水下摄像与捕捞机器人的设计与实现.doc
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编号：
哈尔滨工业大学
大学生创新性实验计划项目申请书
项目名称：
水下摄像与捕捞机器人的设计与实现
申请级别：
国家级（国家级、校级、院系级）
执行时间：
2011年6月至2012年6月
负责人：
骆子重
学号：
1100610202
联系电话：
18945046920
电子邮箱：
lzzlawrence@
院系及专业：
电气工程及自动化学院电气工程系
电气工程及其自动化专业
指导教师：
王淑娟
职称：
教授
联系电话：
0451-86417497
电子邮箱：
Wsj603@
院系及专业：
电气工程及自动化学院电力电子与电力传动专业
哈尔滨工业大学教务处制表
填表日期：
2011年6月11日
项目名称水下摄像与捕捞机器人的设计与实现申请经费：
10,000元
一、课题组成员：
（包括项目负责人、按顺序）
姓名
性别
所在院
年级
学号
身份证号
本人签字
骆子重
男
电气工程及自动化学院
10级
1100610202
440107199108200315
郑菱莎
女
电气工程及自动化学院
10级
1100610327
510107199110072621
龚肇沛
男
机电工程学院
10级
1100800929
120223199204200199
宋洁
女
机电工程学院
10级
1100800631
120104199109193221
二、指导教师意见：
课题组拟研制一套用于水下机器人遥控与自控的机器人系统，完成水下摄像和捕捞功能，并将其功能扩展至水下测温、测量水深和航行方向。
选题新颖，方案合理。
课题组整体实力强，具有一定独立分析问题和解决问题的能力。
同意其申报国家大学生创新实验计划。
签名：
2011年6月20日
三、院（系）专家组意见：
组长签名：
（盖章）
年月日
四、学校专家组意见：
批准经费：
元组长签名：
（盖章）
年月日
14
立项报告
一项目简介
本课题研究的目的在于研制一套用于水下机器人遥控与自控的机器人系统。
该项目研发的目的为制作一个可以执行多种水下任务的载体，例如海底资源探测、沉船打捞、水下地形探测、水下管线维护等，而且可以通过地面站对水下机器人的多种参数进行远程无线监控，尤其是可以实现实时视频监测水下环境。
本机器人实现的基本功能：
1.由遥控器与浮漂间进行无线控制，浮漂与机器人用电缆传输信号，使水下机器人完成水下前进、后退、上浮、下潜、左转、右转、平移等活动；
2.在机器人上安装摄像头，通过摄像头采集水下信息，传输回地面站，在上位机上进行视频监视与录像；
3.在机器人本体上安装可遥控机械手，利用上位机对其的控制，并拥有一定的水下打捞能力。
本机器人实现的扩展功能：
1.加装温度传感器，实现水下测温功能；
2.加装压力传感器，实现水深功能测试；
3.加装电子传感器，实现电子测方向，实现上位机显示航行方向功能。
二申请理由
机电学院与电气学院同学共同完成一个体现双方专业的，有一定难度的科技创新项目。
在结合近期国内外发生的众多事件（日本海啸、王家岭透水事故、墨西哥湾石油泄漏）讨论后，决定制作一个多功能水下机器人操作平台。
使该创新项目尽早实现应用，造福社会。
该机器人涉及机械设计、机械制造、机械手控制、无线通信、电路制作、单片机控制、视频采集、数据无线传输与处理等方面的知识。
该项目适合电气以及机电两个学院同学联合制作。
组内四名成员中有三名参加了上学期科技创新活动，全部完成终期结题工作，获得院系以及导师的好评，并在上学期的科技创新活动中积累了大量经验，学习了很多知识，有能力完成的科技创新活动。
组内两名电气学院同学，通过上学期科技创新活动，掌握单片机知识，以及部分上位机制作技术，VB技术等。
在本项目中可以负责上位机制作，机器人控制电路制作，机器人PID算法控制以及机器人与上位机之间的无线通信与数据传输等工作。
组内两位机电学院同学，通过上学期科技创新活动掌握单片机知识和机械制造方面的知识，负责机器人整体外形设计制作、机器人动力系统的设计与制作、机器人仪器舱和机械手的水密性实现、机械手的设计制作以及控制等工作。
课题负责人骆子重同学，吃苦耐劳，成绩优异，思维敏捷，热爱计算机编程技术，有多年编程经验，有很强的计算机编程的能力和单片机编程经验，对科技创新怀有浓厚兴趣，刻苦钻研，曾经参加过机器人设计竞赛及各种学科竞赛。
在大一期间完成了基于PID算法的温控系统的创新设计。
