一种小型水下机器人平台的设计与实现

贾永兴，陈 斌，杨 宇，朱 莹

(解放军理工大学 通信工程学院， 江苏 南京 210007)



一种小型水下机器人平台的设计与实现

贾永兴，陈 斌，杨 宇，朱 莹

(解放军理工大学 通信工程学院， 江苏 南京 210007)

设计并实现了一套功能高度集成的远程控制水下机器人平台，该平台由水下机器人、中继浮标和上位机控制终端组成。机器人自身搭载的传感器和摄像头可以对环境状态进行侦测，并通过中继浮标转发给控制终端，由控制终端远程控制水下机器人完成水下作业。该平台实现方案具有成本低、功耗低、可移植性和扩展性强等特点，可用于水下探测和简单清障任务。

水下机器人；中继浮标；上位机终端；远程控制

0 引言

随着智能控制和传感器技术的发展[1]，用机器人来替代人完成水下作业已得到国内外的广泛重视。尤其是在未知的水下环境，由于机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能完成许多载人系统无法完成的工作，所以水下机器人逐渐扮演着越来越重要的角色。它可以辅助人类完成海洋探测、水下救援等工作，也可以用于长时间地在水下侦察敌方潜艇、舰艇的活动情况，所以在民用和军用上都有广泛的前景。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功能[2]，但是平台和设备比较固定，价格昂贵，改造起来不灵活，许多水下机器人的本体只是推进器和防水摄像头的简单组装，通过岸上连接多根电缆线对其进行控制，适用场合受限，可拓展性不强。本文设计并实现了一款小型水下机器人平台，可通过远程操作，控制机器人在未知水域下潜，对周围水域环境进行初步的探察，并控制机械臂和抓手，完成简单的清障等功能，同时预留了各种传感器和功能拓展的端口，以适应不同的水下任务。

1 平台整体框架

图1 水下机器人平台总体设计架构

水下机器人与控制终端可以采用多种通信和控制方式[3]。为了扩展机器人活动范围，本文设计了水下光纤、水上无线的方式，具体架构如图1所示。水下机器人平台主要由水下机器人、中继浮标、上位机控制终端和相应的控制软件组成。水下机器人接收经中继浮标转发的上位机命令，完成水下作业，同时将采集的视频和传感器数据经中继浮标转发给上位机显示。中继浮标工作于水面，通过光纤与水下机器人通信完成命令和数据的中继，通过无线方式与上位机进行数据中继。上位机接收来自水下机器人的采集视频和数据，并根据获得的信息，发出控制命令，远程控制机器人的运动。

2 硬件设计

为了完成探测和清障等水下作业，水下机器人主要由机械结构、光端机、主控板、推进器、摄像头和各种传感器等组成，架构如图2所示。从功能上分为机械动力模块、信息采集模块、通信模块、控制模块、供电稳压模块等。

图2 水下机器人硬件构成

机械动力模块主要包括水下平台核心舱、外形构架、机械臂、电机和防水舵机等部分。核心舱用于安装摄像头和电控系统，六个直流电机用于驱动机器人运动，其中两个电机负责水平方向的运动，包括前进、后退、左转和右转，四个电机负责机器人垂直方向的运动，包括上浮和下潜。机械臂采用了两自由度结构，由两个防水舵机和连接件构成，分别控制机械臂的夹持器的转动和抓手的开合的动作。

核心舱中的主控板CPU采用基于Cortex-M4架构的STM32F407[4]，该控制器具有丰富的外设资源。设计中使用了GPIO口控制电机驱动板、机械臂舵机和云台舵机，使用了I2C接口读取水深测量传感器的数据，使用两个串口与光端机通信。主要完成以下功能：(1)通过串口1读取来自光端机的控制命令，解析后根据参数控制机械模块，以调整云台姿势，驱动水下推进器、机械臂等装置进行水下作业；(2)读取水深测量传感器MS5803-30BA的数据，并通过串口2转发给光端机。

机器人与浮标之间采用光缆通信，所以水下机器人和浮标都安装了ANT-数字视频光端机。该光端机包括一个光接口、两路以太网端口和三路485数据端口。摄像头将采集的视频通过RJ45口连至光端机网口，传感器数据经主控板和光端机之间的232与485电平转换电路，交付给光端机485口。视频和传感数据通过光端机合成后，由一根光缆传送到浮标上的光端机。

2.2 中继浮标

中继浮标工作是浮在水面上，由电池组、多功能光端机、主控板、无线模块等组成，主要完成水下机器人和上位机之间的信号中继以及给水下机器人供电。具体硬件构成如图3所示。

图3 中继浮标的硬件构成

中继浮标的主控板CPU仍采用STM32F407，以完成水下机器人和上位机之间的数据交换。水下机器人采集的视频和传感器数据在中继浮标上使用了不同的信道传送给上位机。视频信号由光端机网口直接转发给无线路由器，通过WiFi链路传送给上位机；主控板从光端机读取传感器数据后，通过DL-22无线串口模块转发给上位机。无线串口模块同时接收来自上位机的控制命令，经主控板转发给光端机485端口，以传送给水下机器人，控制机器人的动作。主控板和光端机之间同样使用了RS232与RS485电平转换电路。

2.3 上位机控制终端

3.2.2 评价方法（1）期末操作考试按健康评估实训教学大纲要求，实行评分标准一样、操作项目一样、考试时间一样，两组按学号抽签考试，操作满分为100分，60分为及格，90分以上为优秀。实验组和对照组平均成绩以Mean表示，采用t检验；优良率采用χ2检验进行统计学分析。

