基于无人机中继通信的水面清障机器船设计

盛嵘捷，章 凡，刘建雄

（1.陆军航空兵学院，北京 101123；2.93427部队，北京 100024）

0 引言

随着时代的发展，人们更加重视水面环境的清理与保护。水面清障机器人用于对水面垃圾的自动机械化打捞，取代过去大量消耗人力资源，效率低下的手动打捞。

由于绝大多数清障船仅对于宽广的水域进行清理，而面对相对较小的水域尤其是在特殊环境的水域，如布有鱼雷的危险领域、可见度低的弯曲河道、小型洞穴内水面等的作用受到了限制，投入使用的状况并不普遍。此设计制作一款水面清障机器人，将船体与无人机结合，利用无人机中继通信技术实现水面垃圾清理一体化，更加适用复杂水域。

1 系统总体设计

设计制作方面综合运用无人机中继通信技术，将船体与无人机两者相结合，实现无人机“发现”障碍物，引导机器船将其“收取”。

船体方面通过水中船体的实际工作经验，将船体的动力装置由水下的螺旋推动改为水上的风力发动，从而更加适用于环境恶劣的水域。船体采用可靠性强的PE材料为主体，船体下方安装障碍物收纳箱。

软件方面通过Arduino及超声波模块，以无人机为主体建立空中基站，辅以OpenMV视觉技术，实时向船体发送障碍位置信息。

2 硬件部分设计

2.1 OpenMV3视觉模块

OpenMV3是一个开源，低成本，功能强大的机器视觉模块。OpenMV3的视觉算法包括寻找色块、人脸检测、眼球跟踪、边缘检测、标志跟踪等。可以用来实现非法入侵检测、产品的残次品筛选、跟踪固定的标记物等，性能参数如表1所示。

表1 OpenMV3性能参数

2.2 Arduino

Arduino是一款边界灵活、方便上手的开源平台，包含硬件和软件。Arduino简单的开发方式使得其容易实现，更加轻便，缩短了开发的周期。本设计中选用了性能稳定的Arduino MEGA 2560，其性能参数如表2所示。

2.3 动力装置

动力装置分为主动力装置和辅助动力装置。主动力装置采用无刷电机、11寸螺旋桨；辅助动力装置采用直流电机、11cm螺旋桨。无刷电机搭配矢量转向和标准的金属舵机，使船身灵活易于操控。

表2 Arduino MEGA 2560性能参数

2.4 控制机构

机器船的控制分为手动控制和自动控制，手动控制以主动力装置的无刷电机为主，搭配2.4G接收器天线，利用航模遥控器进行控制；自动控制分为船上OpenMV的色块识别和基于超声波的无人机中继通信自动跟随，利用船上的OpenMV及舵机驱动板组件和Arduino及超声波收发模块进行自动控制，如图1为控制系统流程图。

图1 控制系统流程图

3 软件部分设计

3.1 基于无人机的中继通信系统设计

当无人机发现水面上的障碍物时，系统为实现机器船自动跟随无人机，机器船首先向无人机发送无线电信号同时机器船开始计时，无人机接收到无线电信号后向机器船发送超声波信号，由于无人机距离机器船上的2个超声波接收器距离不同，则超声波信号到达2个接收器的时间不同，Arduino通过2个接收器接收超声波时间的比较和运算，计算出各个超声波接收器到无人机的距离。然后基于超声波定位的相应算法，可以计算出无人机在机器船所建立坐标系中的具体坐标，从而判断无人机相对机器船的具体方位，通过PWM控制电机转速实现机器船按照设定距离跟随目标，如图2为系统原理流程图。

图2 系统原理流程图

3.2 自动识别与定位的设计与实现

船体自动识别的设计主要是运用OpenMV3对需要打捞物体或引导船体的无人机的具体特征进行识别追踪，最终将其锁定至摄像头的中心位置。其设计思路如下：

（1）选中目标色块，将色彩格式调换为LABColor，记录L，A，B三者的最大值（MAX）与最小值（MIN）。

（2）将阈值传入f ind_blobs函数中。

（3）根据需求设定像素点与矩形面积等阈值约束。即绘制矩形框锁定目标色块，绘制十字形标记锁定目标色块中心实现对目标物体的锁定。

4 结束语

本设计通过大量实验并改进，使水面清障机器人的控制部件在船体的甲板平台水面上工作时的具有稳定性，使水面清障机器船有效应对复杂恶劣的水域，工作效率大大提升。在手动控制稳定的基础上创新了自动控制，通过无人机上单发超声波模块发出的信号与船体上左右两侧的单收超声波模块互联，实现机器船对无人机的跟随，使无人机作为机器船的空中的中级通信平台，完美的将无人机与机器船联合起来，实现水面垃圾清理一体化。