AI 水下捕鱼机器人的研制

周 固 谭 鑫 陈洪雨 李玉廷

（临沂大学，山东 临沂 276000）

1 项目简介

AI 水下捕鱼机器人是将人工智能、 探测识别、智能控制、系统集成等多方面的技术应用在同一水下载体上， 通过图像识别技术实现自主控制和人工操控，预期做出一种工作于水下的极限作业的机器人。 它能在节省大量人力的同时，潜入危险海域帮助人类进行一系列的捕鱼操作，同时也能进行水下资源勘探和海洋科学生物考察等。 因此，水下捕鱼机器人已经成为开发水下资源、渔业养殖的一种重要工具。

2 国内、外研究现状和发展动态

（1）国外水下捕鱼机器人的发展，主要以美国，日本以及西方发达国家为代表，他们的发展技术几乎代表了全世界水下机器人技术的发展水平。 美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。 但捕鱼机器人的研制开始出现在日本，并渐渐成熟。

（2）现阶段，我国的水下机器人只能用于观察和测量，很少具备作业能力，而且智能控制水平也不高。所以捕鱼机器人的开发与研制并不成熟，值得人们去创新研究。 实现水下自动机器人具有作业能力。

（3）项目研究创新点与项目特色:

1）实行可视化垂钓，一种结构简单、体积小、可自动识别上钩鱼种类和大小的智能捕鱼机器人。

2）针对式撒网式捕鱼，分析某种鱼类最喜欢的饵料，再利用水底图像进行操控撒网，重点捕捞。

3）改进独特的程序算法，可以自由操控水下机器人进行作业。

4）改用stm32 单片机替代51 单片机，实现控制的处理高速率、高效率，使水下机器人的反应更加迅速。

5）推进器用无刷减速电机，可以更灵活地控制前后方向。

3 研究内容

（1）随着科技的不断发展越来越多的领域开始采用机器人代替人工，机器人将代替人类完成一些高度危险活动和繁重体力劳动，这使得机器人需要适应各种极端的环境，在各种已知甚至是未知的环境中完成各种作业任务。 此项目在复杂的水下环境中选择了捕鱼功能的研究， 现在的捕鱼业和养殖业如火如荼，项目中加入了对现在市场捕鱼需求的实用功能，更加小众化，适应国家和市场需求。

（2）传统的钓鱼都是采用钓鱼竿，钓鱼者拿着钓鱼竿钓鱼，人在钓鱼时得全神贯注地看着水里的浮子，时间长了容易产生疲劳， 钓鱼本来就是一项放松的事情，当钓鱼者产生疲劳时，正是适得其反，而且每次钓鱼时，需要人工判断当前上钩鱼的大小，在钓鱼过程中，经常将幼鱼或者其他稀有鱼类钓上，影响钓鱼的速度和质量，这就导致钓上目标大小和种类鱼类越来越困难。

4 设计方案

根据研究项目所要实现的功能， 对AI 水下捕鱼机器人做整体设计，整体架构采用厚度10 mmPOM 板材料加工制作，捕鱼机器人手采用POM 材料，以防水舵机驱动，机器人采用防水无刷电机推进器，采用透明亚克力管作为主舱，主控板采用四驱模式。 锂电池置于电池舱，捕鱼机器人采用零浮力电缆控制，在机器人主舱前部安装OPEN MV4 摄像头，可实现水下实时监控，并能够及时发现水下鱼群动态，可用于获取机器人的实时位置信息及水下障碍，及时采取操作与控制，以便于完成相应的作业任务。

4.1 机器人总体结构设计框图

根据AI 水下捕鱼机器人的各部分功能， 构建整体结构功能的流程框图如图1 所示。

图1 总体方案装置框图

4.2 机器人各分系统研究

机器人整体架构设计完成后，下一步将进行各分系统的设计，本机器人主要由以下几个系统，本别加以表述。

4.2.1 动力系统

该机器人采用无刷减速电机水下推进器，理论最大工作深度为150 m，工作电压为12 V，最大工作电流为6.5 A， 在保证了节省电量的同时增大了电机的推力。 电路方面根据智能车的技术经验采用了MOS驱动电路来安全稳定可靠的实现电机的正转反转及加减速，如图2 所示。

