中国科学院沈阳自动化研究所
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
中国科学院沈阳自动化研究所
1、简要介绍
• 快子，CUAUV2009-2010年度竞赛的参赛航行器，目的是完成这工作。
快子保持了新星的可扩展通讯和电力系统，同时增加传感器的插头和
播放功能，使传感器更容易集成。为了提高竞争表现，快子将推进器
放在了中心线的位置，以确保航行器的统一动态性，一个孤立的“传感
器架”，以减少电磁干扰（EMI），和更强大的计算机，以改善视觉处
理性能。其他改进包括一个更大的有效载荷区域，一个可扩展的通信
系统，以及更紧凑的外形。快子可以用几种不同类型的执行器，包括
电磁阀和伺服系统，并且可以使用光纤或以太网系绳和岸上进行通信。
可配置和动态的任务架构允许复杂的、多线程的任务快速、简单地自
主发展。
中国科学院沈阳自动化研究所
1、简要介绍
中国科学院沈阳自动化研究所
2、机械系统
• 超光速的机械系统包括航行器结构，压力容器，机电制动
器（图2）。所有为快子定制的机械零件使用SolidWorks设
计，并由CUAUV队员自己制造。
中国科学院沈阳自动化研究所
航行器结构
• 快子航行器框架支持压力容器，执行器，传感器。为了适应对称车辆
动态，降低了整体大小，框架比以前的航行器短。为了减少重量，以
前航行器上的许多铝制部分由ABS塑料或聚甲醛代替。
• 快子的中央结构由两个水刀ABS面组成，这两个面由铝和 ABS结构构
件和安装条（图3）连接起来。这两个面板结构为传感器，执行器和
外部压力容器，如DVL，向下摄像头，下放器标志器，采集卡的驱动，
电池舱和水听器阵列提供了方便的内部安装。一个传感器隔离热潮桁
架坐落在框架的顶部。船体上部端盖安装在两个平行的墙面之间。浪
涌推进器安装在ABS侧板上。
中国科学院沈阳自动化研究所
航行器结构
中国科学院沈阳自动化研究所
前后推进器支架
• 因为对于快子的要求是对称的控制，所有推进器对于航行器中心线对
称这一点很重要。前部推进器支架上安装了前部摇摆推进器和前部升
降推进器，还安装了前向相机外壳（图4）。前推进器安装在一个侧
面铰链，给予搬迁清理，同时仍保持船体中心线推进器的位置。船尾
推进器安装在船尾持有冻胀和尾部摇摆在中心线推进器。 它还支持开
关盒，水听器外壳和空气罐。
中国科学院沈阳自动化研究所
覆盖
• 为了呈现出更为流体力学轮廓，超光速采
用了一系列丙烯酸制的上侧板和盖子。这
也笼罩保护水听器的元素和其他传感器。
中国科学院沈阳自动化研究所
传感器架
• 快子将其惯性测量装置、罗盘远离推进器
和执行器在一个单独的外壳，以隔离电磁
干扰。该传感器架设计成是一种非金属压
力容器用来以保持磁性的透明度。信号和
功率通过两个HUMK5 SEA CON连接器传
递到主要压力容器。
中国科学院沈阳自动化研究所
起重机吊点和操纵机构
• 为了提高车辆调配和运输，CUAUV设计和建造一个可移动的快子进
行结构（图5）。
这个结构是用来作为操纵系统，并作为随车起重机的吊点。
中国科学院沈阳自动化研究所
船身上部的压力通道
• Tachyon的上部船体压力容器（图6）封装了电源，串行，传感器控制，
执行器控制的和计算机体系结构。
中国科学院沈阳自动化研究所
压力通道
• 为了容纳一个mini - ITX主板， Tachyon的船体为直径英寸，远远超
过往年。压力容器本身后方端盖和船体装配组成，其中铝制零件由学
生团队数控加工的。悬臂式机架组件，这意味着无需断开任何电子产
品的船体可删除。船体装配幻灯片上层船体机架和队友使用与后端盖
一个孔密封。前方端盖和船体领使用3M DP- 460环氧丙烯酸船体形成
船体装配。海上CON连接器（MCBH6，MCBH- 8和MCBH- 10）和定
制的火线连接通过后部端盖提供通信接口和外部设备的电源。丙烯酸
船体额定为100英尺的深度
中国科学院沈阳自动化研究所
上船体架
中国科学院沈阳自动化研究所
上船体架
• 上部船体架提供安装在船体上部的电子产品。水刀切割聚甲醛舱壁分
