海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人的设计研发_洪天麒.pdf

2023 年第 1 期 49海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人的设计研发海水养殖一直是我国海洋经济的重要组成部分，截至 2021 年底，我国海水养殖面积和产量占全世界总量的 60%，海水养殖规模稳居世界第一。国家高度重视海洋经济的发展，积极支持新技术、新产品在海水养殖领域的使用，提高海水养殖产业的现代化水平。在国家政策的支持下，近年来海水养殖产海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人的设计研发针对当前国内海水养殖领域低成本便携式 ROV 的需求侧与供给侧严重不平衡的状况，从水下巡检机器人结构、装配、操控、算法等方面进行技术攻关，通过技术创新来破解应用难题，探索性地设计了一种低成本、易操作的小型便携式无缆遥控水下机器人，并通过测试验证了设计方案的合理性和可靠性，最后指出了该设计的不足和后续研究改进的技术方向。文/洪天麒、黄兆军*、刘海燕、张雨茵、关若娴 基金项目：1.2023年广东省科技创新战略专项资金（“攀登计划”）资助项目“海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人”（项目编号：pdjh2023b0985）；2.2022 年度珠海城市职业技术学院校级科研项目“一种低成本小型便携式海水养殖专用水下机器人的研发”（项目编号：KY2022Z02Z）；3.2022 年珠海城市职业技术学院校级大学生创新创业训练计划项目“海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人”（项目编号：CXCY202206）。*黄兆军，本文通讯作者。DOI:10.19609/10-1324/tp.2023.01.007Robot industry Forum智能论坛业规模不断扩大，产量逐步提升，呈现出蓬勃发展的良好态势。但是，虽然我国海水养殖的规模很大，养殖的方式却比较落后，海水养殖的主要环节水下巡查，几乎全部靠人工来完成，由于潜水员下潜深度有限、体力有限，因此水下作业时间短且效率低，而且受海况条件影响，作业人员很容易患潜水病，危险系数高，近几年愿意从事该工作的人员越来越少，海水养殖的劳动力成本猛增，海水养殖水下作业领域正陷入严重的人工危机，直接威胁中国海水养殖产业发展。ROV 的研究现状 自从 1953 年世界上第一台无人遥控潜水器诞生以来，因其在水下作业方面发挥的巨大作用，越来越受到人们的重视。截至目前，水下机器人主要可以分为三类：载人水下机器人（简称“HOV”）、自主水下机器人（简称“AUV”）和无人遥控水下机器人（简称“ROV”），本文所研究的是其中一种技术比较成熟且应用广泛的“有缆遥控水下机器人”。从国际上来看，欧美、日本等发达国家和地区对 ROV 的研究起步较早，经过多年的发展，积累了雄厚的技术，具有较高的研发水平，其生产和制造工艺也相对更加成熟，目前国外的 ROV 很多已经进入了实际应用阶段，其中有代表性的国家有美国、德国、英国、法国和日本等。从国内来看，我国最早是从 80 年代才开始关注和研究 ROV，起步较晚，经过几十年的发展也逐步积累了一定的技术，目前已初步具备了研发和生产部分类型 ROV的能力，但是仍然有很多的技术难点需要突破，与国外相比仍有不小的差距。目前，国内各个水下作业需求领域使用的 ROV 产品主要以购买或者租赁国外产品为主，而在核心技术方面国外对我们的封锁比较严重。当前市场上专门用于海水养殖过程中进行水下巡查任务的水下机器人非常少，只有极少数大型海水养殖企业在某些环节使用水下机器人辅助作业，而且体积庞大、价格昂贵的大中型水下机器人，不利于大面积推广使用。海水养殖专用小型便携式 ROV 的设计本文针对影响水下机器人在海水养殖领域大范围推广应用的体积大、价格贵、难操作、不灵活等因素，从结构、装配、操控、算法等方面进行技术攻关，拟开发一种专用小型便携式水下机器人，产品具有易携带、好操作、价格低、灵活高效、适应性强等优势。