唐双喜
重庆交通大学 航运与船舶工程学院 重庆 400074
摘要：近年来湿地生态系统由于人为因素受到了严重的破坏。造成破坏的原因是多方面的，主要有土地开垦、围湖造田、过度捕捞、污水排放、水利工程建设不合理、旅游业盲目开发等。因此，掌握并分析湿地的即时水文信息，如水质、泥土重金属含量等，对于保护湿地生态环境意义重大。传统采集方式是利用人工采集，通过化验监测获取湿地的水文信息。这种方式存在成本高、周期长、劳动强度大等弊端，对此，提出了一种履带传动式两栖取样探测机器人的设计方案。
关键词：湿地沼泽、两栖行走、取样探测、超声波避障
1、研究背景及意义
1.1研究背景
湿地，是指天然或者人工形成成片的浅水区，自然湿地包括沼泽、泥炭地、河流、湖泊、海滩、海峡等。近年来，人类活动造成了湿地面积不断减小、湿地水资源逐年萎缩、湿地生态系统的生物多样性严重破坏、湿地功能退化甚至丧失。据统计，2005年我国非法开垦湿地的面积达到了4047公顷以上；浙江省在十一五以来的四年之内，圈围的湿地面积就有47万亩；另外有调查表明，我国32处受监测的湿地当中，40%以上的湖泊、26%以上的海岸湿地和将近20%的沼泽都存在过度捕捞的情况。可以看出，湿地生态系统形式严峻，必须要马上采取保护湿地的行动。
1.2研究意义
在我国大部分湿地保护区，都采用巡检人员采集的方式获取水文信息，但采集信息的人员不固定，每次采集信息都雇佣不同的人员，成本较高。不仅如此，人工采集的方式周期长，而且由于湿地结构和布局的特殊性，有些区域采集人员无法到达。有的湿地保护区则采用观测站的方式采集水文信息，但是设立观测站的方式成本同样过高，而且有些湿地区域的环境较恶劣无法设置观测站，因此观测站的方式无法覆盖整个湿地区域。因此，提出了一种履带传动式两栖取样探测机器人设计方案，履带式行走装置可以使其实现两栖行走，通过双重控制模式的实施可以使其具有人为控制以及自动行驶两种模式，通过智能避障模块的运行可以使得其在无人操作时保证安全性，经由电脑控制机械臂和取水泵进行水质或者泥土取样采集工作，同时摄像头可对周围环境进行记录并传输。
2、支撑作品的体现有理论与技术
2.1差速转向技术分析
现有大部分无人船靠控制方向舵的角度来实现无人船的转弯，此转弯方式有诸多缺点，一是必须在船舶进行过程中才能转弯，不能原地转弯且转弯半径大；二是增加了船体的结构部件顺而增加了产品成本；三是在航行过程中方向舵板容易被水草、网具等悬浮物缠绕造成船只故障被迫停航。综上所述，本作品设计了双推进器结合履带差速控制来实现机器人的转向，可以达到船体原地转弯、不需要方向舵、防止被悬浮物缠绕的目的。因此，在双体船船体尾部左右两侧对称位置各安装一个可正反转动的螺旋桨推进器，另外在双体船底部设置履带轮，可以通过共同调节两个推进器螺旋桨和履带的转动方向和转速来实现机器人的方向控制。两个推进器的电机转动方向不同,从而使两个推进器的螺旋桨转向不同,使得机器人的行进方式不同。
2.2超声波测距避障原理分析
由于水面的障碍物情况复杂，为保证采样、探测能够安全、平稳和有效的进行，需要对它遇到的各种障碍物进行分析和监控，并采取有效的避障方式。当障碍物的位置处于机器人运行轨迹上时，机器人会变更运行轨迹，从而躲避障碍物，而障碍物离船体的距离，决定机器人能否成功避障。因此，为保证机器人安全运行，需实时检测到障碍物的位置和离机器人的距离，对于不同的障碍物能够进行判断并做出相应的处理措施也是机器人控制系统的衡量要素之一。基于此，我们采取超声波测距技术来测量取样、机器人与周边障碍物距离。超声波具有频率高、波长短、绕射小、方向性好、定向传播等特点。对液体、固体的穿透性好，尤其适用于光线穿透性差的固体。
