康奈尔大学水下机器人

1、水下机器人Tachyon的设计与实现 1、简要介绍 2、机械系统3、内部电气系统4、计算机和外设 5、软件6、测试1、简要介介绍快子，CUAUV2009-2010年度竞赛赛的参赛赛航行器器，目的的是完成成这工作作。快子保持持了新星星的可扩扩展通讯讯和电力力系统，同时增增加传感感器的插插头和播播放功能能，使传传感器更更容易集集成。为为了提高高竞争表表现，快快子将推推进器放放在了中中心线的的位置，以确保保航行器器的统一一动态性性，一个个孤立的的“传感感器架”，以减减少电磁磁干扰（EMI），和更更强大的的计算机机，以改改善视觉觉处理性性能。其其他改进进包括一一个更大大的有效效载荷区区域，一一个可扩扩

2、展的通通信系统统，以及及更紧凑凑的外形形。快子子可以用用几种不不同类型型的执行行器，包包括电磁磁阀和伺伺服系统统，并且且可以使使用光纤纤或以太太网系绳绳和岸上上进行通通信。可可配置和和动态的的任务架架构允许许复杂的的、多线线程的任任务快速速、简单单地自主主发展。1、简要介介绍2、机械系统统超光速的的机械系系统包括括航行器器结构，压力容容器，机机电制动动器（图图2）。所有有为快子子定制的的机械零零件使用用SolidWorks设计，并并由CUAUV队员自己己制造。2.1航行器结结构快子航行行器框架架支持压压力容器器，执行行器，传传感器。为了适适应对称称车辆动动态，降降低了整整体大小小，框架架比以前

3、前的航行行器短。为了减减少重量量，以前前航行器器上的许许多铝制制部分由由ABS塑料或聚聚甲醛代代替。快子的中中央结构构由两个个水刀ABS面组成，这两个个面由铝铝和ABS结构构件件和安装装条（图图3）连接起起来。这这两个面面板结构构为传感感器，执执行器和和外部压压力容器器，如DVL，向下摄摄像头，下放器器标志器器，采集集卡的驱驱动，电电池舱和和水听器器阵列提提供了方方便的内内部安装装。一个个传感器器隔离热热潮桁架架坐落在在框架的的顶部。船体上上部端盖盖安装在在两个平平行的墙墙面之间间。浪涌涌推进器器安装在在ABS侧板上。2.1航行器结结构2.2前后推进进器支架架因为对于于快子的的要求是是对称的的

4、控制，所有推推进器对对于航行行器中心心线对称称这一点点很重要要。前部部推进器器支架上上安装了了前部摇摇摆推进进器和前前部升降降推进器器，还安安装了前前向相机机外壳（图4）。前推推进器安安装在一一个侧面面铰链，给予搬搬迁清理理，同时时仍保持持船体中中心线推推进器的的位置。船尾推推进器安安装在船船尾持有有冻胀和和尾部摇摇摆在中中心线推推进器。它还还支持开开关盒，水听器器外壳和和空气罐罐。2.3覆盖为了呈现现出更为为流体力力学轮廓廓，超光光速采用用了一系系列丙烯烯酸制的的上侧板板和盖子子。这也也笼罩保保护水听听器的元元素和其其他传感感器。2.4传感器架架快子将其其惯性测测量装置置、罗盘盘远离推推进器

5、和和执行器器在一个个单独的的外壳，以隔离离电磁干干扰。该该传感器器架设计计成是一一种非金金属压力力容器用用来以保保持磁性性的透明明度。信信号和功功率通过过两个HUMK5SEACON连接器器传递到到主要压压力容器器。2.5起重机吊吊点和操操纵机构构为了提高高车辆调调配和运运输，CUAUV设计和建建造一个个可移动动的快子子进行结结构（图图5）。这这个结构构是用来来作为操操纵系统统，并作作为随车车起重机机的吊点点。2.6船身上部部的压力力通道Tachyon的上部船船体压力力容器（图6）封装了了电源，串行，传感器器控制，执行器器控制的的和计算算机体系系结构。2.7压力通道道为了容纳纳一个mini -I

6、TX主板，Tachyon的船体为为直径9.5英寸，远远远超过过往年。压力容容器本身身后方端端盖和船船体装配配组成，其中铝铝制零件件由学生生团队数数控加工工的。悬悬臂式机机架组件件，这意意味着无无需断开开任何电电子产品品的船体体可删除除。船体体装配幻幻灯片上上层船体体机架和和队友使使用与后后端盖一一个孔密密封。前前方端盖盖和船体体领使用用3MDP-460环氧丙烯烯酸船体体形成船船体装配配。海上上CON连接器（MCBH6，MCBH-8和MCBH-10）和定制制的火线线连接通通过后部部端盖提提供通信信接口和和外部设设备的电电源。丙丙烯酸船船体额定定为100英尺的深深度2.8上船体架架2.8上船体架架

