技术说明

技术说明

SOLVER HV水下机器人使用Chibios实时操作系统，是一个安全、操作便捷、高扩展性、全开源的成熟水下机器人系统。ROVMAKER的硬件结合Ardusub成熟的开源软件，建造一台水下机器人从未如此简单。

主要特性

• 姿态稳定和精确的反馈控制：基于多轴无人机系统，Ardusub固件具有准确的反馈控制

• 定深模式 使用Ardusub支持的深度传感器，Ardusub可以进行厘米级的深度控制。

• 航向锁定模式 在没有操作指令的情况下Ardusub默认自动保持航行锁定。

• 相机云台 可以通过摇杆控制舵机或伺服电机驱动的相机云台。

• 照明控制 可以通过手柄控制水下照明灯的亮度。

• 无需编程 用户可以不需要任何编程更改即可匹配大多数框架配置。而且可以通过parameters更改几乎所有参数设置。

• 支持多种主流的水下机器人框架布局和电机配置。

• 软硬件上具有高度的扩展性和定制化。

• 集成姿态航向参考系统（Attitude and Heading Reference System）和惯性导航系统Inertial Navigation Filter (EKF)。

• 可用户自定义和扩展的框架配置系统。

• 包括用于控制操作和调参的成熟地面站软件。

• 针对MAVLink协议兼容，支持多种开发工具。

• 传感器和航行数据记录。

完整的水下机器人系统中包括一些必不可少的部件，以下是一个简单的清单：

- [支持的ROV框架] 包含推进器和支持正反转的电调

- 飞控，如3DR的PixHawk

- 用来电力载波或者网线通讯的线缆

- 安装有 QGroundControl 地面站的电脑

- USB 摇杆或者手柄遥控器

- 深度传感器

硬件概览

我们把水下机器人的硬件部分大概分为三类：

地面站：需要遥控器和电脑

水下机器人：带有主控制器的机体

脐带缆：RC和WiFi信号在水中传播十分困难，需要线缆进行通讯，脐带缆通常使用零浮力线和电力载波通讯。

ROV

搭建完整的SOLVER水下机器人或其他兼容机器人，Ardusub很高程度的支持多数推进器驱动和配置库，用于多种水下机器人的推进器布置。

飞控

飞控负责ROV的控制，飞控具有板载的陀螺仪、加速度计、指南针用于感知设备的状态。飞控采集传感器信息，控制推进器、灯光、舵机等。借助 DroneCode ，Ardupilot本已支持非常多的硬件，Ardusub也提供这些支持。在3D Robotics的 PixHawk 上已经完全适配和支持，一些其他的硬件同样也可以使用：

- PixHawk ，Pixhawk 2 ，Pixhawk Mini - 来自 3D Robotics

- PixRacer - 来自 AUAV

- Navio+/Navio2 - 来自 Emlid

- Erle Brain, PXFmini - 来自 Erle Robotics

- BBBmini - BeagleBone Black扩展板

这些硬件都需要至少8个PWM输出，而且可能并不完全支持ArduSub，目前仅Pixhawk经过完全的测试和支持。

QGC地面站软件和飞控的连接

一般情况下使用电力载波进行通讯，如果不使用载波通信可以网线直连。ROVMAKER的电力载波模块支持300米线缆长度的通信距离，可以无电通讯。网线直连的距离受到限制，多芯网线浮力线也比较昂贵。用以上方法配置好IP地址后，无需多余操作，只需打开QGC，即自动连接到装载了Ardusub固件的飞控。

PIX和树莓派的连接

将PIX侧面的microUSB用数据线连接到树莓派任意一USB端口即可。

地面站

ArduSub设计使用QGroundControl (QGC)作为地面站，QGC是一个开源的多平台上位机，适合各种形态的无人机。地面站和ROV通过载波线缆或网线连接到树莓派，通过QGC 可以更改各种参数配置，显示实时拍摄画面。