隔的两个部分，提供6个插槽，板对板。 舱壁的设计可以改善风扇布
置和线管理。 板是以托盘安装的，使用定制的激光切割亚克力板。电
气噪声和热的组件都包含在船尾部分，在那里他们可以使用吹到铝后
端盖和船体领的散热器风扇所形成的空气循环冷却。对温度和噪音敏
感的电子器件保存在传感器控制部分的前面部分（图7）。
• 端盖接口部分所包含的内容，并管理所有在后方端盖的连接器，电线
和房屋两个风扇，以改善船尾部分冷却。 船尾部分包含计算机，光纤
板SSD，执行机构/推进器板，以及合并/ CPU发行版板。 在两个主要
部分之间，可以安装多达四个风扇。 传感器控制部分持有传感器电源，
串行和通用输入/输出板。
中国科学院沈阳自动化研究所
自定义连接器
• 外部相机的使用需要一个新的方法将火线电缆传递到船体上部。
Tachyon已自定义干交换火线连接，使相机可以很容易地被移除（图
8）。可用于任何类型的电缆连接器设计，用于Tachyon上的火线和
JTAG连接。
中国科学院沈阳自动化研究所
执行器
• Tachyon的执行机构系统为使标志器下放，鱼雷发
射器和采集器完全重新设计了气动动力机制。
Tachyon也有6个的现成的推进器来推动车辆。
中国科学院沈阳自动化研究所
空气系统
• 气动执行机构采用压缩空气系统。 空气是存储在一个高为1000到3000
磅的压力。储气罐内置稳压降低到850磅的压力。第二个，彩弹射击
可调稳压器连接到储气罐，并进一步降低到40磅，气动工作压力的压
力。这空气，然后输送到一个定制的阀组，包含四个SMC电磁阀（图
9）。这些阀门控制执行器的控制电路板提供三个气动机制。
中国科学院沈阳自动化研究所
标志器下放器
• 两个标记滴管安装车辆的上部船体下方，在向下相机两侧。
他们安置的位置，确保相机能够看到下降过程。标记是定
做成黄铜和塑料，用小磁铁固定。每个标记管是由一个独
立的阀门填充的，所以标志物可以独立地被下放。他提高
翅片管设计和车辆的位置，使得新的标志物直线下放。
中国科学院沈阳自动化研究所
鱼雷发射器
• 鱼雷发射器的功能，在车辆前方的两个发
射管。两管同时发射，由一个独立的阀门
控制。 聚氨酯鱼雷有很大的鳍，流线型的
造型，并中性浮力，导致在一个平滑的轨
迹。鱼雷由硅胶模具铸造批量生产。模具
是由数控的铝加工器生产。
中国科学院沈阳自动化研究所
主动抓取器
• 对于新的抓取和释放的过程组件的被动抓系统已
经更新了气动释放机制。最初的抓取机制仍然是
被动的，由机器人下部的弹簧返回鳍肢组成。当
机器人需要释放目标物，第四个阀门将空气送入
六个气缸，每边三个气缸，每个气缸有一个拥有
两个鳍状肢的管脚。空气从管脚吹出，使鳍装肢
下降。
中国科学院沈阳自动化研究所
推进器
• 快子具有六个现成的推进器，可以在五个
自由度进行控制：上下、前进、摇摆、偏
航和俯仰。水平推进器由VideoRay制造，
垂直和摆动推进器由Seabotix制造！
中国科学院沈阳自动化研究所
电池仓
• 快子的电池都保存在热插拔电池仓内。每个仓有两个水下
连接器，一个用来充电另一个用来放电。
• 每个仓包含一个电池，一个荚机构和显示机构 。吊舱机构
上的各种集成电路机构允许其向快子的计算机报告电池度
量，包括容量，电压，电流和温度的同时，也通过LED显
示屏上直观地显示机构充电情况和剩余的电量。
中国科学院沈阳自动化研究所
3、内部电气系统
• 电气系统包括所有电源，串行，传感器和执行器控制子系
统。电力系统今年的目标包括减少功耗，提高隔离，并增
加传感器管理设备安装以及配置的能力。
• 在选择电路机构组件，特别是发光二极管时考虑功耗，降
低少每块机构的功率损耗。降低了功耗，从而在相同的运
行时间与更强大的计算机使用相同的电池了。
中国科学院沈阳自动化研究所
执行器控制系统
• 执行器控制系统的控制和监视所有推进器，下放
器标志器，鱼雷发射器，以及快子上的其他主动
机电元件。它是由推进器机构，驱动器机构和开
关盒组成。该系统在执行器和推进器选择中支持
大量的模块化，可以接受辅助无刷推进器机构
中国科学院沈阳自动化研究所
推进器机构
• 该推进器机构控制多达七个刷推进器的速度和方向。每个
