一种高清小型水下救捞机器人系统的设计

辉1,齐海勇2

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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)

摘要: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。关键词:高清;救捞;机器人;潜航器;浮标d o I:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.09.003

中图分类号:U675.75 文献标示码:A 文章编码:1672-7274(2017)09-007-03

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。 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:

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 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。

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。■

参考文献

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图4视频传输方框图

图5浮标系统示意图

图3潜航器外观图

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