地面站软件为 QGroundControl，地面站电脑的性能尤为重要，会影响传输速度和稳定性，请尽量选择性能较高的电脑。支持以下操作系统：

- Windows 10

- Mac OSX

- Ubuntu 14.04 ／16.04

QGC地面站可以使用游戏手柄或者摇杆控制ROV，和大多数USB手柄兼容，QGC经测试支持以下遥控器：

- 微软无线Xbox 360 / Xbox One手柄

传感器和扩展设备

在基础的IMU和指南针的基础上，Ardusub支持MS5837深度传感器，与飞控进行iic通讯。用于"定深模式Depth Hold mode"和深度信息获取。还包括水面GPS（水面下无法使用）

其他设备在进行单独的信息处理后可以和主控进行通讯，因此有极大的扩展可能性。允许用户增加各种传感器和附件，可以更改用户界面进行控制附件，如声纳，三维扫描，液体密度传感器等，pwm输出口更可以用于机械臂舵机的控制。

SOS漏水检测

Ardusub可以读取漏水传感器信息，漏水时进入自我保护模式。

电池

建议初级用户使用机载电池的方式，地面远程供电系统在以后的版本中会有所更新。电池的选择主要有以下几点：

- 电压：电压可以根据电调的最大承受电压选择3.7v的锂电池组，6s是一个不错的选择，能够充分发挥推进器的性能。（航模电池中，6s中s指电池节数，即6组电池，每组满电为4.2v，额定3.7v。）

- 容量：电池容量用mAh表示，数值越大容量越大，一般情况下10000mAh可以支持接近2-3个小时的操作时间。

- 放电倍率：在航模电池中，倍率用C表示,表示电池的放电能力。放电倍率和mAh／1000相乘，即该电池的最大放电电流大小。例如，10C倍率的10000 mAh的电池，放电达到100Amps。通常，放电倍率可以选择”15Amps × 推进器个数"最佳。

协处理器

协处理器一般有两个主要功能：处理并传送视频，通过零浮力线缆和地面站通讯。目前Ardusub只支持Raspberry Pi 3作为协处理器，并需要装载Ardusub固件。

摄像头

树莓派兼容的csi摄像头目前都可以使用，H.264也可以支持。在最新的Ardusub版本中可以使用USB摄像头。

推进器和电调

Ardusub设计为无刷电机使用，无刷电机通过电调驱动。所有电调必须能够正反转控制推进器。

软件概览

Ardusub的软件有三个部分：

- Ardusub：是水下机器人飞控的核心程序，负责整体的运动控制。

- QGroundControl: 地面站软件。

- 协处理控制器：树莓派是负责处理视频和通信部分。

以下是系统简图：

支持的布局

Ardusub很高程度的支持多数推进器驱动和配置库，用于多种推进器布置，以下配置为上视图，绿色和蓝色为相反的正反桨叶。目前支持的框架布局如下：

水下机器人的框架配置在QGC地面站中"Frame"一栏。如果你需要自定义自己的框架配置，可以通过设置"parameter"中"FRAME CONFIG"自定义配置，如果更换了布局选择，请重启PIX设备以启用，详细请查阅开发者章节。

应用场景

ArduSub的强大功能使广泛应用成为可能，从观察级设备到执行级设备都能胜任。无论是ROV还是AUV，其使用场景有无限的可能性，粗略举例：

• 水下观察和探索

• 考古和记录

• 水下摄影

• 教育教学

• 海洋设备检查

• 水体采样和测量

• 水下机器人竞赛

• 科研及学术研究

设备搭载

单自由度机械手

此次投标产品配备单自由度机械手，机械手是水下机器人进行水下作业的最重要工具，根据驱动方式的不同可以分为电驱和液压两类；根据功能数量可以分为单功能、二功能、五功能和七功能几类。

根据不同的任务，水下机器人可以配置1或2个机械手进行水下作业。本次投标设备搭载单自由度机械手，重量轻，体积小，强度大，15Kg夹取力，开合角度96mm,耐压深度300m可以水下替代人员完成打捞作业。

