外殼有比較大面積的鏤空部分，所以，我們將密封艙設(shè)計的具有一定的流線型，不僅能減少機器人行進中的阻力，而且避免水壓集中在一些直角結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致滲水風(fēng)險的增加。我們分別設(shè)計了兩個密封艙，兩個密封艙都是由透明亞克力制作而成。首先，第一個密封艙用來放置主板和一些主要的電子設(shè)備，這個密封艙后蓋部分的打孔，主要用于開關(guān)接口，通訊線，燒錄程序口等的連接。接口處以及艙體和艙蓋的連接部分，都采用密封圈密封，增加提高密封艙的密封性。而第二個密封艙也具有一定的流線型，而這第二個密封艙的用途是用來放置攝像頭，并且在這個密封艙的后面留有一個孔，用于數(shù)據(jù)線的連接。圖5、圖6和圖7為密封艙的結(jié)構(gòu)外形。

圖5 密封艙后蓋

圖6密封艙總體結(jié)構(gòu)

圖7 攝像頭密封艙結(jié)構(gòu)

1.2.2 電機的布局設(shè)計

我們的外殼造型主要是球形，這不僅能減少機器人在水中行進時的阻力；而且還能使外殼的受力均勻，能在水下進行較為靈活的姿態(tài)調(diào)整。除此之外，球形的外殼，還能使機器人的重心，基本與機器人的形心相吻合，使其能在水中更好的保持穩(wěn)定。至于電機的放置，我們則是在外殼的內(nèi)部設(shè)計了6條通道，為了使機器人能實現(xiàn)在6個自由度上的調(diào)整。根據(jù)仿真計算和實測，我們采取了6電機布局。這6個電機都是防水無刷電機。如圖8所示，兩個電機豎直放置，主要負責(zé)提供下潛和上浮的動力，同時也可以利用這兩個電機的差速實現(xiàn)機器人繞x軸的轉(zhuǎn)動；另外四個電機則是橫向放置在半球面上，當(dāng)指定兩個相應(yīng)電機同速轉(zhuǎn)動時，即可實現(xiàn)機器人的前進后退和左右橫移，通過6個電機其中指定幾個電機的差速，也可以實現(xiàn)機器人繞z軸和y軸轉(zhuǎn)動。在水下復(fù)雜多變的環(huán)境下，我們的機器人可以通過內(nèi)部的陀螺儀來控制6個電機的轉(zhuǎn)速比，來實現(xiàn)機器人在水下的靈活運動。

圖8 外形框架結(jié)構(gòu)圖

2 水下機器人的功能

該機器人配備6個推進器，其電機為防水無刷電機，每一個推進器采用的是3葉螺旋槳，能夠產(chǎn)生較強的推力，有助于提高救援的成功率。

(1)水下拍攝功能

我們采用的是透明亞克力板來密封和固定攝像頭，再搭配上攝像頭旁邊的兩個照明燈，以及通過軟件算法對機器人進行姿態(tài)調(diào)整，就能夠?qū)崿F(xiàn)全方位實時清晰的拍攝了，更好地觀察水下的環(huán)境。

(2)人機交互功能

水下機器人收集到水下的信息后，通過網(wǎng)線傳輸給電腦上位機，水上的工作人員，通過上位機觀察到水下的環(huán)境后，再通過手柄，控制水下機器人。

(3)機械臂功能

整個機械臂由兩個舵機來控制機械臂的夾持和轉(zhuǎn)動，通過手柄來控制兩個舵機從而控制整個機械臂。在水下，機器人下潛到求救人員的位置后，通過機械臂來實施具體的救援操作。

3 水下機器人的水下控制

PID控制結(jié)構(gòu)簡單，如圖9所示，參數(shù)調(diào)節(jié)容易，其性能在許多場合中也可以被接受，因此PID控制仍然是水下航行器研發(fā)和操作人員廣泛采用的方法?？紤]到水下航行器動力學(xué)非線性的特征，還需要對線性特征的PID控制進行改進，以提升水下航行器PID控制的各項性能[1]。

圖9 PID 控制系統(tǒng)

比例環(huán)節(jié)的作用是調(diào)節(jié)幅值；積分環(huán)節(jié)的作用是調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差；微分環(huán)節(jié)的作用是調(diào)節(jié)超調(diào)量[2]。在水下機器人在水中行進過程中，由于系統(tǒng)會受到水波、水浪、延遲、圖像采集誤差等眾多復(fù)雜的影響，微分環(huán)節(jié)必不可少。而它自身位置和水球的位置均在動態(tài)變化著，因此既定目標(biāo)點也應(yīng)是動態(tài)變化的。由于在水中受水的阻力影響，相當(dāng)于起到一個控制濾波的作用，因此就不會存在穩(wěn)態(tài)誤差的概念，不必引入積分環(huán)節(jié)，而比例環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)中必須存在的，以減少誤差。

為了讓這一控制算法在水下機器人上起作用，我們采用了四個防水電機，兩個向后主要負責(zé)前進后退的動力，同時也可利用差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；另外兩個電機朝向向上，不但用于水下機器人在水中的定深和浮潛，而且還利用機器人內(nèi)部搭載的陀螺儀來進行PID平衡控制算法的調(diào)節(jié)，即可保證機器人在水下不傾斜、不翻倒、實時保持平衡，為后續(xù)其水下機械臂的操作和水下攝像等工作保證穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

4 結(jié)論

在水下救援作業(yè)時候，受到水壓、水波、暗流等環(huán)境變化因素的影響，從而導(dǎo)致機器人的水下運動有較大的不確定性。我們制作的水下救援機器人利用其本身的加速度陀螺儀和PID控制算法的結(jié)合，實現(xiàn)機器人在水下的定位控制、定向控制和定速控制，從而在水下自由平穩(wěn)的運動。通過視頻的攝錄和機械臂的靈活操控，從而實現(xiàn)各種水下救援活動。