郑菱莎同学，在学习和生活中全面发展，踏实肯干，动手能力强，上手快，办事认真负责，有很好的组织协调能力，曾参加过多种学科竞赛，对科技创新有浓厚的兴趣，并且具有扎实的单片机设计的基础，能熟练运用VB语言和C语言。
通过上次的科技创新活动，在理论和实践方面均收获很多，希望能在新的项目中学到更多。
龚肇沛同学，学生会干事，有较强动手能力，踏实肯干，接受新知识快，对科技创新活动抱有浓厚兴趣.对机械结构有一些了解。
完成了上学期科技创新结题工作，并通过科技创新活动积累了大量经验，有毅力有决心完成新的一项科技创新活动。
宋洁同学，现为院系团总支干事、电子协会宣传部部长助理以及1008006班班委，对科技创新具有浓厚的兴趣，基本掌握初级技术。
在团队里主要负责文书工作，认真负责，有热情和耐心。
有较好的组织管理工作，能为本组同学提供后备支持。
本组同学完成了上学期的科技创新活动，大家有足够的信心，足够的毅力以及充足的技术保障来完成这项科技创新。
三立项背景
开发海洋是人类在二十一世纪面临的重大课题，而探索、考察和有效利用国际海域和海底区域是对我国发展海洋高技术和未来海洋产业提出的挑战。
人类当今正面临着人口、资源和环境三大难题。
随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。
为了生存和发展，海洋开发势在必行。
海洋占地球表面积的71％，拥有14亿立方公里的体积。
在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。
在6000米以下的大洋底部仍有生命存在，这种在极端条件下的生命，格外受到生物学家的重视。
大洋底部还沉积着极为丰富的多金属结核，尤以铜、锰、镍、钴含量最高，估计储量为l.7万亿吨。
海底锰的藏量是陆地的68倍，铜的藏量为22倍，镍为274倍，制造核弹的铀的储藏量高达40亿吨，是陆地上的2000倍。
海洋还是一个无比巨大的能源库，天然气水合物总量相当于陆地燃料资源总量的2倍以上。
海底储存着1350亿吨石油，近140万亿立方米的天然气。
因此，洋底的探测和太空探测类似，同样具有极强的吸引力、挑战性。
1991年，中国被联合国批准为第五个深海采矿先驱投资者，承担30万平方公里洋底的探测任务，并最终拥有对矿产资源最丰富的7.5万平方公里海域的优先开采权。
中国政府已把海洋开发作为21世纪的国民经济与社会发展战略重点之一。
同时，中国是产煤大国，拥有众多的煤矿，一旦发生透水事故，人员被困井下，后果不堪设想。
水下机器人即可应用在类似于这样的不明水下环境的探索以及水下救援等方面。
无人遥控潜水器，也称水下机器人。
一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。
水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具之一。
无人遥控潜水器主要有：
有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种。
其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
特别是近10年来，无人遥控潜水器的发展是非常快的。
从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。
特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90％以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。
1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110％。
这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。
另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中28艘用于工业服务。
潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。
靠电缆向本体提供动力和交换信息。
中继器可减少电缆对本体运动的干扰。
新型潜水器从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。
操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。
