二合一全自动智能水底机械人

刘昭朗 刘冠华

研究背景

澳门由于地理位置原因，夏季经常遭遇台风。而在台风来袭期间，澳门的低洼地区地面及地下停车场都会受到台风影响发生水浸，地面的水浸深度时常达到2 3米，足以淹没一个成年人。如果每个水浸地点都需要蛙人进行救援工作，那么需要很多人力，救援效率也很低；而如果能利用水底机械人进行搜救工作，效率就可以大幅提高。所以我有了一个想法，设计一个既搭载对象识别系统，又方便易用的无线缆水底机械人。

设计过程

机械结构设计

机架

本机机架由6件3D打印的零部件及1块亚克力板组成，机架可将3个防水舱、4个推进器及1只机械手的位置固定。机架的设计是为了方便使用者可以在短时间内将全自动智能水底机械人（以下简称为AUV）组装好并方便使用。

防水舱

由于水底机械人需要在水下执行任务，而机上搭载的电子系统不防水，所以AUV搭载的电子零件都要放进防水舱内。这只AUV搭载3个防水电子舱，分别为2个Blue robotics 3寸电池防水舱及1个主要电子防水舱。使用 3个防水舱可以令水底机械人更易取得平衡，不怕翻侧，而且必要时可以多放入一个电池，增加续航时间。

3个电子舱内的电子零件分布

左侧3寸电子舱：电池控制板+总开关+负重；

右侧3寸电子舱：Blue robotics lithiumion battery；

上层4寸电子舱：树莓派+Pixhawk+推动器控制板。

动力系统

本机的动力系统由4只Blue robotics T100推进器组成，分别为2只垂直、2只水平。可以做到向前、向后、浮、沉等基本动作。

机械手

本机搭载Blue robotics Newton subsea gripper机械手（图1），可以增加水底机械人的通用性。例如，可以在水中移开或夹走对象，提高搜索的效率。同时，这只机械手可以根据程序自动执行任务或岸上手动执行任务。

电子结构设计

电子系统本机的电子系统由1块树莓派第3代和1个无人机控制器作为中心，控制4个推进器及机械手、传感器等的运作。整个电子系统执行预先编程的任务，其中己成功测试的任务包括在水中识别及穿过水中的门，在水中识别不同的形状、线条等。

影像系统

AUV使用的摄像头为低亮度高清USB摄像头，可以在低亮度的环境中有效率地将影像传送到Raspberry Pi作图像识别之用。低亮度高清摄像头非常适合用于水底环境，在光线很暗的情况下也能保持色彩并保持良好的质量。

制作步骤

● 用Solidworks画出机体结构，然后用3D打印机将结构零件打印出来。

● 将电子零件整理好，组装电子舱。

● 将电子舱与机械结构组合，并将电线接头用AB胶覆盖好。

● 组合好后，在小水箱内用气泵测试电子舱是否漏气。

● 全部安装完毕后，在游泳池中测试二合一全自动智能水底机械人的性能。

设计特色

机械特色

容易组装；

利用3D打印技术打印零件；

利用SolidWorks绘制CAD图；

曲面設计减少水阻；

利用4个Blue Robotics T-100推进器；

搭载机械手以便执行任务；

最大向前推力5 kgf；

总重量为10.3 kg。

电子特色

系统搭载树莓派控制板；

DIY Mavlink程序作图像识别；

全自动智能水底机械人可以在必要时转为缆控水底机械人。

创新点

这款水底机械人有图像识别系统、方便使用者组装的机架和一个综合用户界面。首先，图像识别系统主要用来识别水中的障碍物及判断是否有人被困在水底，可以令救援工作变得更快更准确，也可以在救援时保障蛙人的安全。其次，水底机械人由6件3D打印的部件组成，使用者可以很快完成水底机械人的组装。最后，使用者可以通过用户界面查到即时数据，令搜救工作变得简便。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组工程学一等奖。

专家评语

本项目面向水下救援提供高效工具，具有较高的科学人文关怀精神。项目充分运用开源软件等技术方法，体现了研究者的系统集成能力、知识面和动手能力。机械手的运作稍显不足，建议增强机械手的运动能力，增强全自动水平。■