一种高清小型水下救捞机器人系统的设计

田 辉，齐海勇

（1.交通运输部救助打捞局，北京 100736；2.中国交通通信信息中心，北京 100011）

一种高清小型水下救捞机器人系统的设计

田 辉1，齐海勇2

（1.交通运输部救助打捞局，北京 100736；2.中国交通通信信息中心，北京 100011）

本文对救捞行业水下作业需求进行了深入的分析，给出了基于高清的水下微小型机器人的系统解决方案，详细介绍了系统组成、工作原理、特点。该系统对水下环境进行预判，为救助救捞提供辅助支撑。

高清；救捞；机器人；潜航器；浮标

Abstract:This paper makes a deep analysis of the operational requirements of this industry under water, gives the system HD underwater micro robot based on the scheme, introduces the system composition, working principle and characteristics. The system to predict the underwater environment, provide auxiliary support for the rescue and salvage.

Keywords:HD; salvage; robot; underwater vehicles; buoy

1 引言

本文设计了基于高清微小型水下机器人系统，通过搭载高清摄像和照明系统，在水下推进系统，导航定位、深度温度传感器系统，通信传输系统配合下，实现水下高清影像，水下作业进行监控、水下环境预先进行勘测，提前判断下水安全，对打捞、救援工作提供了非常有效的辅助决策。

2 系统构架及工作流程

2.1 系统架构

高清微小型水下机器人系统潜航器、浮标、显控终端三部分组成，能够独立运作，也能够和外部系统对接，将视频、水质、深度等信息传递给外部指挥调度系统。如图1所示。

图1 系统组成图

2.2 工作流程

系统的视频流和控制流如图2所示。

图2 系统信息流示意图

整个系统工作流程：潜航器进行视频、温度、位置等信息的采集、编码、打包、存储，并通过有线光纤向浮标发送观测信息；浮标进行信息转发处理，通过有线、Wi-Fi、蓝牙等无线网络设备，把数据传向用户端。用户端对视频解码，并把采集信息显示。并通过浮标通信终端作为中继对机器人深度、转向、云台等进行控制，达到需要的角度。

3 分系统设计

3.1 潜航器

潜航器由水下推进子系统、高清摄像子系统、传感子系统组成，外观如图3所示。

图3 潜航器外观图

3.1.1 水下推进子系统

推进子系统是机器人的核心部分。推进系统的性能是评判一个水下机器人的重要考虑指标。该系统是四轴布局，采用泵喷推进，具有具有噪音低、无横滚、安全性高等特点。该系统和机械操舵工程结合，实现上浮、下潜及左右转向灯。为了使机器人在水域更好保持自身的稳定性，采用了控制矩阵和卡尔曼滤波算法。主要指标如表1所示。

表1 推进子系统主要指标

3.1.2 高清摄像子系统

潜航器内置了4K广角镜头，支持拍摄最高4K视频/1200万像素的高清图片（JPEG/RAW格式），可以实时传输来自水下的高清影像，并且配备云台和存储装置。同时了为适应水下弱光/浑浊环境，机身两侧有白光LED补光灯（1200流明/手动可调），真实还原拍摄场景。高清视频图像传输原理如图4所示：

图4 视频传输方框图

高清摄像头采集模拟信号，模拟信号通过A/D转换变成数字信号，通过图像算法和前后帧关联性，滤除图像噪声，然后先采用H.264技术把视频压缩分为相同两路，一路媒体流存储，另一路RTP协议进行封装，并进程传输；通过传输网路（200Mb/s带宽的无浮力线缆和Wi-Fi、蓝牙无线网络），传输到流媒体服务器，流媒体服务器对每个请求终端进行媒体分发，终端APP进行解包、解码、D/A转换并视频图像播放。

3.1.3 传感子系统

系统内置多种传感器，包括深度传感器、水温传感器、罗盘、陀螺仪、加速度计等传感器组。确保在水下对周围环境有精确的检测。其中深度传感器用于检测机器在水下的实时深度，温度传感器检测水的实时温度，罗盘用于显示机器的南北朝向。陀螺仪和加速度计用于辅助机器自动稳定。

表2 传感子系统规格参数

3.2 浮标系统

浮标和绕线器一起，漂浮在机器人所在水域上方的水面，作为一个信号基站连接着App用户端和水下机器人，目前基站转发2.4G的Wi-Fi和蓝牙无线信号，理想情况下使机器人能实现在离操控者方圆500m深度100m水域内工作。

图5 浮标系统示意图

浮标上具备绕线器，天线和灯组等。灯组具有晚上定位、电量、通信信号指示等功能。本系统采用半有缆技术，使操控者不必贴着潜航器移动，方便同时操控多个潜航器大范围工作。采用全向天线。

3.3 控制终端

控制终端包括遥控和显控两大部分。

3.3.1 遥控部分

遥控终端利用手柄，通过上面的通信系统，对水下系统主体姿态及摄像动作进行控制，主要包括：水平方向控制（左右前后）；垂直方向控制（俯头、仰头、左翻滚、右翻滚）；拍照/视频切换；灯光的调节；手动控制和自动控制模式转换等功能。

3.3.2 显控终端

在手持终端或者大屏上安装客户端软件，显示系统工作参数：潜航器状态（电量，前照灯亮度和温度信息，并可以按钮控制亮度）；潜航器相对位置（通过声呐探测位置作为参考，显示主体的相对位置，便于及时控制航向，防止碰撞）；下潜深度；摄影功能设置（开始停止摄影、控制拍灰度、每秒帧数等摄影参数；影像功能（720p高清实时图像、拍照，录像，下载和预览分享）；潜航器自身稳定度。

4 系统特点

（1）泵喷推进系统的应用，该部分由泵喷壳体、进口罩、出口罩和一体化桨叶组件等构成，解决了多推进器水下横滚现象。

（2）超高清摄像及宽广的活动范围，采用高清摄像头，带宽很大的光纤，同时潜航器采用属氧化铝密封舱结构和电机耐腐蚀材料处理，到达防水抗压、耐腐蚀性，增加了设备的活动范围。

（3）便携和操作简单，设备仅重3kg，可放入双肩包或手提箱内；操作是“手柄+APP+客户端软件”模式，简单易学。

5 结束语

随着器件的小型化、计算技术的飞速发展，水下机器人越来越小型化和智能化，在不远的将来，将集成声呐3D成像、H.265编解码等技术，获取更多水上作业现场信息，提高处置事故的效率，满足救捞行业安全、高效、有序的发展要求。

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Design of a High Definition Small Rescue Underwater Robot System

Tian Hui1, Qi Haiyong2
(1.Rescue & Salvage Bureau Ministry of Transport, PRC, Beijing, 100736;2.China Transport Telecommunications & Information Center,Beijing,100011)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.09.003

U675.75文献标示码：A

1672-7274（2017）09-007-03