小型水下机器人的设计与制作

朱科名 张艺沥 许伟灿 高 洁 张亚红

（南通理工学院 电气与能源工程学院，南通 226001）

随着人口数量的不断增长，资源与环境之间的矛盾逐渐显露，促使人们逐渐把目光转向海洋。深海开发离不开探索工具，因此海洋探索工具发展前景广阔。全球70.8%的面积为海洋，同时陆地上还有1.5%的湖泊面积[1]。因为呼吸方式制约，所以人类不能在水下持续作业，严重影响了工作效率。水下机器人具有水下观察和水下作业的能力，可代替人在水下进行一些原来人类不能完成的工作。小型水下机器人可以从事的工作包括水产养殖业观测、水下科学勘测、水下救援打捞以及水下作业等[2-3]。面对这些行业需求，本文制作了一款适用于浅水域的小型水下机器人。

1 水下机器人整体设计

本设计基于有缆水下机器人，研制了一款小型水下机器人，可用于基础的水下观测和水下打捞任务。采用模块化设计，水下部分由外框架、设备仓、电池仓以及4个推进器4部分构成，外部尺寸为300 mm×350 mm×180 mm，在空气中的质量约为4 kg，设计最大深潜为10 m，具体结构如图1所示。

该机器人由左右两块侧板和一块底板作为主要框架，可以有效保护水下机器人的内部设备。框架内部有两块T型支架固定推进器和上下两个舱室。水平推进器安装在T型支架的下部，左右各一个。垂直推进器安装在T型支架的上部分的圆孔中，同样左右各一个。垂直推进器和水平推进器安装在同一轴线上。T型支架中间夹着设备仓和电池仓，其中上部分带圆头的为设备仓。所有的电子设备都被安装在设备仓中。下面部分是电池仓，内部装有一块4串1并的锂电池。

图1 三维设计整体效果图

2 水下机器人控制系统选型和设计

为了提高水下机器人的稳定性，必须了解当前机器人在水中的姿态和深度信息，通过当前水下机器人的姿态和深度信息调整推进器电机的速度。本设计利用姿态传感器采集水下机器人自身的姿态信息，利用压力传感器采集水压信息，并将压力数据转换成深度信息，以得到当前机器人的深度信息。利用PID控制器分析处理传感器数据，并动态调整水下机器人的运动状态，以实现水下机器人的运动控制[4]。水下机器人控制系统结构如图2所示。

从整体的控制系统结构图（图2）可知，电源通过稳压电路为各个模块供电，系统由PIXHAWK控制。当陆上操作人员通过遥控器发出操作指令后，信号将发送给接收机。接收机收到信号并将信号传输给PIXHAWK，PIXHAWK通过转换为PWM波命令使推进器动作。压力传感器和姿态传感器将收集到的姿态、压力信息反馈给PIXHAWK，PIXHAWK做出指令调整推进器，从而使水下机器人稳定。PIXHAWK将获取的压力和深度信息等信息通过摄像头和图传发射反馈给陆上操作人员。

图2 水下机器人控制系统结构图

3 水下机器人系统组装与调试

水下机器人组装完成后需要先在陆上进行电路测试，测试电路是否能够正常工作。首先，目检接线是否接好，正负接口是否反接，插线是否接线错误。其次，进行通电测试。设备主电源通电后推进器工作正常，转向和设计一致，传感器工作正常，主控芯片工作正常。一切正常后，可以进行水下测试。先测试设备的防水性能，给水下机器人装好电源，但此时并不需要接通电源。将电池放入水下机器人，是为了模拟水下机器人实际的质量。机器人完全浸在水中，看电池仓是否有水泡冒出。如有水泡冒出，可以判断电池仓进水，需加强密封。待无进水现象时，方可进行下一步实验。最后，水下机器人水下航行测试。经过测试，水下机器人可以在水中完成基础动作，如下潜、上浮、前进以及后退等，为后期水下机器人作业奠定基础。图3为水下机器人下水画面。图4为水下机器人水下拍摄的画面。

图3 水下机器人准备下潜

图4 水下机器人拍摄回传视频截图

4 结语

本设计完成了水下机器人的结构、动力装置及基本控制系统的设计，并进行了水下航行试验。设计的小型水下机器人操作简单、控制灵活以及动力强劲，基本达到了预期目标。但是，本设计的通信方式为水上水下有缆传输方式，因此水下机器人运动范围和下潜深度受到了电缆线长的制约。采用低频无线信号作为传输方法能解决信号干扰问题，提高水下机器人活动范围，扩展水下机器人的功能，使水下机器人能够参与更多的工作。