7、上部船体体架提供供安装在在船体上上部的电电子产品品。水刀刀切割聚聚甲醛舱舱壁分隔隔的两个个部分，提供6个插槽，板对板板。舱舱壁的设设计可以以改善风风扇布置置和线管管理。板板是以以托盘安安装的，使用定定制的激激光切割割亚克力力板。电电气噪声声和热的的组件都都包含在在船尾部部分，在在那里他他们可以以使用吹吹到铝后后端盖和和船体领领的散热热器风扇扇所形成成的空气气循环冷冷却。对对温度和和噪音敏敏感的电电子器件件保存在在传感器器控制部部分的前前面部分分（图7）。端盖接口口部分所所包含的的内容，并管理理所有在在后方端端盖的连连接器，电线和和房屋两两个风扇扇，以改改善船尾尾部分冷冷却。船船尾部部分包含含计

8、算机机，光纤纤板SSD，执行机机构/推进器板板，以及及合并/CPU发行版板板。在在两个主主要部分分之间，可以安安装多达达四个风风扇。传传感器器控制部部分持有有传感器器电源，串行和和通用输输入/输出板。2.9自定义连连接器外部相机机的使用用需要一一个新的的方法将将火线电电缆传递递到船体体上部。Tachyon已自定义义干交换换火线连连接，使使相机可可以很容容易地被被移除（图8）。可用用于任何何类型的的电缆连连接器设设计，用用于Tachyon上的火线线和JTAG连接。2.10执行器Tachyon的执行机机构系统统为使标标志器下下放，鱼鱼雷发射射器和采采集器完完全重新新设计了了气动动动力机制制。Tac

9、hyon也有6个的现成成的推进进器来推推动车辆辆。2.11空气系统统气动执行行机构采采用压缩缩空气系系统。空空气是是存储在在一个高高为1000到3000磅的压力力。储气气罐内置置稳压降降低到850磅的压力力。第二二个，彩彩弹射击击可调稳稳压器连连接到储储气罐，并进一一步降低低到40磅，气动动工作压压力的压压力。这这空气，然后输输送到一一个定制制的阀组组，包含含四个SMC电磁阀（图9）。这些些阀门控控制执行行器的控控制电路路板提供供三个气气动机制制。2.12标志器下下放器两个标记记滴管安安装车辆辆的上部部船体下下方，在在向下相相机两侧侧。他们们安置的的位置，确保相相机能够够看到下下降过程程。标记

10、记是定做做成黄铜铜和塑料料，用小小磁铁固固定。每每个标记记管是由由一个独独立的阀阀门填充充的，所所以标志志物可以以独立地地被下放放。他提提高翅片片管设计计和车辆辆的位置置，使得得新的标标志物直直线下放放。2.13鱼雷发射射器鱼雷发射射器的功功能，在在车辆前前方的两两个发射射管。两两管同时时发射，由一个个独立的的阀门控控制。聚聚氨酯酯鱼雷有有很大的的鳍，流流线型的的造型，并中性性浮力，导致在在一个平平滑的轨轨迹。鱼鱼雷由硅硅胶模具具铸造批批量生产产。模具具是由数数控的铝铝加工器器生产。2.14主动抓取取器对于新的的抓取和和释放的的过程组组件的被被动抓系系统已经经更新了了气动释释放机制制。最初初的

11、抓取取机制仍仍然是被被动的，由机器器人下部部的弹簧簧返回鳍鳍肢组成成。当机机器人需需要释放放目标物物，第四四个阀门门将空气气送入六六个气缸缸，每边边三个气气缸，每每个气缸缸有一个个拥有两两个鳍状状肢的管管脚。空空气从管管脚吹出出，使鳍鳍装肢下下降。2.15推进器快子具有有六个现现成的推推进器，可以在在五个自自由度进进行控制制：上下下、前进进、摇摆摆、偏航航和俯仰仰。水平平推进器器由VideoRay制造，垂直和和摆动推推进器由由Seabotix制制造！2.16电池仓快子的电电池都保保存在热热插拔电电池仓内内。每个个仓有两两个水下下连接器器，一个个用来充充电另一一个用来来放电。每个仓包包含一个个电