水下机器人采用了4 个水下推进器驱动，其中两个推进器在后侧为机器人提供前进后退动力及左右转向控制（当给机器下达向右转的指令是右侧电机停止或者减速旋转，左侧保持原来的速度，左转原理亦然），两侧的推进器朝上，可以控制机器人在水中的下沉、上浮或者处于悬浮状态。

4.2.2 控制系统

采用stm32f103cbt6 这个32 位的单片机来对机器人进行控制（见图3），通过单片机的指令控制无刷直流减速电机的正转或反转从而实现机器人在水中的上升、下降、前进、后退、左转、右转这6 个自由度。 之所以采用stm32， 是因为stm32 属于arm 内核的一个版本拥有51 无法比拟的更高运算速度而且功耗小、价格相对便宜。

图3 基于stm32 控制的主控板

4.2.3 供电系统

采用直流供电系统，包括第一电池组、第二电池组、选择开关和控制器；第一电池组的正负极分别连接到第一用电设备；第二电池组的正极经由选择开关连接到第一电池组的负极或第二用电设备，第二电池组的负极连接到第二用电设备或第一用电设备；选择开关的本体连接于第二电池组的正极，选择开关的第一端连接到第一电池组的负极，选择开关的第二端连接到第二用电设备；控制器控制选择开关的动作。 其第一电池组和第二电池组能分别给第一用电设备和第二用电设备供电，也能串联起来一起给第一用电设备供电，能提高水下机器人的续航能力，提高可靠性和安全性。

电池充电装置采用220 V 转12 V 变压器将220 V交流电变为12 V 交流电，再经GBU406 整流桥式电路把12 V 交流电变为12 V 直流电，再经过7812 三端稳压器把12 V 转换成相对应的电压，实现模块供电。

变压器是变换交流电压、 电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。 是一种利用电磁互感应， 变换电压， 电流和阻抗的器件。 根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势， 其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一、二次端电压与一、二次绕组匝数成正比，即U1/U2=N1/N2，但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化如图4 所示。

图4 220 v 交流电变12 v 直流电源

4.2.4 图像系统

该机器人属于电缆通信机器人，通过通信电缆的通道进行信息传输是可靠的，通常采用通信系统复用系统一般为分时—分频系统，用通信通道可以进行视频传输，系统工作信息和控制信息。 视频传输采用的是当前比较成熟的模块单路纯视频光端机，把视频数据通过光纤进行传输数据。 能够实时显示当前的摄像头采集到的信息。

4.2.5 捕鱼结构的确定与实现

捕鱼结构采用框架式。 捕鱼结构的发展趋势是从框架式趋向于鱼形流线体结构， 但我国此项技术也尚未成熟。 捕鱼方式采用垂钓式和撒网式两种选择方案。

垂钓式提供一种结构简单、体积小、可自动识别上钩鱼种类和大小的智能捕鱼机器人及其捕鱼方法，以解决现有钓鱼竿功能单一、难以满足实际需要的技术问题，通过控制器控制驱动装置驱动捕鱼器抛钩和提杆，利用位置传感器用于获取鱼钩咬钩后的位移信息， 且其包括X 方向传感器，Y 方向传感器和Z 方向传感器。 通过压力传感器判断鱼类咬合力的力度来判断鱼类的大小，辅助以图像技术传输达到对鱼种类和大小的确定。

驱动装置受控于控制器，且驱动装置驱使捕鱼器抛钩和提竿，捕鱼器包括鱼竿、鱼钩和升降装置，鱼钩装设在鱼竿上，且鱼竿通过该升降装置以固定，驱动装置与升降装置驱动相连，鱼钩上设有位置传感器和压力传感器；控制器包括微处理器、存储器和智能分析模块，位置传感器和压力传感器分别与微处理器电性相连，存储器与微处理器电性相连，智能分析模块与微处理器电性相连。

