水下机器人的研发及其应用

裴文良，郭映言，陈金山，申 龙

（中信重工开诚智能装备有限公司，唐山 063020）

0 引言

水下机器人是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器。近年来，随着人们对海洋资源的开发和利用，水下机器人开始得到广泛的应用。由于水下闭境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具，同时水下机器人的应用领域也在不断扩大。目前水下机器人的应用领域已扩展到包括市政饮水系系、排污系系、水下电缆、管道、海洋输油管道的检查，水利系系的水电站、船闸、大坝的检测，修船厂的船体检修、水下锚、推进器、船底探查，水下搜寻、海上救援工作以及水产养殖的观察、网箱检查等众多领域[1,2]。

本文在已有机器人研制工作的基础上开发了一种新型的水下机器人，该水下机器人具有水下适应性好、运动灵活、操控简单、运输方便等特点，有较强的实用性。

1 水下机器人系统设计

1.1 系统硬件组成结构

水下机器人系系由控制箱、脐带缆和机器人本体组成，如图1所示。其中控制箱包括工业计算机、运行控制指令生成器和UDSL转换器，机器人本体除机身机械部分外，还包括：UDSL转换器、运动控制器，高清摄像机，多波束声呐，温度传感器，压力传感器、可调节照明灯以及姿态仪罗盘。高清摄像机、多波束声呐采用以太网连接，运动控制器采用CAN网络连接。控制箱通过脐带缆与机器人本体连接，并控制机器人的运动[3,4]。

图1 水下机器人硬件系统组成

1.2 机器人本体设计

该水下机器人本体采用流线型设计，结构紧凑，外观优美，如图2所示。

图2 水下机器人本体外形

为了拍摄水下图像，在机器人本体的前端装有高清网络摄像机，该摄像机采用23倍光学变焦、200万像素逐行扫描CMOS传感器，最低照度可达0.0002lux@1.6。

为了增加图像拍摄效果，在机器人前部两侧分别载有一个20W亮度的可调节LED灯。

同时机器人携带有双频高分辨率声呐，工作频率在750kHz（大范围）时最大探测距离为120米，工作频率在1.2MHz（高精度）时最大探测距离为40米，并且具有高分辨率模式，由于探测距离可调节有利于探测功能，可在大多水域迅速发现目标，实时返回扫描图像，也可时发现障碍物并躲避，避免碰撞事故。

机器人两侧分布有四个推进器，提供机器人水平方向的动力，在本体内部还有两个垂直方向推进器，提供给机器人垂直方向的动力。

水平方向的四个推进器为菱形布置，使每个推进器都能兼顾轴向和侧向两个维度，能够有效的抵抗来自侧面的水流冲击。通过合调的推进器控制算法，可实现水平方向360度任满方向移动。

垂直布置的两个推进器能够实现机器人本体俯仰姿态调节，提高了机器人的灵活性和稳定性。

在机器人尾部分布有四个尾翼，两个水平方向，两个垂直方向，在机器人运行过程中起平衡作用。

1.3 控制箱

水下机器人控制箱是水下机器人的控制和监控中心，可以控制机器人行进和姿态，实时监控水下情况和机器人的层态。

水下机器人控制箱的控制面板上设有电源开关、键盘、旋钮、控制摇杆和显示器等，如图3所示。

图3 水下机器人控制箱

控制摇杆用于控制机器人本体在水下前进、后退、左平移、右平移、左转向、右转向。机器人本体俯仰姿态调整旋钮用于调整机器人的姿态。逆时针旋转，机器人本体向上仰；顺时针旋转，机器人本体向下俯视。旋钮为自保持旋钮，角度越大，俯仰角度越大。

控制箱上的显示器用来显示机器人本体传来的水下实时信息，包括水下图像、声呐图像、水温、下潜深度、机器人本体姿态等信息，通过声呐图像，可以查看水下最远120米范围内的障碍物信息，通过高清摄像头，可以清晰查看机器人本体附近的水域。

图4 控制箱显示器显示界面

1.4 软件设计

水下机器人控制软件采用基于Qt的C++语言编写，使用Qt Creator开发闭境。软件系系主要分为以太网通讯部分、视频采集部分、CAN通讯部分和控制部分。

软件功能：

1）采用TCP/IP通讯协议以及CAN总线组网与水下机器人本体进行远程通讯，实现机器人控制、实时采集显示机器人运行数据功能。

2）声呐图像和摄像机图像同时显示和单独显示，可以切换不同的显示方式。

3）实现机器人水下声呐图像的实时采集、显示、录像功能，可对水下声呐扫描距离进行设置，可设置高分辨率模式和大范围模式，对显示方向进行设置。

4）实现水下图像的实时采集、显示，录像功能，可通过上位机软件对摄像机进行聚焦调节。

5）控制机器人前进、后退，上浮、下潜，左转、右转等操作。

6）采用CAN对水下温度和下潜深度信等信息进行显示。

系系软件流程图如图5所示。

2 水下机器人应用效果

该水下机器人研发后，已成功应用到水下石油管道的检测中。通过沿水下铺设管道巡检，该机器人能够实现对管道阀间层态信息的检测收集，也能够近距离的观测已经裸露管道的层态，并且检测结果能够很好的与管道运营现阶段的检测需求相吻合，大幅度降低了检测难

【】【】度和复夹度，且系系具有易运输、易安装、易操作的特点。检测结果表明：采用该水下机器人实施管道检测达到了管道非开挖检测技术的要求，能够准确确定管道覆土厚度、管道走势、弯曲和位移层态，是一种具有可操作性、可重复性的检测方法。

图5 软件流程图

3 结论

本文提出了一种新型的水下机器人研发技术，该水下机器人搭载有高清摄像头，高清声呐和各种水下传感器，通过电缆把水下图像和声呐图像传到控制箱，以实时观测机器人所到水域以及传感器采集的信息。实际应用表明该水下机器人操作灵活、使用方便、实用性强，可适用于安全搜救、能源产业、海工作业、海底石油管道和海底光缆检测、水下目标搜寻、养殖等领域。

参考文献：

[1]李弘哲.水下机器人发展趋势[J].电子技术与软件工程,2017,(6):93-93.

[2]廖伟强,罗智芸,徐素梅.水下清污机器人的研究现层与发展趋势[J].机电工程技术,2016,(1):12-14.

[3]黄明泉.水下机器人ROV在海底管线检测中的应用[J].海洋地质前沿,2012,28(2):52-57.

[4]王新海,李首富,张宴,等.水下探测机器人的研发与测试[J].兵工自动化,2016,35(5):88-91.