推进器都有自己的保险丝和电流监控。当前制的保险丝状
态通过串行通道报告给一个独立的计算机。
中国科学院沈阳自动化研究所
执行器机构
• 执行器机构是用来控制快子上所有执行器。有五个数字输
出和三个PWM输出。五个硬件数字输出可选择输出5V或
24V。这些输出中的四个用于控制两个标记下放器，鱼雷
发射器和主动采集器。3个PWM输出，目的是要为控制伺
服控制器。
• 每个数字输出可以单独驱动，三个舵机的位置可以单独更
新。这个机构会通过一个独立的RS232线将KILL状态、每
个伺服电动机的电流消耗和综合状态传输给计算机。
中国科学院沈阳自动化研究所
开关箱
• 该开关盒电路板包含的快子的杀死和任务启动电路（图12）。为了不
杀死航行器，烧杯形手柄向前推，霍尔效应开关被激活，由电路板上
的绿色LED指示。当手柄往下拉，车辆被杀死，黑板上的红色指示灯
亮。第二个霍尔效应传感器用于监视任务的瞬间启动按钮，当按钮按
下时，任务开始，蓝色发光二极管被激活。该开关盒通过明确地显示
航行器状态使得车辆实用性得到提高。
中国科学院沈阳自动化研究所
传感器控制系统
• 为了提高传感器模块，快子包括模拟和数字的通
用输入/输出（GPIO）模块。这些电路板允许添加
更多的模拟或数字传感器，输出和执行机构。例
如：数字GPIO板的为液晶显示器提供电源，并控
制其显示航行器的任务状态
中国科学院沈阳自动化研究所
4、计算机和外设
• 计算机
• 超光速的机载计算机是由一个瑞传科技WADE -8067嵌入
式迷你ITX主板，英特尔的Core 2 Extreme QX9300四核心
处理器，4GB内存，以及英特尔X25- E极致固态驱动电源。
• 这为所有的使命、机器视觉和控制处理任务提供了足够的
计算能力。一个PCI 快速扩充卡是用来为航行器的摄像机
提供三个火线端口。计算机运行的Debian GNU/ Linux的简
约安装。与所有外部传感器和执行器模块的通信通过自定
义串行接口模块进行路由
中国科学院沈阳自动化研究所
串行模块
• 串行模块支持快子的计算机和外设包括推进器、
传感器和电源板进行通信。它与计算机使用
高速接口进行通信，并提供14个 RS232串
行端口。该USB信号首先分为七端口USB集线器，
每个信号又通过七个FTDI FT2232D双通道USB中
的一个被转换为RS232适配器。
中国科学院沈阳自动化研究所
系链
• 快子使用一个300英尺长的防水以太网双绞
线或者1600英尺长的光线系链。
中国科学院沈阳自动化研究所
传感器
• 快子拥有各种各样的传感器，使其能够执
行导航、听觉和视觉任务。航行器的控制
器会从这些传感器获取数据，并用它来操
纵在五个自由度的快子。
中国科学院沈阳自动化研究所
水听器系统
• 水听器系统（图13）是一种被动声
系统，使用四个RESON TC4013元
素和一个ADI公司SHARC-21369用
来确定相对方向的水下声波发射器。
它具有在20-35之间kHz范围内的多
个水下声波发射器鉴别能力，但只
能倾听和跟踪一个选择的频率。水
听器为计算机和海拔信息提供精确
度±1的信息，这个信息在导航到声
波发射器的任务中用到。今年的被
动声学系统用到的电子器件都是全
新的。
中国科学院沈阳自动化研究所
摄像机
• 快子使用两个FireWire相机完成比赛任务。下向摄像机是
AVT孔雀鱼F -046彩色CCD摄像机，正向摄像机是AVT孔
雀鱼F -080彩色CCD摄像机。
中国科学院沈阳自动化研究所
控制
• 深度，航向，俯仰，滚转，速度，角速度和加速度计数据用于在超光
速的控制，并通过各种传感器获得。
• 深度测量获得，使用超稳定的MSI-300压力传感器通过使用外部模拟
到数字转换器的微控制器读取。
• 选用MicroSrain公司的3DMGX1方向传感器，它通过陀螺仪和加速度
计提供角速率和加速度的数据。
• 使用Teledyne公司RDI Workhorse DVL为航点导航和速度控制提供速
度数据。
• 使用OceanServer公司的罗盘提供航向、滚动和俯仰数据。
