水下清淤机器人的结构设计及控制系统研究

摘要

城市黑臭水体严重制约着城市的经济发展和水体生态系统可持续发展，影响着城市居民的生活质量和身心健康，开展城市水体清淤行动可以有效治理城市黑臭水体，目前针对于中小型城市水体的清淤技术还存在许多不足，快速发展的水下机器人为研发出一种能够弥补这些不足的水下清淤机器人提供了新的思路。本文以城市黑臭水体清淤治理为背景，在经过对现有环保清淤技术、清淤机器人技术、水下机器人技术的充分剖析及相关的国内外研究现状调研分析之后，拟研发出一种具备环保清淤功能设计的小型缆控式水下清淤机器人模拟原理样机(简称水下清淤机器人)，并开展其结构设计、控制系统研究以及测试实验与分析工作，为城市黑臭水体清淤治理提供一种较为实用可行的机器人水下清淤解决方案。　　首先，对水下清淤机器人进行详细的结构设计。先是提出总体结构设计方案。然后再对水下ROV功能子系统和履带清淤功能子系统这两大子系统组成分别进行具体的结构设计，如对矢量布置式推进器模块、履带式底盘移动模块、绞吸式环保清淤模块等进行结构设计，确定载体的结构形式及材料、推进器的选型及布置形式等。之后便对这两大子系统进行总体结构集成。　　其次，对水下清淤机器人进行了详细的控制系统研究。先是提出总体控制系统研究方案。然后再对水下ROV功能子系统和履带清淤功能子系统这两大子系统组成分别进行具体的控制系统研究，为水下ROV功能子系统搭建一套硬件环境并应用基于ArduSub和QGroundControl的水下机器人控制软件系统来进行相应的控制，以实现水下多自由度运动、水下状态信息显示等功能，为履带清淤功能子系统搭建一套软硬件环境并开发Robot端ROS底层控制、PC端Qt界面控制、Mobile端微信小程序应用控制这三大软件子系统来进行相应的控制，以实现履带底盘移动、清淤功能演示等功能。之后便对两大子系统进行总体控制系统集成。　　最后，对水下清淤机器人进行相关的测试实验与分析，具体包括功能测试及性能测试实验与分析。针对于功能测试实验与分析，先使用控制手柄进行水下ROV控制功能测试，然后再通过相关的软件操作及测试信息进行履带清淤功能子系统的三大软件子系统功能测试。针对于性能测试实验与分析，先对水下清淤机器人进行实际样机组装、下水实测及系统性能测试，然后再采用基于暗亮通道掩码及CLAHE算法联合处理的水下图像清晰化算法来优化水下图像，以改善水下图像模糊及对比度低的问题并降低其对水下清淤机器人系统性能造成的可能影响。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水下机器人国内外研究现状

1.2.2 清淤机器人国内外研究现状

1.2.3 环保清淤技术国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第 2 章 水下清淤机器人的结构设计

2.1 引言

2.2 水下清淤机器人的总体结构设计方案

2.2.1 设计思路说明及指标

2.2.2 总体结构组成

2.3 水下 ROV 功能子系统的结构设计

2.3.1 框架式载体模块结构设计

2.3.2 矢量布置式推进器模块结构设计

2.3.3 密封式水下控制舱体模块结构设计

2.3.4 其他关键模块的设计与选型

2.4 履带清淤功能子系统的结构设计

2.4.1 履带式底盘移动模块结构设计

2.4.2 绞吸式环保清淤模块结构设计

2.4.3 沉浮式浮力调节模块结构设计

2.4.4 其他关键模块的设计与选型

2.5 水下清淤机器人的总体结构集成

2.6 本章小结

第 3 章 水下清淤机器人的控制系统研究

3.1 引言

3.2 水下清淤机器人的总体控制系统研究方案

3.2.1 研究需求分析及目标

3.2.1 总体控制系统架构

3.3 水下 ROV 功能子系统的控制系统研究

3.3.1 基于 Raspberry Pi 和 Pixhawk 的硬件环境搭建

3.3.2 基于 ArduSub 和 QGroundControl 的软件系统应用

3.4 履带清淤功能子系统的控制系统研究

3.4.1 基于 Raspberry Pi 的硬件环境搭建

3.4.2 基于 ROS 的 Robot 端底层控制软件子系统开发

3.4.3 基于 Qt 的 PC 端界面控制软件子系统开发

3.4.4 基于 Mini-program 的 Mobile 端应用控制软件子系统开发

3.4.5 基于 ROS 和 Websocket 的软件通讯环境搭建

3.5 水下清淤机器人的总体控制系统集成

3.6 本章小结

第 4 章 水下清淤机器人测试实验与分析

4.1 引言

4.2 功能测试实验与分析

4.2.1 功能测试前的准备

4.2.2 水下 ROV 控制功能测试实验与分析

4.2.3 履带清淤控制功能测试实验与分析

4.3 性能测试实验与分析

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