前视声呐

选用Tritech Gemini720im前视多波束声呐，是世界上最小的多波束成像声呐。

声呐参数如下表：

所投产品装配使用说明书

连接手柄和手柄校准

访问 http://rovmaker.org 网站下载页，下载并安装对应手柄驱动，打开手柄电源或者直接使用usb数据线连接至电脑。第一次打开QGC并连接手柄或者更换新的手柄，需要校准手柄摇杆和配置按键功能。这将让QGC能够正确匹配摇杆操作并获取摇杆的最大和最小行程范围。

遥控器有四种模式，类似于左右手的区别，模式和校准数据的映射有关。请先选择模式后进行遥控器的摇杆校准。（一般使用Mode1即可，模式改变的是摇杆对应功能，所以更换模式需要重新校准行程。）

最新版本的QGC请按照以下方法校准：

（操作过程中，软件右上角也会有提示，小白点位置即需要移动到的位置。左右摇杆显示可能相反，即显示左摇杆则进行右摇杆的动作。）

1. 在设置的Joystick栏中点击 "Calibrate" 然后点击 "Next"。

2. 软件会提示移动某一摇杆的轴到最大或最小，按照以下移动校准。

3. 显示移动Throttle时: 移动右边的摇杆向上／向下

4. 显示移动Yaw时: 移动右边的摇杆向右／向左

5. 显示移动Roll时: 移动左边的摇杆向右／向左

6. 显示移动Pitch时:移动左边的摇杆向上／向下

7. 松手回中，校准完成，显示校准成功。

按键配置

所有提供的按键功能都可以映射到手柄按键，这一步必须操作进行配置，因为并没有默认配置。

每一个按键不仅能配置独立的一种功能，当"shift"按键被配置，相当于电脑键盘的 "shift"按键，可以用于复用同一个按键作为其他功能，按住"shift"同时按下设定键，可触发设定键的"shift"所设定的功能。

在设置的"Joystick" 栏目中，可以随意配置每个按键的功能。当按下手柄的某一个按键时，屏幕上对应的按键会高亮显示，然后在高亮的下拉菜单中选择想要配置的按键功能。不同的手柄和操作系统按键配置可能不一样，不需要完全和图示中标记的一样。

注意，如果使用罗技或者Xbox手柄，按下手柄的"mode"时，会触发手柄自带的其他功能，如果有其他功能，务必禁用此按键。如果使用Xbox手柄，需要安装 "X-input" 驱动。

手柄按键的特别功能：

roll_pitch_toggle：按下后，控制机器左右自旋的摇杆功能变化为控制机器左右倾斜（控制潜浮的两个推进器转速转向的变化）。再次按下此按键后摇杆功能恢复正常。

input_hold_toggle：按下后，会保持摇杆的位置持续输出，摇杆的当前被设置为默认输出，可以保持摇杆动作，此时仍然可以控制推进器，再次按下后解除，默认中位为停转。

设置电流和电压检测

在"Power"栏中，选择合适的设置。请选择"Analog Voltage and Current"，输入所使用的电池容量，选择 "Power Module 90A"，电池容量的单位为"mAh"，SOLVER的电池容量为10400。

控制模式有很多种，例如手动模式，自稳定模式，深度保持模式等。在"Flight Modes"栏default模式中选择手动模式 "Manual"，后面依次"Stabilize"和"DepthHold"模式。

设置好手柄按键后，可以通过手柄按键在几个模式中切换。

目前支持9种不同的控制模式，有些模式只有在传感器使能下可用。同一时间只能在一种模式下。

Manual 模式即手动模式，此模式下遥控器的输入被直接输出到推进器，不进行任何自稳定，ArduSub (version 3.5+) 总是将手动模式作为开机初始模式。

Stabilize即自稳模式，这个模式在 Manual 手动模式基础上增加了自稳和航向锁定，始终保持遥控器所指令的最后航向（保持水下机器人头部所指方向，并不是定点，会自发地一定程度地左右漂移旋转进行定向），自稳模式有一定的对抗浪涌水流的作用。

Depth Hold 深度保持模式，在 Stabilize 自稳模式基础上，增添了对深度的保持，水下机器人会保持在遥控器控制信号控制到的最后所在深度。深度保持模式必须要搭载有深度传感器才能使用。