超声波测距原理为：在以空气为介质的情况下，超声波的传播速度是已知的(虽然此速度受温度等环境因素的影响，但是本设计不要求太高的测距经度，所以不考虑由于环境因素引起的误差)，超声波被发射出后，遇到障碍物就被反射回来，而超声波在发射到反射回来的时间是可以测量的，计算超声波传播速度和时间乘积的一半即为测量点到障碍物的距离。
3、具体的功能结构设计
3.1避障功能
避障模块：采用主流的超声波测距模块，初选HC-RS04，该模块的优点在于成本低，精度高，测量范围可达10米，能够满足该项目的需求。考虑到水上测距的环境因素，后采用与之兼容的JSN-SR04超声模块，该模块的优点在于可防水，能够用于水上、水下环境。
3.2取样功能
由于沼泽湿地的复杂性，一般的常规工程机械设备难以满足湿地作业，湿地的工程作业也是一大难题。该机器人可实现湿地的疏浚、挖掘等各种工作，从而降低湿地施工的难度系数，对于取样可以通过机械臂和水质取样器共同完成。机械臂主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持自动取样器的部件，根据被抓持取样器的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，我们选择了夹持型的结构。该机构可使机械臂完成各种转动或复合运动来实现规定的动作，可改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
3.3环境监测功能
无线视频传输方案的重要组成部分就是其中支持视频传输的WiFi模块，我们选择了双频WiFi模块SKW93A。SKW93A是一款高性能、高集成的无线APP WiFi模块，SKW93A能同时在2.4GHz和5GHz双频工作，在2.4G频段下，传输速度可达300Mbps；在5G频段下，传输速度可达433Mbps，模块可以保证实时传输有足够清晰度、分辨率、稳定性和流畅度的高质量视频文件。
4、性能分析
4.1动力性
履带行走机构行动灵活， 依靠驱动链轮、支重轮和导向轮沿着铺设的链轨滚动，从而驱动整机行走，前后履带可以单独转向，从而使转弯半径更小或实现横向运动。这有利于提高转向的机动性，在地面上不易打滑从而适应全地形。
4.2实用性
由于湿地结构和布局的特殊性，有些区域采集人员无法到达，致使其很难顺利开展作业，在一定程度上增加了人力与经济的成本。本作品设计的一种取样探测机器人，具有操作灵活、适用于沼泽复杂环境的特点，机身搭载取样装置与传感设备，能替代人工进行采样与监测工作，可广泛应用于环境监测等领域，有效减少人工作业量，可为湿地、湖泊、河道水质监测与管理提供有力的技术支撑。
4.3安全可靠性
湿地沼泽环境因素会导致人工现场取样干扰较大，采集的样本不具备代表性和准确性。同时，人工作业还存在安全性差、劳动强度大等缺点，不适用于湿地、湖泊的多点采水任务。使用该机器人在危险工作环境下代替人工作业，将人员从危险环境中解放出来，可以消除工作人员作业风险，保障人身安全，提高工作效率。
4.4经济性
本作品设计的机器人具有结构简单、操作方便、成本低廉等特点，并且由电控系统控制驱动设备实现在水面、湿地沼泽上行走，进行两栖作业，节能环保，无需消耗过多能源。因此，该机器人的应用能大大降低水文监测的成本，节省昂贵的人工费用，可以创造良好的经济效益。
5.结语
本装置较轻，灵活性强。能快速机动的在水上、陆地、冰上、雪地、沙滩、滩涂、泥淖、草地、沙漠等各种环境的较平整的界面上行驶，对装置进行改进后可实现在多种环境下进行各项工作。该机器人的产量化生产及应用，将对我国的湿地治理起着重要意义。
参考文献：
[1] 邢方亮，王天奕，王磊，陈俊，郭泽斌[J].广东水利水电,2021（2）：16-20.
[2] 王月鹏. 自主路径规划的无人船水质采样系统研究[D].南京信息工程大学，2020.