基于ARM 的智能水下搜救機器人的設(shè)計★

趙 瑩， 王宇杰， 孟 祥， 薛宇彤

（北華大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 吉林 吉林 132021）

0 引言

在水下救援工作中，水域環(huán)境復(fù)雜，水流湍急，潛水人員體力限制等因素都成為搜救阻礙，且超過30 m的水下更是有很大的安全風(fēng)險。新科技的出現(xiàn)給水下救援帶來了新的希望，水下救援機器人可以搭載多種傳感器，通過上位機進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并實時搜尋[1-3]。救援人員通過攝像頭成像可以迅速發(fā)現(xiàn)溺水人員的位置，在確定目標(biāo)之后，通過機械臂打撈溺水人員，救援效率大大提高。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1 所示，采用32 位高性能ARM Cortex-M3 處理器STM32407IGT6 作為主控芯片。在機器人本體上設(shè)計安裝攝像頭、照明燈等，并且配有良好的水下通訊技術(shù)，更好地傳輸水下圖像信息。機器人設(shè)計了避碰聲吶系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)水下避障和定位功能。設(shè)計了壓力、溫度、速度、姿態(tài)和方位傳感單元。采用續(xù)航力長、且安全成本低的電池供應(yīng)系統(tǒng)，使機器人能較長時間在水下作業(yè)，還設(shè)計了艙門控制單元和彈出式發(fā)信單元，用于故障時上浮于水面定位搜尋。水下機器人采用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照明燈，通過軟件算法對機器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)全方位、實時、清晰地拍攝。攝像頭收集到信息后，通過水聲通信傳輸給電腦上位機。工作人員可以通過手柄，控制水下機器人移動，通過機械臂的末端執(zhí)行器來實施具體的救援操作。

圖1 總體方案

2 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體控制系統(tǒng)

總體控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示，主要包括水上控制器、姿態(tài)控制系統(tǒng)和圖像控制系統(tǒng)三部分[4-5]。姿態(tài)控制系統(tǒng)對水下機器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，包括水下機器人懸?？刂?、水下機器人前進(jìn)、后退以及上浮下潛等控制。圖像控制系統(tǒng)主要是采集水下圖像，包括拍照、錄像等操作。

圖2 總體控制系統(tǒng)

2.2 機器人控制方式

機器人由伺服電機進(jìn)行控制，如圖3 所示，采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的方式來完成水下機器人的控制操作，開環(huán)控制上位機可以直接控制水下機器人的運動，閉環(huán)控制則是利用姿態(tài)傳感器來反饋水下機器人的姿態(tài)，然后對水下機器人進(jìn)行位置控制。

圖3 伺服電機控制系統(tǒng)

3 水下通訊與能源供應(yīng)

3.1 能源系統(tǒng)

機器人采用了鋰離子電池作為系統(tǒng)的主要能源供給方式，鋰離子電池利用鋰離子的濃度差進(jìn)行儲能和放電。

3.2 水下通訊

近距離無線射頻通信采用遠(yuǎn)高于水聲通信（50 kHz 以下）和甚低頻通信（30 kHz 以下）的載波頻率。若利用500 kHz 以上的工作頻率，配合正交幅度調(diào)制（QAM）或多載波調(diào)制技術(shù)，使100 kbit/s 以上的數(shù)據(jù)的高速傳輸成為可能。

水下射頻通信原理圖如圖4 所示，水下射頻通信速率高，可以實現(xiàn)水下遠(yuǎn)近距離的高速率無線雙工通信，從岸上控制中心傳遞遠(yuǎn)程控制信號給水下機器人，機器人接收信號并進(jìn)行水下作業(yè)，收集各種水下環(huán)境信息上送至岸上控制中心。

圖4 水下射頻通信原理

4 水下機器人避障和導(dǎo)航（定位）技術(shù)

避碰聲納[6]采取波束自適應(yīng)穩(wěn)定及垂直波束相控技術(shù)，主要完成對水下環(huán)境的感知，其中，STM32 主控板主要負(fù)責(zé)采集避碰聲納的圖像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行聲納圖像處理和障礙物目標(biāo)信息特征的提取，并將提取出來的障礙物信息發(fā)送到控制中心單元，避碰聲納系統(tǒng)示意圖如圖5 所示。

圖5 避碰聲納系統(tǒng)

本文選擇了多普勒聲納計程儀。根據(jù)多普勒原理，運動著的船只以頻率f 向海底發(fā)射超聲波信號，當(dāng)從海底反射回來的信號頻率被接收時，就會產(chǎn)生一個頻率差值Δf，這個頻率差值Δf 與船運動的速度存在線性關(guān)系。多普勒聲納計程儀就是用來測量艦船在水中運動速度和航程的水聲導(dǎo)航設(shè)備，這種計程儀最突出的特點是具有很高的靈敏度，在200 m 左右水深范圍內(nèi)測相對海底速度，能精確到0.01 節(jié)，并且能同時測出縱向和橫向速度。

5 救援機械臂設(shè)計

采用4 個自由度的機械臂，當(dāng)整個機器人系統(tǒng)到達(dá)某特定位置時，水下機器人處于懸停狀態(tài)，由肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)3 個自由度運動配合，可以使末端執(zhí)行器到達(dá)空間任意位置，從而完成機械手準(zhǔn)確地觸碰目標(biāo)物。加之末端執(zhí)行器的夾持，可以完成由機械手處于收縮狀態(tài)到夾取目標(biāo)物的整個操作。機械臂樣圖如圖6 所示，機械手和機械臂建模如圖7 和圖8所示，水下搜救機器人的整體建模如圖9 所示。

圖6 機械臂樣圖

圖7 機械手建模

圖9 水下機器人整體建模

6 軟件設(shè)計

水下智能搜救裝置工作程序流程如圖10 所示。

圖10 工作程序流程

7 結(jié)論

本文設(shè)計了一款32 位高性能ARM Cortex-M3處理器為核心的水下智能搜救裝置，該裝置以水下搜救為主，機械臂打撈配合，包括了影像設(shè)備、避碰聲納設(shè)備、多傳感器技術(shù)、電機伺服系統(tǒng)以及完好的水下射頻通訊技術(shù)，該裝置可以在不同深淺、不同渾濁程度的河流水域開展快速有效的搜救工作，有效減少溺水事故的發(fā)生。并且該裝置會向著體積更小、兼容性更強、智能化程度更高的方向發(fā)展。