Position Enabled Modes模式，此模式需要搭载有提供位置信息的传感器，注意 GPS在水下无法使用。

Position Hold位置保持模式，会在无航行指令时保持水下机器人所在位置和指向，可以反复设定不同的定点位置。

Auto 自动模式，水下机器人会自动执行预先设置的航行任务。遥控器指令在此模式下会被忽略， 如果需要干预自动执行的任务，可以用遥控器disarm锁定，或者更换模式都可以中止任务。

Circle中心点环绕模式，会使水下机器人在指定的中心点以指定直径始终指向圆心画圈航行。

Guided指点航行模式，水下机器人会朝向地面站动态设定的地图位置运动。 使用地图中的 "Click to Navigate Here" 设定位置。

Acro (Acrobatic) 模式，是隐藏的一个秘密模式：杂技模式。这个模式下保持角速率稳定。

相机云台设置

选择"Camera" 栏目。 "Gimbal Tilt" 用于设置相机云台控制。在 "Output channel"选择云台舵机所插入的飞控pwm输出通道，"Input channel"中选择如"RC8" ， "RC1到RC8"和Aux输出"RC9到RC12"中未被使用的通道都是可以选择的有效输出通道，在 "Gimbal Settings" 中"Type" 下选择 "Servo" 。关于Channel口的编号定义请参阅前面章节的pix接线说明。

如果需要，可以选择 "Stabilize"功能，会开启云台的 "auto-stabilization" ，云台会根据机器的旋转角度进行自稳定，保持视角方向不变。此选项通常不选，水下控制需要第一视角的画面反馈。

默认的RC输出通道对应功能如下，此处的RC1-RC11代表遥控器的默认通道，需要对应设置选择，同时设置RC通道和Channel后手柄输出才会对应pix所连接的通道：

灯光设置

灯光的控制是通过PWM信号控制的，例如连接 RCIN9 输入，包含灯光控制信号输出。在参数中找到RCx_FUNCTION， 其中 x 是输出通道，通道需要和灯光输出通道一致，如设置为 RCIN9。

例如，照明灯如果连接在channel 7通道设置 RC7_FUNCTION 到RCIN9 操作如下：

设置电机转向

因为桨叶正反和安装方向等，电机的转向需要检查是否准确并更改设置。参数名称为MOT_1_DIRECTION ，用于电机 1-8 的转向调整，参数数据为 normal 或 reverse。

确保其他设置都已经完成，再进行以下步骤的转向调节：

1. 控制模式设置为"Manual"手动模式。

2. 按下手柄所设置的 Arm 按键解锁设备。

3. 移动控制前进的 "forward"摇杆，检查对应参与前进方向力的推进器桨叶转向是否推力向后，此时水流会向后推，在空气中风向为前进方向的反方向。如方向相反则设置为相反。

4. 移动控制潜浮和平移等摇杆，相同地，检查其他推进器方向。如方向相反则设置为相反。

推进器的编号如图：

如果你自定义了框架配置，编译上传后，应该不需要此步骤验证。

失效保护

当既定的设置条件被触发会启动失效保护，每个失效保护触发条件都可以单独配置。一些失效保护附加的设置允许自定义调整触发条件,比如最大可接受的压力或温度。

当设置条件被触发，失效保护只会启动一次。在失效保护中，如果解锁检查通过，水下机器人可以被解锁。控制模式在失效保护不阻止更改的情况下才可以被更改。如果失效保护条件被清除，故障保护动作会再次检测安全设置条件。

举例几种常用的设置条件：

漏水 Leak

当漏水检测 Leak Detector 被识别已经漏水，失效保护条件会被立刻确认。

当漏水保护传感器报告2次识别不漏水，失效保护会被清除。

内部气压 Internal Pressure

当密封舱(WTE)舱内气压被检测达到参数配置中FS\_PRESS\_MAX 所设置的压力两次，此设置条件会被确认。

当舱体内部气压小于设置阀值，此失效保护会被立刻清除。

内部温度 Internal Temperature

当密封舱(WTE)舱内温度被检测达到参数配置中 FS\_TEMP\_MAX所设置的压力两次，此设置条件会被确认。

当舱体内部温度小于设置阀值，此失效保护会被立刻清除。

密封性测试方法

请查阅密封性测试套件使用说明，额定300米深度，更深的下潜请进行测试后再操作。

充电与电池使用

SOLVER HV套件包含的充电器为5a充电电流锂电池充电器，可以用于6s锂电池的快速安全充电。套件中的锂电池为14000mah容量6s锂电池，电池带有充放电保护和平衡，额定的持续放电电流可以达到40a几乎不发热，给扩展负载预留了很多的空间，可以轻松搭载大电流负载。

