基于DSP的水下机器人探测与搜索系统设计＊

贺鹏飞，唐少强，刘智博，张诗晗

（安徽省滁州学院机械与电气工程学院，安徽 滁州 239000）

＊［基金项目］2021年安徽省滁州学院大学生创新创业训练计划资助项目“基于DSP的水下机器人探测与搜索系统设计”（编号：2021CXXL068）

水下机器人的运行系统需要在复杂的水底环境中长时间工作，在水底可以搜集到的信息很少，不确定性高，将技术适当进行整合，取长补短，不但能够提高水下的探测精度，而且可以适当降低对单一的系统元器件的精度要求，从而降低系统总体的成本，提高系统的容错性，增加系统的可靠性。

水下机器人有着广阔的应用前景，具有潜入浮出、可携带负载运输、动作灵活等特点，通过运动控制系统与传感器等感知系统，实现监控、搜寻营救、灾情视察、探测、预警、打捞和水质检测等。水下动力控制技术已经有成熟的理论基础，如目前广泛应用于市场的ROV等[1]。水下机器人要实现实用化，探测和搜索技术是其所要具备的功能技术之一，依据自身条件进行合理判断，从而实现避障和探测监测并传递出指定区域内搜集到的信息。本文针对水下机器人探测与搜索这一特定问题，探讨指定区域内信息探测方法。

1 系统的外部结构及特点

鱼类在水中拥有独特的身体构造，使其变得灵敏且特殊，为研究水下情况，按照鱼的外形设计了该系统，其结构包括机器主体部分、两边可拆卸的水平胸鳍、后方的垂直尾鳍、上下方的背鳍和腹鳍；所述主体为鱼的外形壳体，机体上下左右后5个部位分别设有带孔卡槽；所述的水平胸鳍是成对的，分开成轴对称关系安置于机体左右两边；所述后方的垂直尾鳍安装在所述机体的尾部卡槽；所述背鳍和腹鳍各有一件，分开设在机身中段上下方，鱼鳍部分都为空心壳体，减轻了质量，使得其在水中能够更加灵活轻盈且降低了成本。

真实的鱼类生物机体内外条件难以完全真正实现模仿，为进一步降低机器人的研发成本和使用成本并提高使用的便捷性，采用特殊的复合型材料以及木质结构体封闭结构，再在表面涂上防水材料并贴上蒙皮，并对缝隙处进行特殊防护处理，蒙皮上再进行流线型处理，使机器人更接近仿真，水中游动速度变快，更加耐用，外形更加美观。在已有的技术上，摒弃了传统的包装外形设计和旧式材料，充分发挥了各个模块的特点，使得机器人更加灵活轻便，更具有潜在的竞争力。

2 整体系统运行原理

2.1 DSP成像识别

实验系统搭建完成后，通过图像分割、点运算、区域边界检测、编码压缩、几何变换、EM最大期望算法和Camera 3A算法等对图像进行优化处理。模拟信号需要用DSP（Digital Signal Processing）转换芯片进行处理，待CCD（Charge Coupled Device）摄像头搜集到可用信号便马上将接收到的波形传递给DSP芯片，经过再转换成为可处理的量化信息，即CCD传感器捕获到模拟信号，经过A/D转换器采样与预处理变为离散的数字信号，等进入UDSP（Utilizing Digital Signal Processor）芯片中，此时的信号便是以二维矩阵的方式存在的。

2.1.1 DSP处理器

DSP处理器是经过特殊指令和结构设计的，能够适应DSP算法，处理运算量大的系统，且编译和执行速率都高于普通芯片。在FFT（Fast Fourier Transform）、谱分析等方面正大量被引入[2]。DSP芯片按照用途划分，通常可以分为专用型和通用型，通用型可以进行指令编程，常用于普通的应用装置，而专用型则是为特定运算而专门设计。目前运用最多的是通用型TMS320系列芯片。

2.1.2 DSP图像处理实现

图像处理主要可分为频域处理和空域处理，频域的处理本质是卷积定理的应用，图像被转换成波，再对其进行数字信号处理。与此不相同是空域处理，空域处理本质是灰度映射的变换，是直接对图像中像素进行处理。

2.2 空间姿态传感系统

为了使机器运行更加稳定、适应能力更强，为主控制板带上神经网络融合陀螺仪、加速度计和地磁[3]。把三轴角速率、三轴加速计、三轴磁场作为输入，姿态角度作为输出。经过测试匹配，使用相应的传感器，经过ARM（Advanced RISC Machine）处理器的转换得到三维姿态信息和目标方位的数据，共同组成空间姿态传感系统，让机器人在水中活动更加灵活稳定。ARM处理器有着体积小且功耗低的特点，加上16/32位双指令集、用户模式的强大性能，非常适合用于对成本和功耗敏感的产品设计和装置。

2.3 系统设计过程

根据系统的要求首先确定好目标需求，经过算法推测和预设，对目标功能进行模拟演示，确定好可行的方案之后，再根据其运算的速率、误差及储存能力等参数对应选择合适的DSP芯片。

对芯片进行多方面、多因素、多方式核算，评估可行性，单DSP与多DSP、串行和并行结构等都是影响其处理能力的重要因素。进一步优化算法、高频次完善性能。设计好合适的结构，完成芯片的选择，之后同步进行硬件的设计与软件的编译，经过软硬件的反复调试与磨合，最终集成系统，再对系统进行各项实验测试和数据统计，并依照数据进行调节以达到最佳效果。