12、池，一个荚荚机构和和显示机机构。吊舱机机构上的的各种集集成电路路机构允允许其向向快子的的计算机机报告电电池度量量，包括括容量，电压，电流和和温度的的同时，也通过过LED显示屏上上直观地地显示机机构充电电情况和和剩余的的电量。3、内部电气气系统电气系统统包括所所有电源源，串行行，传感感器和执执行器控控制子系系统。电电力系统统今年的的目标包包括减少少功耗，提高隔隔离，并并增加传传感器管管理设备备安装以以及配置置的能力力。在选择电电路机构构组件，特别是是发光二二极管时时考虑功功耗，降降低少每每块机构构的功率率损耗。降低了了功耗，从而在在相同的的运行时时间与更更强大的的计算机机使用相相同的电电池了。3

13、.1执行器控控制系统统执行器控控制系统统的控制制和监视视所有推推进器，下放器器标志器器，鱼雷雷发射器器，以及及快子上上的其他他主动机机电元件件。它是是由推进进器机构构，驱动动器机构构和开关关盒组成成。该系系统在执执行器和和推进器器选择中中支持大大量的模模块化，可以接接受辅助助无刷推推进器机机构3.2推进器机机构该推进器器机构控控制多达达七个刷刷推进器器的速度度和方向向。每个个推进器器都有自自己的保保险丝和和电流监监控。当当前制的的保险丝丝状态通通过串行行通道报报告给一一个独立立的计算算机。3.3执行器机机构执行器机机构是用用来控制制快子上上所有执执行器。有五个个数字输输出和三三个PWM输出。五

14、五个硬件件数字输输出可选选择输出出5V或24V。这些输输出中的的四个用用于控制制两个标标记下放放器，鱼鱼雷发射射器和主主动采集集器。3个PWM输出，目目的是要要为控制制伺服控控制器。每个数字字输出可可以单独独驱动，三个舵舵机的位位置可以以单独更更新。这这个机构构会通过过一个独独立的RS232线将KILL状态、每每个伺服服电动机机的电流流消耗和和综合状状态传输输给计算算机。3.4开关箱该开关盒盒电路板板包含的的快子的的杀死和和任务启启动电路路（图12）。为了了不杀死死航行器器，烧杯杯形手柄柄向前推推，霍尔尔效应开开关被激激活，由由电路板板上的绿绿色LED指示。当当手柄往往下拉，车辆被被杀死，黑板

15、上上的红色色指示灯灯亮。第第二个霍霍尔效应应传感器器用于监监视任务务的瞬间间启动按按钮，当当按钮按按下时，任务开开始，蓝蓝色发光光二极管管被激活活。该开开关盒通通过明确确地显示示航行器器状态使使得车辆辆实用性性得到提提高。3.5传感器控控制系统统为了提高高传感器器模块，快子包包括模拟拟和数字字的通用用输入/输出（GPIO）模块。这些电电路板允允许添加加更多的的模拟或或数字传传感器，输出和和执行机机构。例例如：数数字GPIO板的为液液晶显示示器提供供电源，并控制制其显示示航行器器的任务务状态4、计算机机和外设设计算机超光速的的机载计计算机是是由一个个瑞传科科技WADE -8067嵌入式迷迷你IT

16、X主板，英英特尔的的Core 2ExtremeQX9300四核心处处理器，4GB内存，以以及英特特尔X25- E极致固态态驱动电电源。这为所有有的使命命、机器器视觉和和控制处处理任务务提供了了足够的的计算能能力。一一个PCI快速扩充充卡是用用来为航航行器的的摄像机机提供三三个火线线端口。计算机机运行的的DebianGNU/Linux的简约安安装。与与所有外外部传感感器和执执行器模模块的通通信通过过自定义义串行接接口模块块进行路路由4.1串行模块块串行模块块支持快快子的计计算机和和外设包包括推进进器、传传感器和和电源板板进行通通信。它它与计算算机使用用USB2.0高速接口口进行通通信，并并提供1

17、4个RS232串行端口口。该USB信号首先先分为七七端口USB集线器，每个信信号又通通过七个个FTDI FT2232D双通道USB中的一个个被转换换为RS232适配器。4.2系链快子使用用一个300英英尺长的的防水以以太网双双绞线或或者1600英英尺长的的光线系系链。4.3传感器快子拥有有各种各各样的传传感器，使其能能够执行行导航、听觉和和视觉任任务。航航行器的的控制器器会从这这些传感感器获取取数据，并用它它来操纵纵在五个个自由度度的快子子。4.4水听器系系统水听器系系统（图图13）是一种种被动声声系统，使用四四个RESONTC4013元素和一一个ADI公司SHARC-21369用来确定定相对