由于锂电池已经通过水密接插件连接到电子舱，可以根据水密接插件的引脚定义直接使用电子舱的水密接插件充电。此外锂电池舱可以快速拆卸更换，可以直接对锂电池舱进行充电。

充电时，将充电器一段插入市电，另一端插入锂电池的水密接插件插头公头。

请一定注意充电头的缺口位置对准水密接插件的防反插柱，打火和反接都会破坏接插件或充电器。充电器的指示灯充电过程中显示红色，充满后变绿。充电时常从无电到满电约一个小时，充电过程中请有人在一旁，禁止持续无人长时间充电，避免事故发生。

一般情况下满电的锂电池可以工作2-3个小时，具体时长依使用情况和负载情况会有所变化。

电池和设备在不使用或运输时一定要将水密接插件的堵头插紧牢固，由于接头直接连向电池触碰导电物体会产生危险，尤其不能无堵头接触水，电极会在短时间内氧化损坏。

调节配重和姿态

请参照硬件装配章节关于配重块和固体浮力材料安装部分的说明。

负载的增加会改变设备的浮力状态，需要重新进行调节。一般情况下浮力材料不要减少，8块需要全部安装到位，这一部分主要用于调节姿态并具有一定的浮力调节作用。但在加装负载时需要注意，所安装的负载请事先通过增加浮力使其达到零浮力状态，或安装到设备后共同调节。

浮力部分最好于设备的中心上部，配重部分最好于设备的最底部，最终使设备在水中时只有不到一厘米漏出水面并且姿态平稳，此时ROV具有轻微的正浮力（接近零浮力）。

下潜前的检查

水下使用带电设备一定要非常小心，需要反复进行安全检查，包括水密接插件的安全接插（注意使用堵头），安全扣的锁紧。桨叶没有完全的安全保护，请避免旋转的桨叶接触身体。

首先需要检查密封性，在以下情况下需要重新检查：

1.更换密封圈或法兰后；

2.拆卸舱体和穿线螺丝等有关密封的零件后；

3.陆运货船空运等颠簸运输后；

4.长时间未使用后。

检查机械固定：

1.视觉检查所有的螺丝是否安装牢固；

2.推拉各部件检查是否晃动；

3.拧紧有松动的螺丝；

4.检查线缆的扣件是否扣紧，线缆和水密接插件母线的连接处不抗拉，此部分通过u型扣环固定到机器，受力转移到线缆和机器的框架上。

检查水密接插件：

1.未使用的接插件需要用堵头密封好；

2.水密接插件需要拧上锁扣；

3.水密接插件如果产生不顺滑难以插入请涂抹润滑硅脂；

4.注意接插件是否插反。

检查各部分工作是否正常：

1.参照软件配置部分启动并连接地面站软件后，检查摄像头图像流畅程度；

2.按下所设置的手柄各按键功能，检查是否对应并生效；

3.按下手柄所设置的arm按键后，移动摇杆检查电机的转动是否顺畅正确，灯光和云台控制是否正确。

密封圈更换

SOLVER所使用的氟胶密封圈具有优异的性能，但密封圈在长时间使用后仍然需要更换。

建议在每200小时使用或半年后进行更换，更换后注意密封圈需要均匀涂抹润滑硅脂，保证密封圈表面和安装处没有任何杂质和灰尘。

回收

下水后的回收因具有脐带缆会更加便捷。回收过程如不需要进行操作，可以锁定电机并关闭灯光节约电源。拉动线缆进行回收，线缆整齐绕到线盘上。为了防止缠绕和阻挡可以浮到水面后再收线。