2.3.1 软件、硬件设计

对各项需求进行分类，确定软硬件分别需要完成的部分，分工完成，再根据技术需要进行硬件的设计，绘制相应的能够满足基本需求的电路原理图。最后为硬件编写与之相符的满足要求的DSP汇编语言程序，满足软件设计需求。

2.3.2 调试

硬件和软件设计完成后，需要进行相应的调试，用硬件仿真器对硬件进行仿真与调试，用DSP开发工具进行软件调试。将二者结合，同步进行调试，根据实时情况反馈来查看系统是否需要进行相应的改变和完善。

2.3.3 集成与测试

调试完成后，还需要对系统进行集成处理和测试，可直接在应用系统上单独运行软件，根据结果评估是否满足目标需求。由于软硬件的匹配不是绝对成功的，需要多次匹配与磨合。因此，本阶段需要进行反复调试和长期优化处理，一旦运行与实时所需表现一致或者达不到目标要求，就要进行修改和再测试，如此反复直到完成目标要求。

2.4 机器人的机身平衡技术

2.4.1 PID的选择

PID（Proportion Integration Differentiation）控制的应用有一定的鲁棒性，其中P是比例，I是积分，D是微分，使用起来比较灵活，能够达到更多的要求，更加适应恶劣环境[4]。水底环境充满未知和不确定性，对系统会有一定的影响，这也使得时变性和非线性等成为水下机器人在应用过程中的运动特性，为了让未知更加可控、降低潜在的损失与风险、提升性能，通过线性微分化或模型简化等方式简化为基本可控的非时变性和线性的可控系统，经过测试和技术筛选以及成本把控，PID各方面都可以满足条件，进而使用PID控制。

2.4.2 PID控制方式

模拟控制系统中有众多控制规律，使用较多的是PID控制规律，可控性较强。比例P控制调节反应灵敏度，P较小时反应较慢，P变大则加快系统反应速度，速度提升，实时性提高，系统变得更加稳定，偶然出错率也被降低。积分I调节可以减小误差；微分D反映误差的变化速率。记录相关数据条件，通过对PID各参数协调调控进而对机体的速度大小和方向选择进行目标把控，使机体维持平衡状态。

2.5 超声波避障与数据传波

由于温度、能见度、介质等环境因素，GPS（Global Positioning System）信号无法穿透水面，水下机器人工作不能采用GPS进行组合与定位导航，而声波可在液体介质中传播，因此运用超声波避障与数据传波，很好规避了信号无法传播的问题。

超声波避障系统拥有发送机械波与接收声波的2个信息通道；依靠DSP芯片核心控制器部分产生的可被检波器监测到的矩形脉冲信号，脉冲信号功率被发送通道处理之后再进行放大，从而驱动超声波发生器形成超声波并完成发送[5]；超声波通过稳压装置的前置放大滤波器提高分辨率和进行降噪处理后传递给检波器，再将接收到的信号传输到核心控制器DSP装置中，提前调整自身的姿态或转变方向来躲避或绕道，从而达到避障效果[6]。

2.6 传感器的防水问题

普通的传感器外形设计基本为圆柱体的复合塑料外壳，对其进行浸入水中的实验测试，结果表明防水效果较差。因此需要对所使用的传感器进一步做防水处理，在不损坏传感器的条件下，对传感器加热，提高内部温度，增加内部压强，迫使内部空气排出，之后快速将传感器浸入到常温的凡立水中；随着温度的降低，凡立水由于内外压强差附着到传感器的缝隙和表面，之后取出，放置在室外干燥处，待外部涂层自然风干便可使用，如此便可以使其防水效果得以提升，能够基本满足防水要求[7-8]。

3 机器人驱动系统[9-10]

机器人的动力系统是一个驱动微电机，市面上大部分鱼型机器人利用自身作为助推器，进行S形摆动，机体左右协调击水摆动，作用于水，再通过流体给予的反作用力获得整体前进的推力。水下机器人使用舵机驱动一个扇形橡胶尾鳍左右摆动，模拟大自然中的鱼类，通过摆动尾鳍进而实现在水中变向式游动，达到仿生效果，使机器鱼能够在水中游动的过程中降低自身耗能，提高能量利用率，增加持久力。

3.1 驱动电路

驱动电路的作用是对电路所输出的脉冲进行相应的频率和周期等信息的放大，进行转换和滤波处理，从而给逆变装置提供通断驱动信号。将电子电路信号接收后按照需求转化到电子器件上，实现通断效果。

3.2 舵机工作原理

接收器把控制信号传递到信号调制装置中，调制处理完毕，便获得相应的偏置电压。内置的基准电路产生基准信号，电位器电压和偏置电压形成电压差，产生输出并驱动电机工作。当电机转速达到临界值时，可以通过级联减速齿轮的转动使电位器转动，逐渐降低电压差，当电压差减小直至为0时，电机便停止工作。

4 结束语

该系统分为DSP芯片核心处理系统、超声波避障系统、快速反应系统、数据传输系统、快速反应系统、三相电机控制系统，水下机器人入水进行搜索和检测，各系统相互协调，实现避障与游动前进。通过DSP和各个控制器将各模块控制调度和数据处理发送给中央处理器云端，经过中央处理器云端处理后显示下一步的工作模式与处理方案。

基于DSP的避障和传输技术等智能环境开发，目标产品实现水下机器人稳定控制、自动避障技术和基于PID的机身平衡技术。使用水下机器人处理各种问题，如可以实现水下搜索和探测等。空中平台的研究可以向水面和水中研究领域进行扩展，使数据传输技术和人机同步等技术得到进一步开发和利用。