18、方方向的水水下声波波发射器器。它具具有在20-35之间kHz范围内的的多个水水下声波波发射器器鉴别能能力，但但只能倾倾听和跟跟踪一个个选择的的频率。水听器器为计算算机和海海拔信息息提供精精确度1的信息，这个信信息在导导航到声声波发射射器的任任务中用用到。今今年的被被动声学学系统用用到的电电子器件件都是全全新的。4.5摄像机快子使用用两个FireWire相机完成成比赛任任务。下下向摄像像机是AVT孔雀鱼F -046彩色CCD摄像机，正向摄摄像机是是AVT孔雀鱼F -080彩色CCD摄像机。4.6控控制深度，航航向，俯俯仰，滚滚转，速速度，角角速度和和加速度度计数据据用于在在超光速速的控制制，并通

19、通过各种种传感器器获得。深度测量量获得，使用超超稳定的的MSI-300压力传感感器通过过使用外外部模拟拟到数字字转换器器的微控控制器读读取。选用MicroSrain公司的3DMGX1方向传感感器，它它通过陀陀螺仪和和加速度度计提供供角速率率和加速速度的数数据。使用Teledyne公司RDIWorkhorse DVL为航点导导航和速速度控制制提供速速度数据据。使用OceanServer公司的罗罗盘提供供航向、滚动和和俯仰数数据。将这些数数据传递递给卡尔尔曼滤波波器，控控制器通通过这些些数据对对速度、深度、俯仰度度和航行行进行控控制。5、软件对CUAUV的软件系系统作了了一些修修改，以以改善功功能

20、和可可用性。新优化化的重点点主要围围绕降低低任务运运行时间间，提高高视力鲁鲁棒性，并使得得软件的的结构更更加模块块化。为为了达到到这些目目标做了了以下重重要的改改变：降降低视觉觉算法依依赖的颜颜色，添添加任务务的功能能，实现现启动加加载器的的能力，提高串串行架构构。5.1共享状态态系统共享状态态系统提提供了一一个集中中接口，全部运运行中的的进程、全部电电器元件件和全部部的用户户对航行行器的控控制通过过这个接接口进行行通信。这是一一个基于于POSIX共享内存存的专有有系统，为线程程和进程程提供安安全变量量的更新新和通知知。大量量的类型型识别变变量用于于存储航航行器状状态。这这些共享享变量可可以被

21、软软件系统统的所有有组建访访问，这这需要在在各种守守护进程程之间进进行简单单的通信信。此外，由由于使用用新的串串行系统统，这种种状态也也可以通通过航行行器定制制的电子子产品进进行共享享。定制制硬件上上的固件件可以读读取和写写入变量量，这些些状态的的变化是是整个航航行器的的反映。通过控控制器和和任务软软件读取取数据，他们通通过统一一的串行行守护进进程以更更新共享享状态系系统的方方式发送送信的命命令。5.2统一串行行守护进进程CUAUV以前使用用的一个个部分标标准的串串行协议议，它定定义轻量量级的数数据包，错误处处理和设设备识别别。这意意味着，在主计计算机上上每一个个模块需需要一个个自己独独立编写

22、写的驱动动。今年团队队设计了了一个新新的标准准化指令令串行协协议。因因此，计计算机上上的一个个用于配配置的守守护进程程可以和和所有的的符合性性机构进进行通信信，并且且通过改改变一个个配置文文件进行行处理。该协议议和守护护进程还还提供了了多种内内置的功功能，例例如电路路板识别别，微控控制器状状态监控控，并有有能力执执行逻辑辑位运算算操作。新系统支支持对共共享状态态系统的的板级接接入。这这大大减减少了对对自定义义固件的的开发时时间。5.3机器视觉觉快子的视视觉系统统包含多多种算法法具有运运行一系系列的物物体识别别任务的的能力。集成视觉觉守护进进程使用用多线程程，有效效地捕捉捉摄像机机，视频频文件和和图像目目录中的的图像，并为多多线程的的视觉处处理算法法提供了了模块化化框架。该机器视视觉模块块多数依依赖于基基于颜色色的分割割5.4视觉调整整工具通过发展展几个自自定义工工具，色色彩分割割调整过过程的效效率和简简易度得得到了改改善。第第一个调调整模块块允许用用户标明明显示图图像中的的对象，并使用用图像和和鼠标输输入生成成和分析析的六个个HSV和CIELUV渠道强度度直方图图产生理理想的阈阈值参数数。第二个模模块提供供了一个个带有平平滑和经经常更新新