洪天麒黄兆军珠海城市职业技术学院电气自动化技术专业学生珠海城市职业技术学院高级工程师刘海燕张雨茵关若娴 珠海城市职业技术学院电气自动化技术专业学生珠海城市职业技术学院电气自动化技术专业学生珠海城市职业技术学院电气自动化技术专业学生50 机器人产业|ROBOT INDUSTRY 2023 年第 1 期 51海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人的设计研发总体要求通过对市场上水下机器人的调研情况和海水养殖户（企业）的走访情况，初步确定拟开发产品的技术参数，如表 1 所示。从结构组成上看，该 ROV 主要包括水上控制器、水下 ROV 本体、电源和脐带缆（含绞车）四个部分（如图 1 所示）。其中，水上控制台和 ROV 本体是主要的自主设计部分，其他部分以购买方式直接配备。水上控制台是大脑中枢，水下环境监测、水下运动姿态、摄像头、水下照明等都由水上控制台来实现。供电系统是给 ROV 的水下本体和水上控制台提供动力，保证 ROV功能的实现。其两种方式可以选择，一是用户自行配备有符合要求的直流供电系统进行无限续航，二是选择本体自带的蓄电池进行有限时间的续航。脐带缆及绞车是连接水上控制系统和水下控制系统的介质，实现电力输送和信息传递。ROV 本体则是整个控制系统的核心，水下任务都由其来具体执行。ROV 本体结构考虑到一般的 ROV 本体结构设计需要满足耐压、防水、耐腐蚀、平衡性等较为复杂的条件，在开发难度和开发成本方面，都不利于产品在普通民用领域的大规模推广，因此拟采用 3D 打印技术来进行本体结构设计1。采用改进的 3D 打印技术一次成型（如图 2 所示），其硬度直接达到注塑级水平，在一定的浅水域（100 米以内）可项 目指 标结构型式封闭式（3D 打印一次成型）结构尺寸/mm400300280最大工作水深/m100最大航速/kn4（大约 2m/s）空气中净重/kg6脐带缆长度/m150电源AC 220V 或蓄电池（续航至少 2 小时）水下推进器垂向 3 个，纵向 2 个传感器深度计（深度测试），姿态传感器，温度传感器照明及检测4K 高清摄像机、云台、20W 防水箱 LED 灯 2 只通讯方式RS232、网络通信和电力载波通信功能实现基本控制、深度控制、航向保持、摄像、拍照，记录表 1 产品主要性能参数图 1 总体结构示意图图 2 改进的 3D 打印技术设计的 ROV 外部壳体实物Robot industry Forum智能论坛52 机器人产业|ROBOT INDUSTRY以代替金属材质，既解决了水下机器人本体腐蚀和耐压问题，又大幅降低了成本，真正实现了产品的低成本和小型化。控制系统的硬件设计总体控制系统设计包括水上控制和水下控制两部分，通过脐带缆来进行连接和通信，水上控制部分主要包括控制台和电源系统，水下控制部分采用主控芯片和从控芯片的双芯片控制方式，以实现数据的处理和部件的控制2，其总体设计框图如图 3 所示。水上控制系统部分包括供电系统和控制台，供电系统负责通过一定的转换电路为整个产品提供电力供应，而控制台则完成人机交互、ROV 本体的控制和监控。控制台主要由工控机、操纵摇杆、按键开关、指示灯等组成，获取的信号经过转换后通过 RS232 将数据发送到工控机进行相应的处理和显示，同时进行反馈以控制指示灯。工控机则是整个系统的控制中枢，负责数据存储与分析处理、通信、程序维护等功能，一般由高配置的 PC 机来承担这个角色。水下控制系统主要指水下 ROV 本体控制器，是整个水下机器人控制系统的核心。其主要功能是与水上控制部分进行信息交互（包括接受指令和水下信息上传），实现对水下本体的姿态控制和状态监控。为了保证信息处理的实时性和对控制指令的快速响应，水下控制器选用双主板模式，通过两块控制板的协调配合承担不同的任务部分。一块是主控制板，主要负责与水上控制部分的通信和信息传递；另一块为控制板，主要负责对水下推进电机的状态进行信息采集和动作控制、控制机械手臂的动作和水下照明。水下图像采集。