基于图像识别无人自主巡游航行器

杨轩轩 金章勇 郭星宇 王瀚琦

摘  要：越障机器人是机器人领域的一个重要分支，主要凭借传感器等设备在非结构化环境里进行自主决策及动作执行，多运用于地形检测，灾害搜救等方面。本文将对越障机器人背景进行简单介绍，并将对其组成原理和市场应用进行进行分析

關键词：巡游航行器：图像识别：组成原理和市场应用

1背景

随着智能控制和传感器的发展，水下机器人在完成水下作业方面扮演着越来越重要的角色。尤其是在未知的水下环境，机器人的承受能力大大超过人工，能完成许多潜水员无法完成的工作。目前一些水下机器人虽具有观察能力和一定的水下简单作业能力，但是平台和设备比较固定，价格昂贵，许多机器人的本体只是推进器和防水摄像机的简单组装，通过岸上的电缆线控制，适用场合受限，可拓展性不强。

据了解，目前螺旋桨推进器作为动力装置广泛应用于船舶和水下机械。

我们决定提高水中推进操控性能和水环境交互性能，可用于军用潜艇，鱼雷;实现静态观测;结合图像处理，智能决策等技术，完成水中目标追踪，水中救援等任务，可进行户外水中探测或水中检测，或进行扩展开发，完成路径规划，任务分配，姿态控制等任务的研究与试验。扩大水下机器人的应用领域，促进水下机器人技术蓬勃发展，使水下机器人创造更多的价值。

2原理

该水下巡游航行器将仿生、机械、电子、人工智能相结合。采用无刷正反桨推进方式，自抵自旋，减少水中阻力，提高行进方式具有优良的水中推进操控性能和水环境交互功能。结合图像处理、智能决策等技术可以完成水中目标追踪、水中救援等任务，可进行户外水中探测或水中监测或进行扩展开发完成路径规划、任务分配、姿态控制等任务的研究与试验。

水下推进原理

水下推进系统主要由驱动电路，直流电机，单片机和螺旋桨组成。使用驱动电路的模块对电机进行驱动，电机一端连接螺旋桨，通过STM32单片机编程实现PWM控制电机转速从而控制螺旋桨的推进。制作水下推进系统时，需要选择电机的种类，驱动电路的搭建，以及螺旋桨的选择和最终的连接。最需要注意的是电机的防水问题，我们采用无刷电机作为动力部分，其没有电刷，可以在水下进行工作，但因为海水的腐蚀性，我们对无刷电机的线圈和轴承部分做了特殊处理，使其寿命更长。

3应用

3.1水环境监测，数据收集

可搭载相关仪器设备进行经常性水质监测，对地表水及地下水进行经常性监测，监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，监测水中色度、浊度、电导率、悬浮物和溶解氧等指标，评价水质状况;

3.2渔业养殖，水生物研究

可以满足经常性工作，例如检查水质的温度、盐度、PH值和溶解氧等，以及鱼类、贝类和海参等的生存状况观察。另一方面，通过对水生物的观察可获得其生活大数据，进而可以对其进行精准化养殖，提高产量和质量。

3.3娱乐活动，水下拍摄。

可以用于水下拍摄，其配备的六轴陀螺仪可以确保机器人在水下保持高度平衡状态，LED前灯可以照亮视野，液位变送器可以让机器人准确停留在所需水下深度。使用者可以用计算设备上的开源软件对机器人进行控制，最高时速能够达到2m/s，续航时长2小时以上。

3.4水下搜索救援与观察

摄像头获取的图像信息经过后台算法处理可以得到关键信息，可用于检查大坝、桥墩结构好坏情况，遥控侦察、危险品靠近检查，水下基阵协助安装/拆卸，船侧、船底走私物品检测（公安、海关），水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等，搜寻水下证据（公安、海关），海上救助打捞、近海搜索等。

3.5管道检查

可用于市政饮用水系统中水罐、水管、水库检查;排污/排涝管道、下水道检查;洋输油管道检查;跨江、跨河管道检查;船舶河道海洋石油;船体检修;水下锚、推进器、船底探查;码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查;航道排障、港口作业;钻井平台水下结构检修、海洋石油工程。

3.6科研教学、考古

可为水环境、水下生物等课题的研究和教学提供极大的便利。还可进行海洋考察、冰下观察、水下考古、水下沉船考察等学术性观测和研究，为海洋科学、考古工作者提供有利条件。

3..7服务于能源产业

在人为检查非常不易的条件下，该作品可以帮助我们进行核电站反应器检查、管道检查、异物探测和取出。除此之外，还可以进行水电站船闸检修;水电大坝、水库堤坝检修（排沙洞口、拦污栅、泄水道检修）。

参考文献

[1]  马凤瑞，曾奕淇，杨帆，王忆麟，鲁奇欣.基于机器视觉的新型降噪水下生态调查机器人[J].电子技术与软件工程，2019（10）：94

[2]  率鹏.水下机器人在海洋石油工程中的应用[J].石油和化工设备，2019，22（05）：63-65

[3]  唐鸿儒，奚家烽，沈天鹤，包加桐，刘其铭.基于ROS的遥控水下机器人监控系统研制[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2019，11（02）：138-143

作者简介：杨轩轩（1997-），男，汉族，郑州大学机械工程学院2016级学生。