基于水中机器人协同竞技的设计与实现

王超 霍艳艳 杨学斌 黄一洋 时博文 崔龙岩

摘要：在水中机器人协同竞技项目中，为实现机器小车实现巡线，避障；机器鱼实现巡线和检测漏油点功能，本文提出机器小车和机器鱼可实施的硬件组成和算法策略。结果表明，运用该硬件组成和策略后，机器鱼和小车可以较好地完成各自功能并可以配合完成项目。

关键词：机器人；协同竞技；巡线

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）07-0152-02

Design and Implementation of Robotic Cooperative Competition Based on Underwater

WANG Chao，HUO Yan-yan*， YANG Xue-bin， HUANG Yi-yang， SHI Bo-wen， CUI Long-yan

（Computer College， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100083， China）

Abstract： In the robot collaborative competition project in the water， in order to realize the function of the vehicle trolley to realize the inspection line， obstacle avoidance and so on， the machine fish realizes the inspection line and detects the oil leakage point function， this paper proposes the hardware composition and algorithm strategy that the machine car and the robot fish can implement. The results show that after using this hardware composition and strategy， the robot fish and the trolley can better complete their respective functions and can cooperate with the completion of the project.

Key words： robot；Synergistic competition； inspection

国际水中机器人大赛中，水中机器人协同竞技项目是模拟南海石油开采平台水下管道检测维护，水下机器人与陆地机器人协同作业，运用机械、电子、智能控制、传感等多学科知识设计搭建水下机器人与陆地机器人。水中机器人协同竞技的比赛场地分为陆地部分和水中部分。水中部分由分布着黑色漏油点的白色石油管道和礁石模型构成，陆地部分由轨迹线、分布着漏油点的管道和障碍物构成。比赛流程大致为水中机器人需从管道起点出发，沿管道行走，遇到漏油点进行识别，并执行修复动作，最终在水中管道末端触碰到触发机构；后陆地小车被触发，沿着管道巡检，检测到管道上的漏油点时执行修复动作，沿途在小车行驶道路上会有障碍物，需要陆地小车清除障碍物，小车巡线完到达管道末端处，小车停止，并需要显著的停止信号。全程需要机器人自动巡管道或巡线前进，且需在机器人前进过程中，检测漏油点和扫除障碍物。

针对机器小车功能的实现，文献[1]研究了小车利用PID算法实现巡线行驶；文献[2]研究了超声波测距；文献[3]研究了光电传感器检测障碍物，笔者将这些方法整合应用到机器小车中，实现巡线，检测障碍物功能，并且在此基础上增加了排障，检测漏油点功能。

1硬件实现

陆地机器人需自动开启停止，巡线前进并在前进过程中检测障碍物排障，检测漏油点并执行修复动作。笔者用KINTE红外传感器自动开启关闭机器车。机器车用型号为TRCT5000的红外传感器实现机器车巡线功能，该红外传感器是通过一个红外发射头和一个红外接收头组成的传感器，发射头发出红外线，接收头接收物体反射回来的红外光，接收到的红外光越强，其电阻越小。白色对红外光的反射最大，黑色对红外光的吸收最大。使用四个传感器等距排列于小车前方组成巡线阵列。机器车排障采用超声波舵机组合装置，超声波一旦检测到物体在某个距离范围内，就启动舵机来扫除障碍物。机器车用KINTE红外传感器和直插式LED灯来实现小车的检测漏油点和执行修复动作。图1为机器车的基本构造。

水中机器人需巡管道前进，检测漏油点并执行修复动作。所以需在头部安装摄像头，进行图像采集并进行二值化处理，将处理后的数据发送到鱼身的控制主板，对数据进行处理，根据处理后的结果来控制机器鱼尾部的动力系统从而实现对管道的自动巡检和检测漏油点。如图2为机器鱼的基本构造。

2陆地机器人算法实现

陆地小车首先读取三个红外传感器，超声波和巡线阵列的值。红外传感器检测到足夠的反射光时值为0，未检测到足够的反射光时值为1；如果控制小车启动的红外传感器值为0，即检测到白色物体时，将flag赋值为1，小车开始执行巡线程序；如果控制小车停止的红外传感器值为0，即检测到白色物体，小车停止。巡线采用pid算法实现。在巡线过程中，检测黑色漏油点的红外传感器，若值为1，则小灯亮起，检测到漏油点；若值为0，则小灯不亮，没检测到漏油点。如果超声波检测到与物体的距离小于5cm，小车停止，旋转舵机，扫除障碍物。