近年来开始研制智能水下机器人系统。
操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。
无人有缆潜水器的发展趋势有以下几点：
一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能，将数据反馈到监控系统；四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。
此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。
水下机器人是多种现代高技术及其系统集成的产物，对于我国海洋经济、海洋产业、海洋开发和海洋高科技具有特殊的意义。
发展水下机器人，并将其作为海洋战略制高点，提升我国海洋重大装备水平，为海洋支柱产业和新兴产业提供成套技术与先进装备保障，为海洋未来产业和国家海洋战略创造有利条件与国际竞争能力，并将强大的技术领先优势，转换成为强大的产业开发优势。
本项目所制作的机器人系统，可以实现水下多自由度移动，并且能实现水下视频、温度等一定水文资料的采集与传输。
机械手使其具备一定打捞能力。
四项目方案
4.1系统总体设计
本项目目标是制造出一个水下机器人，使其能够遥控进行水下摄像、捕捞等动作。
该机器人由操作员在水面上位机上控制和监视，通过WiFi与水面的浮漂通信，而浮漂与机器人间通过电缆进行连接，进行数据的传输与通信，具体框架如图4.1所示。
图4.1网络通信框架
我们计划完成让本机器人实现以下几个功能和技术指标：
1.能通过远程遥控，以10cm/s的速度自由地前、后、上、下、左、右、平行的移动，最快达20cm/s；
2.在水深为10m左右的位置实现摄像与捕捞功能；
3.水下机器人与漂浮球之间通过电缆传输数据；
4.漂浮体与地面站之间用WiFi通过以太网进行数据传输，使得有效距离达100米，传输速率达150Mbps；
5.以30fps的传输速度将像素为30万的视频图像采集资料传输到陆地；
6.机械手能承重100g；
7.测试水下温度，测试范围达5℃～50℃，精确到0.0625℃，实现高精度测温；
8.测试水下压力，测试范围达0pa～200kpa，实现对压力的测量；
9.实现航向方向的测试。
4.2硬件系统设计
本系统的硬件系统包括：
动力系统、水下机器人运动控制系统、机械手等部份。
其中，动力系统完成提供机器人运动动力；运动控制系统主要完成机器人的运动与姿势控制等功能；机械手完成对目标的捕捞功能。
本系统的核心是水下机器人。
该水下机器人是一艘长2米的潜艇模型，具有完善的动力系统，可以通过控制各个马达、伺服电机、电磁阀完成上浮、下潜、加减速、转弯等基本动作；具有液压传感器、电子指南针等传感器，用于指示机器人当前深度与方向。
马达、伺服电机、电磁阀等动力装置通过PWM信号直接驱动；液压传感器输出的模拟信号经过I/V转换板后传输给单片机上ADC输入。
1.动力系统
水下机器人的动力装置由如下几部分组成：
2个主推桨马达；1个升降舵；电磁阀若干。
这些动力装置均各自配有航模遥控器标准的驱动器，即采用PWM信号控制。
（1）主推桨
动力系统采用了双桨推进的方式，增强了行驶过程中的稳定性。
主推桨外形如图4.2所示。
主推桨的马达是潜水电机模块，其驱动器的控制信号为航模用PWM信号。
图4.2主推桨
（2）升降舵
升降舵位于水下机器人尾部，桨叶的角度由舵机控制。
2.控制系统
（1）AVR单片机最小系统
由于AVR单片机具有以下功能：
①属于多累加器型，数据处理速度快；
②有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断，中断响应速度快；
③32个可编程的I/O脚，每个脚都可以指定工作模式；
④内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器；
⑤有功能强大的定时器/计数器及通讯接口；
⑥耗能低，对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。
所以我们暂定用ATmega系列单片机作为该机器人的主控制芯片。
a复位线路与晶振电路的设计，如图4.3所示：
图4.3复位线路与晶振电路
b电源电路的设计，如图4.4所示：
图4.4电源电路
c.ISP下载线路设计，如图4.5所示：
图4.5ISP下载线路
（2）机器人运动控制系统
机器人由位于本体内部的AVR单片机接受由电缆传输来的控制指令后控制机器人本体的运动。