图4 上位机终端构成

上位机包括手柄控制器、无线收发模块、计算机三个部分，架构如图4所示。手柄控制器由雷霆PXN-2013摇杆改造而成，通过USB接口连接至电脑，通过摇动摇杆和操作摇杆上的按键，远程控制机器人的运动。电脑通过WiFi链路接收并显示水下机器人采集上传的视频；通过无线串口模块接收并显示传感器信息。同时检查手柄摇杆状态的变化，将摇杆状态信息进行编码，转换为对机器人的控制命令，并交由无线模块发送给中继浮标。

3 软件设计

软件代码主要用于控制机器人平台各模块的工作和通信，以完成所需的任务。包括上位机终端的软件代码、中继浮标的控制代码和水下机器人的控制代码。上位机代码是在Microsoft Visual Studio 2010集成环境下采用C#语言编写[5]，中继浮标和水下机器人代码是在Keil集成环境下采用C语言编写，生成目标代码后，下载到STM32F407上运行。

3.1 水下机器人平台

图5为控制水下机器人工作的软件流程图。水下机器人软件主要完成读取传感器信息、接收控制命令、驱动推进器和机械臂、数据打包传输等任务。

图5 水下机器人软件流程

实现中STM32F407定时读取水深测量传感器数据，并通过串口2传送给光端机。同时通过串口1接收上位机经光端机转发的命令，根据预先定义的编码格式，解析命令参数，分析所需控制的电机和舵机编号、转速和方向等，以驱动水下机器人的行进、调整摄像头云台姿态和控制机械臂抓取、释放物体等动作。

摄像头采集的视频信息则通过RJ45网线直接传给光端机，不需要编写专门的控制代码，光电转换后通过光缆传到水面。

3.2 水面浮标

水面浮标主要负责供电和通信中继，相关控制代码同样是在Keil集成环境下采用C语言编写，下载到STM32F407主控板上执行，具体软件流程图如图6所示。CPU读取无线串口接收来自上位机的命令数据，经STM32主控板传送给光端机的RS485数据端，经光端机转化成光信号后，由光缆传给水下机器人；同时STM32主控板接收来自光端机RS485口的传感器数据，再通过无线串口发送给上位机。视频信号由光端机的网络口直接连至无线路由器，通过WiFi直接发送，不需要专门编写控制软件。

图6 水面浮标软件流程

3.3 上位机控制终端

上位机代码是基于PC采用C#语言编写，完成视频和传感器数据的显示，同时远程控制机器人的水下动作。软件流程如图7所示。启动程序后，首先检测USB口连接的操控手柄和无线串口模块，并进行初始化。然后读取无线串口接收到的传感器信息，进行解析后，将机器人下潜的深度信息在计算机上显示。同时通过USB口读取和解析手柄的状态信息，进行编码后，通过无线串口转发给中继浮标。

图7 上位机软件流程图

视频的接收和显示过程是：通过建立计算机与水面浮标路由器之间的WiFi连接，再使用摄像头自带的相关软件，即可显示水下机器人采集到的视频。

4 平台功能的实现和测试

根据上述设计，实现了一款小型的水下机器人平台原型机。表1给出了机器人在水下测试的各项参数指标。在上位机可实时观测到机器人采集的水下视频和水深传感器信息，通过手柄摇杆操作，可远程控制机器人在水下的动作。中继浮标工作于水面上，通过无线方式与上位机通信，完成信号的中继和水下机器人的供电。水下机器人在上位机远程控制下，能够完成前进、后退、左转、右转、上浮、下潜和机械臂抓取释放物体等水下任务。

表1 机器人的各项参数指标

5 结论

本文设计并实现了一套集接收指令、控制驱动、采集数据、分析反馈等多种功能于一身的水下机器人平台，通过远程控制，可利用机器人搭载的传感器和摄像头对水下环境参数进行监测，完成基本的侦察和清障任务。该平台实现方案具有成本低、体积小、可移植性和扩展性强等特点。平台水上无线、水下光纤的通信方式使水下机器人的使用范围得到了拓展。下一步需要完善平台控制软件和功能，加装更多的传感器和作业器件，提高机器人的智能化，以适应多种水下作业任务，提高该机器人平台在军事、科研、海洋开发等方面的应用价值。

[1] 秦志强.先进机器人传感器技术[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[2] 柯冠岩，吴涛，李明.水下机器人发展现状与趋势[J]. 国防科技，2013, 34(5):44-47.

[3] 杨薇.水下机器人通信与控制技术研究[J]. 舰船科学技术，2015,37(6):206-209.

[4] 廖义奎.ARM Cortex-M4嵌入式实战开发精解—基于STM32F4[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[5] 胡学钢，刘东杰，吕进来.C#应用开发与实践[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

Design and realization of a small underwater vehicle platform

Jia Yongxing, Chen Bin, Yang Yu, Zhu Ying

(College of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

This paper designs and realizes a set of highly-integrated remote control underwater vehicle platform. It is composed of an underwater vehicle, a relay buoy and an upper computer control terminal. Based on camera and other sensors in it, the vehicle can detect environmental parameters and transmit them to upper computer terminal by relay buoy. The upper computer terminal can realize remote control of the vehicle to complete some underwater tasks. The platform has many advantages, such as low cost, low power consumption, good portability and scalability. It can be used to survey and obstacle removal.

underwater vehicle; relay buoy; upper computer terminal; remote control

TP242.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.011

贾永兴，陈斌，杨宇，等.一种小型水下机器人平台的设计与实现[J].微型机与应用，2017,36(12)：36-38.

2016-12-25)

贾永兴(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向：电路设计、智能控制和多媒体信息处理。

陈斌(1975-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：单片机与嵌入式系统应用。

杨宇(1984-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：单片机技术。