2.1巡线功能的实现

为了使机器小车能够适应黑线的变化而灵活行驶，采用PID算法来控制机器小车。

在PID算法中，比例P：比例项部分其实就是对预设值和反馈值差值的发大倍数。比例P越大时，电机转速回归到输入值的速度将更快，及调节灵敏度就越高。从而加大P值，可以减少从非稳态到稳态的时间。但是同时也可能造成电机转速在预设值附近振荡的情形。积分I：积分项部分其实就是对预设值和反馈值之间的差值在时间上进行累加。积分项的调节存在明显的滞后。而且I值越大，滞后效果越明显。微分D：微分项部分其实就是求电机转速的变化率。微分项是根据差值变化的速率，提前给出一个相应的调节动作。因此微分项的调节是超前的。并且D值越大，超前作用越明显。可以在一定程度上缓冲振荡。

“比例项”（P）的作用仅是放大误差的幅值，为了使小车灵活行驶，则需要增加的是“微分项”（D），它能预测误差变化的趋势，这样，具有“比例+微分”（PD）的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

PID算法是基于反馈的。一般情况下，这个反馈就是速度传感器返回给当前电机的转速。即用这个反馈跟预设值进行比较，如果转速偏大，就减小电机两端的电压；相反，则增加电机两端的电压。反复自动调节电压，进而改变转速，小车可灵活行驶于黑色轨迹线。

2.2排障功能的实现

排障功能需要使用超声波和舵机组合装置。利用超声波进行测距，在一定距离范围内，舵机下降，机器小车停止等待排障成功，舵机上升，机器小车正常巡线行驶。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2 。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式表示为：

L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。

2.3检漏和小车启动停止功能的实现

检漏实际为寻找白色管道上的黑色标记。漫反射式光电开关通过光反射的原理检测障碍物，漫反射式光电开关是一种集发射和接收于一体的传感器。当前面有障碍物的时候，将光电开关发射的足够量的光线反射到接收器，光电开关产生开关信号。所以检测白色管道上的黑色标记选择使用漫反射式光电开关。当小车行驶至黑色标记上方时，接收端接收到足够的反射光，则输出端呈高电平即检测到黑色漏油点时，红外传感器返回值为1，小灯置为高电平，小灯亮起。当远离黑色标记时，则没有反射光，那么输出端呈低电平即没检测到漏油点，小灯不亮。

同样，当控制小车启动停止的红外传感器返回值为0时，即检测到物体，就将小车开启或停止。

3水中机器人算法实现

水中机器人巡线功能实现是利用机器人头部的摄像头采集图像，将图像中所拍摄的头尾两端的管道中点连线并计算斜率，根据斜率实时地改变机器鱼的方向和速度。斜率是利用二值化摄像头采集数据，选出一个合适的数值，将小于该值的设为黑色，大于该值的设为白色，将图像中的0，1数值的数组从上下两头同时遍历，将画面中上下两面计算出白色像素点起始和结束的位置，得到中间点，将两个中间点坐标放在笛卡尔坐标系连线，以Y轴作为基准计算连线相对于Y轴的斜率，该斜率就是所需的斜率。

4结束语

为了实现机器车的避障巡线和检测漏油点功能，笔者给出具体方法，结果表明该方法行之有效，运用该方法北京信息科技大学在2018年国际水中机器人大赛水中机器人协同竞技项目当中获得一等奖，但是由于该方法受环境光照影响较为强烈并且超声波对于物体感知过于灵敏导致误差出现，所以接下来如何减少光强对小车的影响和如何让小车更好地识别障碍物将是我们的研究重点。

参考文献：

[1] 任翠平，左毅鹏，卢军.基于PID算法的巡线小车的设计与实现[J].电子技术与软件工程，2016（6）.

[2] 苏琳.基于HC-SR04的超声波测距器的设计[J].科技信息，2012（3）.

[3] 邱国普，杨立，张立.各种障碍物的检测[J].电子世界，2004（12）：41-42.

【通聯编辑：唐一东】