工作步骤如下：

（1）位移传感器获取上钩鱼的运动轨迹，压力传感器获取上钩鱼的咬合力大小；

（2）基于智能分析模块，根据获取到的所述上钩鱼的运动轨迹和咬合力大小，以确定驱动装置的响应时间和驱动力度的大小如图5 所示。

图5 智能分析模块与微处理器电连接框图

（3）撒网式操作。 垂钓式的捕鱼量难以满足实际市场需要，而撒网式捕鱼可以优化这一不足，以不同鱼饵对不同种类的鱼进行选择，网隙的大小对鱼的大小进行筛选，利用图像传输技术，以人为操控手柄驱动捕鱼装置，实现捕鱼。 控制器控制驱动装置，驱动装置驱动撒网，利用位置传感器，判断小鱼群的走向，利用高度优势进行广撒网，但这一项对机器人动力装置要求极高。

4.2.6 重要组件

（1）Stm32f103cbt6、GBU406、 超级电容、7805、贴片电阻若干、贴片电容若干、光电混合缆、光端机、电池、摇杆、电位器、Pom 板、铁箱、摄像头、散热扇、热熔胶、主控板、Mos 驱动电路、转压板、直流减速有刷电机、舵机、机械臂，捕鱼器，驱动装置。

（2）外部材料。

①POM 板机架POM 板是一种没有侧链、 高密度、 高结晶性的共聚性聚合物， 具有优异的综合性能，表面光滑，有光泽的硬而致密，可在-40～106°C 温度范围内长期使用。 它的耐磨性和自润滑性也比绝大多数工程塑料优越，又有良好的耐油，耐过氧化物性能。 机械强度高、刚性大，硬度高、优异的弹性、滑动性和耐磨性、抗蠕变性能好，即使在低温下，耐冲击强度高，有非常好的尺寸稳定性，机械性能优异漂浮力电缆参数如表1 所示。

表1 零浮力电缆参数表

②零浮力光电混合缆。 光电混合缆的结构是将250μm 光纤套入高模量材料製成的松套管中， 松套管内填充防水化合物。 缆芯中心为FRP 或金属加强件。电线与松套管（和填充绳）围绕中心加强芯绞合成紧凑和圆形的缆芯，缆芯内的缝隙充以阻水填充物。 双面涂塑钢带（PSP）纵包后挤制聚乙烯或低烟无卤（LSZH）护套成缆。 具有很好的柔韧性和机械性能。

电缆部分与光缆部分保持相对独立的结构，便于安装时的引入、引出和连接，充分节约管道资源。 可适用于较大的工作温度范围，而且在狭小空间也能自由安装同事相容光信号传输和电能传输。

5 技术路线与实现

5.1 技术路线

研究小组实行分工协作，按照项目研究计划的进度向前推进研究工作， 合理设计机器人的整体结构、确定好机器人的吸附方式及行走机构和作业内容及模式，做好机器人制作的各个环节，认真进行测试，并不断改进和优化，按时完成研究计划，在研究的同时撰写和发表论文，争取顺利结题。

5.2 拟解决的问题

（1）捕鱼多功能的实现；

（2）防水效果的优化；

（3）图像传输处理；

（4）多种传感器的协同检测协作。

5.3 预期成果

研制出样机一部， 在国内期刊上发表论文1 篇或申请专利1 项。

5.4 创新点与项目特色

（1）实行可视化垂钓，一种结构简单、体积小、可自动识别上钩鱼种类和大小的智能捕鱼机器人。

（2）针对式撒网式捕鱼：分析某种鱼类最喜欢的饵料，再利用海底图像进行操控撒网，重点捕捞。

（3）改进独特的程序算法，可以自由操控水下机器人进行。

（4）改用stm32 单片机，超越51 单片机的处理速率，使水下机器人的反应更加迅速。

（5）推进器用直流减速电机，可以更灵活地控制前后方向。

AI 水下捕鱼机器人实物如图6 所示。

图6 AI 水下捕鱼机器人实物照片

6 结语

随着渔业捕捞和渔业养殖发展的需要，由于水下工作的比较复杂及工作非常艰苦，以及人工费用增长迅速，采用水下机器人替代潜水员执行任务已是大势所趋。 各种水域作为人类赖以生存的蓝色国土，关系到人类的生存和持续发展，这是人类必须面临的现实问题，必须用好水域资源。 21 世纪伴随着人类增进认识水域资源的进程，水下机器人这一高新技术将进一步发展改进并会更加完善。 无人自主水下机器人是其发展的方向。 对AI 水下捕鱼机器人要继续做深入研究，增加传感器种类和数量，改进智能控制算法，使其可自主巡游、自主作业。