机器人运动的能量用本体内的电池供给；后方的多个主推桨为主要前进的动力来源；转向由控制主推桨的转速实现；机器人本体通过添加压舱物，使其密度与水密度接近，这样，通过由舵机控制的升降舵即可控制它在水中的上下移动。
（3）机械手运动控制系统与视频采集系统
机械手运动控制系统将使用成型的机械手控制模块，与控制单片机直接通信，控制它的运动。
而视频采集系统运用图像传感器，在水下采集视频图像，用电缆将视频信号直接传输到收发器上，再由收发器将数据信号通过WIFI传给上位机，实现视频监视和录像。
（4）机器人与浮漂通讯
实施过程，如图4.6所示：
图4.6机器人与浮漂通讯实施过程图
（5）环境温度与压力测试
在机器人上安装温度传感器和压力传感器，实行对水下环境的温度和压力数据的采集，通过电缆将信号传给收发器，再无线远程传输给上位机，完成对水下的温度的测试和深度的测量。
3.排水与排气系统
排水与排气系统由2个球形水柜、压缩气罐以及电磁阀系统构成，主要功能为调整水下机器人的比重使其在水中呈悬浮状态，以及遇到紧急情况时的快速吹水上浮。
采用2个球形水柜的设计可以灵活调节水下机器人俯仰平衡。
4.水密系统
采用部分水密部分浸水的设计，降低系统复杂度，提高稳定性和可靠性。
5.电源设计
（1）水下机器人的电源设计
水下机器人内的电源系统比较复杂，主控电路板需要+5V，+12V，+3.3V，-5V，-12V5路电源；光纤收发器需要+5V电源；传感器及I/V转换板需要+12V电源；主推桨马达，电磁阀需要+12V-+15V电源；伺服电机需要+5-+7V电源。
可见主控电路板的电源需求最为复杂，。
水下机器人只能采用蓄电池供电，其电压范围为11.5V-14.4V。
此处采用了一块被广泛应用于车载电脑场合的DC-ATX电源转换板。
此转换板的输入为+12V-+18V直流电压，输出为一组标准ATX电源。
该电源板采用了先进的DC-DC技术，转换效率高达85%，因此发热量很小，适应了水下机器人空间狭小的特点。
（2）浮漂的电源设计
浮漂内有光纤收发器、无线路由。
光纤收发器需要+5V供电，无线路由需要+9V~+12V供电。
由于浮漂内空间很小，此处采用里聚合物电池组作为浮漂内的电源，其标称电压为10.5V，可以直接给无线路由供电；通过一片DC-DC芯片LM2576-5提供5V电压给光纤收发器。
浮漂内电源系统如图4.7所示。
图4.7浮漂内电源系统示意图
6.机械手设计
机械手部分采用模块化的机械式机械手，留有通用接口方便更换不同作用的机械手。
机械手将被安装在在靠近水下机器人中间位置，这样可以避免机械手运动对水下机器人产生很大的扰动，因为在任何情况下，中问位置的机械手产生的扰动力矩要比机械手安装在前部产生的扰动力矩小得多。
此外，机械手位于中部可以避免意外的撞击，得到良好的保护。
在机器人航行过程中，机械手将处于收藏姿态。
4.3软件系统设计
整个系统包括：
地面站监控系统、浮漂传输系统、水下机器人控制系统、视频传输等几部份。
其中，地面站监控系统完成机器人对本体控制和视频监视功能。
浮漂传输系统应具有数据中继功能。
视频系统应完成对图像的捕捉、传输、播放与录制等任务。
具体控制系统的主要组成模块如图4.8所示。
图4.8控制系统主要组成模块结构图
1.地面站监控软件设计
地面站实际是一台能够接入无线局域网的PC机。
这里采用了内置无线网卡的笔记本电脑。
地面站构成如图4.9所示。
图4.9地面站构成框图
地面站提供了一套用于人机交互的软件。
在该软件的界面上，可以监视水下摄像头的视频画面，可以用鼠标控制水下机器人各个马达的转速、电磁阀的开关，可以监测水下机器人所处深度、方向等状态信息。
水下机器人水下探测常常会携带精密仪器，这就要求控制系统能够实现对水下机器人实现精密高效的控制。
地面站工作过程，如图4.10所示。
图4.10地面站工程过程示意图
2.浮漂数据中继软件设计
（1）浮漂
浮漂内的结构的作用是完成以太网的光纤介质向无线介质的转换，由光纤收发器与无线路由组成。
浮漂的内部组成和功能如图4.11所示。
图4.11浮漂的内部组成和功能示意图
以太网是本系统的主通信线路，水下机器人与浮漂之间通过光缆，浮漂与地面站之间通过WiFi传输数据。
水下无线通信一般采用水声通信，而水声通信的带宽一般不超过10Kbps。
由于水中宽带无线通信存在巨大困难，传统的需要传输视频信号的水下机器人一般采用有缆控制。
本系统采用了局部有缆与远程无缆相结合的方法，实现了对水下机器人的远程宽带无线遥控。