在 ROV 的头部配备360高清全景防水型摄像头，而且可以根据需要或者周围光线情况选择相应的显示模式（彩色和黑白）。在 ROV 的腹部靠前和头部的位置配置高亮度节能型 LED 灯提供水下照明，以便清晰地将水下状况的图像采集并传递到水上控制部分的显示屏。基本水文信息采集（水温和水压）。水下温度的检测主要通过防水型温度传感器来实现，本产品选用配置有高耐腐蚀性不锈钢外壳、高强度环氧树脂灌装的专用水下温度传感器。压力传感器主要是检测水下压强，并以此来判断分析水深，为水图 3 控制系统总体设计框图水上控制系统（含供电电源、上位机等）触摸屏网络通讯图像处理模块导航模块深度测试模块232通信485通信低压电源CAN通信CAN通信UART1低压电源电机控制模块照明模块机械手臂IC通信AD通信电源检测模块温度检测模块主控制板从控制板脐带缆PWM信号 2023 年第 1 期 53海水养殖专用小型便携式水下巡检机器人的设计研发图 4 自行制作的 3D 打印螺旋桨下姿态调整提供必要信息，防止 ROV 超过允许的最大深度而造成损坏，因此选用具有高防水等级的高精度压力传感器。导航信息采集。综合考虑成本因素和水下姿态控制精度，该产品的水下导航采用价格在 350 元以下的工业级 9 轴姿态传感器。该姿态传感器是基于 MEMS 技术的高性能三维运动姿态测量系统。该产品安装方便、使用简单、体积小、抗外界电磁干扰、承受振动冲击能力强，通过采集传感器的数据，融合卡拉曼滤波，输出实时的姿态数据，为水下姿态控制提供必要的信息。水下动力系统主要包括推进电机和螺旋桨两部分。鉴于该产品主要活动范围为水深小于 100 米的浅水域，考虑到成本因素，对于螺旋桨考虑通过自行改进的 3D打印机来制作（如图 4 所示），其安装位置要与水下姿态控制的前进、上浮、转艏等动作的要求相匹配，特别要注意起旋转方面的配合3。推进电机选用无刷直流电机，考虑到姿态控制水下影响因素的不确定性，采用矢量分解和重叠加算法对四个无刷直流电机的推进力从升潜、俯仰、进退、偏航四个不同的维度进行分解和重组4，把对每个方向的控制通过四个维度的控制分量进行重叠加，从而提高每个姿态的控制精度。其算法公式如式（1）所示，其中、和 代表前进后退、上升下潜、偏航和俯仰四个不同维度的控制量输出，、和 代表前进后退、上升下潜、偏航和俯仰四个不同维度的配合系数，、和则代表四个电机的转速，其驱动则是通过主 MCU 产生四路 PWM 波形来实现的。电源部分的设计。考虑到该 ROV 是专门用于海水养殖领域，因此多数情况下可能在海边或者渔船上进行水下投放，此时可以考虑直接借用岸上或者渔船上的交流供电系统。此外，产品还配备了蓄电池直接供电系统，以提高便携性。微处理器 MCU 的选型。水下数据的采集、上传和分析、水下姿态的控制和通信等，在速度和实时性方面都要求比较高，因此对主控制器 MCU 的性能指标提出了较高的要求。该产品采用了 32 位意法半导（1）Robot industry Forum智能论坛54 机器人产业|ROBOT INDUSTRY体微处理器 STM32F417IGT7，主 MCU 硬件连接框图如图 5 所示。控制系统的软件设计控制系统软件设计主要分为水上控制系统软件设计和水下控制系统软件设计两部分，具体包括面板信号采集控制器软件设计、监控系统软件设计、主 MCU 软件设计和从 MCU 软件设计四个部分，这四个部分之间的通信结构初步考虑按照图 6所示的方式来进行设计。水上控制系统的软件设计主要包括工控机与控制台控制板的通信和水面监控软件设计。控制台面板电路需要依据规定的通信协议将采集到的信息传送至工控机，并同步接受工控机发送来的数据来操作指示灯；监控软件的设计主要包括界面、控制、后台数据检测和故障检测等。水下控制系统的软件设计直接决定着ROV 功能的完整性和作业能力，其设计主要是对主控制器和从控制器的编程设计。本产品的设计综合考虑了开发难度、成本、应用推广和后期维护等各类因素，选用了改进的速度、角度双闭环串级 PID 控制算图 5 主 MCU 电路连接框图主MCUSTM32F417IGT7温度传感器压力传感器陀螺仪照明灯SPIIICIICI/OI/O转换器摄像