• 将这些数据传递给卡尔曼滤波器，控制器通过这些数据对速度、深度、
俯仰度和航行进行控制。
中国科学院沈阳自动化研究所
5、 软件
• 对CUAUV的软件系统作了一些修改，以改善功能和可用
性。新优化的重点主要围绕降低任务运行时间，提高视力
鲁棒性，并使得软件的结构更加模块化。为了达到这些目
标做了以下重要的改变：降低视觉算法依赖的颜色，添加
任务的功能，实现启动加载器的能力，提高串行架构。
中国科学院沈阳自动化研究所
共享状态系统
• 共享状态系统提供了一个集中接口，全部运行中的进程、全部电器元
件和全部的用户对航行器的控制通过这个接口进行通信。这是一个基
于POSIX共享内存的专有系统，为线程和进程提供安全变量的更新和
通知。大量的类型识别变量用于存储航行器状态。这些共享变量可以
被软件系统的所有组建访问，这需要在各种守护进程之间进行简单的
通信。
• 此外，由于使用新的串行系统，这种状态也可以通过航行器定制的电
子产品进行共享。定制硬件上的固件可以读取和写入变量，这些状态
的变化是整个航行器的反映。通过控制器和任务软件读取数据，他们
通过统一的串行守护进程以更新共享状态系统的方式发送信的命令。
中国科学院沈阳自动化研究所
统一串行守护进程
• CUAUV以前使用的一个部分标准的串行协议，它定义轻量级的数据
包，错误处理和设备识别。这意味着，在主计算机上每一个模块需要
一个自己独立编写的驱动。
• 今年团队设计了一个新的标准化指令串行协议。因此，计算机上的一
个用于配置的守护进程可以和所有的符合性机构进行通信，并且通过
改变一个配置文件进行处理。该协议和守护进程还提供了多种内置的
功能，例如电路板识别，微控制器状态监控，并有能力执行逻辑位运
算操作。
• 新系统支持对共享状态系统的板级接入。这大大减少了对自定义固件
的开发时间。
中国科学院沈阳自动化研究所
机器视觉
• 快子的视觉系统包含多种算法具有运行一系列的物体识别
任务的能力。
• 集成视觉守护进程使用多线程，有效地捕捉摄像机，视频
文件和图像目录中的图像，并为多线程的视觉处理算法提
供了模块化框架。
• 该机器视觉模块多数依赖于基于颜色的分割
中国科学院沈阳自动化研究所
视觉调整工具
• 通过发展几个自定义工具，色彩分割调整过程的效率和简
易度得到了改善。第一个调整模块允许用户标明显示图像
中的对象，并使用图像和鼠标输入生成和分析的六个HSV
和CIELUV渠道强度直方图产生理想的阈值参数。
• 第二个模块提供了一个带有平滑和经常更新图像的GUI接
口处理输出，这让视野调整参数进行实时校正。此外，还
设计使用一个广义的对象识别模块和调整程序去简化概率
图像描述数据集，如下放标识失误中的形状识别。
中国科学院沈阳自动化研究所
航行器抽象
• 航行器抽象层通过和共享变量系统进行交互，在Python中
创造了一个抽象航行器对象。这个航行器对象不仅可以通
过对共享存储器写数据来访问物理传感器，还可以创建符
合传感器，从而将多源的真实和模拟数据进行整合。此功
能允许创建新的虚拟传感器，如通过联合真实的深度和高
度传感器数据创建的“水深”传感器。
• 他还允许通过使用将数据写进虚拟传感器的仿真器中的数
据去测试任务代码。
中国科学院沈阳自动化研究所
任务规划器
• 该规划器位于所有其他软件子系统的顶部，来控制任务的执行。它允
许用户编写复杂的命令，快子也可以运行此次竞赛所要求的复杂的任
务。
• 任务规划器建立在规划器和任务子系统之上。规划器通过任务模块调
度所有的事情。这个结构使极其丰富和动态的任务可以被很快的编写，
因为规划系统考虑到许多细节，这些细节在一些比较程序化的系统中
不得不进行编写。
中国科学院沈阳自动化研究所
6、测试
• Tachyon的软件，硬件，和电力基础设施稳定的关键是数
千小时的测试，包括组件测试和集成的方式，全任务测试
（图18）。
• 整车组装之前，每个系统单独进行测试，以确保功能。整
个电气系统组装在板凳上，任何板在集成到航行器之前都
要进行全面测试。所有压力容器在规定深度进行至少10小
时的测试，在任何电子产品加入之前。
中国科学院沈阳自动化研究所
结束语
谢谢！