水下机器人与水面浮漂之间通过光纤以太网相连接，水面浮漂与地面站通过无线局域网（WiFi）相连接，在地面站可以流畅的观看水下摄像机的视频画面。
实现过程如图4.12所示。
图4.12网络通信结构框图
（2）视频采集与传输相关程序设计
视频的采集实际是通过不断的从摄像头里读取图像数据，进而在对图像进行相应的处理而获得的。
图4.13为图像采集的程序框图。
在视频的获取过程中，我们首先将视频滤波器绑定在摄像头设备上，这样能在视频帧率较小和环境噪声较大的情况下，保证视频流畅和图像清晰，这样就能获得质量较高的图像信息，为后期录像功能打下了很好的基础。
图4.13视频采集与处理程序流程框图
数据的传输主要分为两个部分。
第一个部分为一个TCP/IP的服务器，它负责视频数据的发送功能；第二部分为一个TCP/IP的客户端，它负责视频数据的接收。
3.运动控制系统软件设计
（1）PWM控制信号
舵机，是广泛用于遥控模型中的位置伺服装置。
它的控制信号为信号，是一个周期为20ms，脉宽在1ms-2ms之间变化的PWM信号。
脉宽值与伺服电机的位置一一对应，其中脉宽为1.5ms时伺服电机位于中间的位置，脉宽为1ms、2ms分别对应伺服电机处于极限的2个位置。
控制过程如表4.1和图4.14所示。
表4.1三种动力装置受控状态
脉宽
1ms
ß………
1.5ms
………à
2ms
舵机
0度位置
度数递减
90度位置
度数递增
180度位置
直流电机
逆时针最高速
逆时针速度绝对值加大
停止
顺时针速度绝对值加大
顺时针最高速
电磁阀
断
断
通断的阈值
通
通
图4.14舵机控制图
因为伺服电机在遥控模型技术中的重要性，遥控模型遥控器与接收机的信号被设计成为用于控制伺服电机的PWM信号。
遥控模型上除伺服电机外的其他动力装置，例如直流无刷电机、电磁阀，为了与遥控器接收机方便的接驳，其驱动器被设计成统一的PWM信号控制接口。
对于直流无刷电机，PWM信号的脉宽控制转速；对于电磁阀，PWM信号的脉宽控制其通断。
（2）ADC传感器采集程序
4-20mA信号是一种普遍应用于工控场合的传感器信号传输的模拟信号。
采用2线传输，既能传输信号，又能够给传感器供电；采用电流型信号传输，抗干扰能力非常强。
本设计中采用的深度传感器（液压传感器）即采用了4-20mA信号标准，4mA代表当前液压为0，20mA代表液压为满量程（本设计中的传感器量程为1MPa即100米水深）。
ADC系统如图4.15所示。
图4.15ADC系统
五特色与创新
1.局部有缆与远程无缆的结合，突破距离限制，提高了水下机器人的灵活度。
2.前端机械手模块化，可根据不同水下情况更换不同的机械手，增加的水下机器人的使用范围，使得其更有针对性。
3.自己编写上位机程序，实现对传回的视频、水温、方向等数据的实时显示以及视频录制功能，使得水下机器人的应用范围更加广泛，功能更加强大。
4.采用WiFi通讯，效率高，可实现一定距离通讯，并且传输数据量大，传输速度快，接口方便，采用普通有网卡电脑就可作为上位机，应用面广。
六进度与安排
2011年7月—2011年11月
了解水下机器人的工作原理及其过程。
在此期间，完成任务分工，小组讨论每个人负责的子模块，利用图书馆的资源及网上资源学习单片机、数学电子电路、模拟电子电路、机械原理、自动控制原理等多方面的知识，设计出水下机器人的基本蓝图，完成基本的机械与电路设计。
2011年11月—2012年4月
机械与电路控制同时进行制作，采购必需的元器件，依照第一阶段的设计蓝图，设计、并初步制作出可执行预定功能的模型机；进行实验，模型改进与控制程序调试；机体主体装配，各部分联合调试。
2012年4月—2012年5月
针对第二阶段出现的问题，对模型进行优化与改进，优化预定功能并逐步实现附加功能，使模型逐渐完备。
2012年5月—2012年6月
完成最终调试，项目结题。
七中期及结题预期目标
1.中期目标
（1）完成机器人外形设计与制作；
（2）完成机器人电源系统的设计与制作；
（3）完成部分通信模块的制作；
（4）完成机器人动力系统的设计与部分制作；
（5）完成部分程序设计。
2.结题目标
（1）完成机器人外形设计与制作；
（2）完成机器人电源系统的设计与制作；
（3）完成通信模块的制作；
（4）完成机器人动力系统的设计与制作；
（5）完成程序设计；
（6）完成机器人各部分联合调试；
（7）机器人预定功能的实现。
八经费使用计划
项
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