青岛大学第十二届“挑战杯”大学生课外学术
科技作品竞赛
作品申报书
作品类别：科技发明B类润滑油分配器
及动态仿真
学院名称：信息工程学院
申报者姓名：席铭泽
智能海上浒苔清理机器人设计及动态仿真
扎把机
席铭泽
摘要：近年来，我国海滨城市面临了一个新的问题——浒苔灾害，其中青岛地区尤为严重。面对浒苔
桔梗去皮机
灾害，现阶段基本采用人工组织打捞清理，工作难度和劳动强度较大，效率较低。针对这种现状，本项目拟设计一种具有图像智能识别、节能环保、且有仿生特性的高效率智能浒苔清理机器人，并基于Virtools平台开发一个智能海上浒苔清理机器人的仿真系统进行动态仿真。机器人模型拟结合仿生学，模仿鲸的呼吸方式，对其吸收和过滤浒苔工作进行优化，避免海水中直接过滤所遇到的压力差问题。仿真系统主要用来实时模拟机器人工作的海面工作环境及智能机器人的浒苔图像识别、自动清理的详细过程。以便在虚拟环境中直观形象地对机器人的原型进行设计优化，性能测试，对提高设计质量和加快产品开发周期有重大意义。 关键词：智能机器人，浒苔，动态仿真，图像识别
一、立项依据
（一）研究背景及意义
从2007年开始，黄海中部每年都会在6、7月份爆发浒苔绿潮灾害，其中，2008年的浒苔爆发，自5月底国家海洋局北海分局航拍资料发现大量浒苔从黄海中部海域不断漂入青岛近海海域后，经过近一个半月的努力，疯狂侵袭青岛海域的浒苔潮才被击退[1]。之后直到今年，浒苔绿潮爆发期间，都有大量浒苔不断飘入青岛近海。大量繁殖的浒苔能遮蔽阳光，影响海底藻类的生长，破坏海洋生态系统，严重威胁沿海渔业发展；浒苔爆发还会严重影响景观，干扰旅游观光和水上运动的进行，在一定程度上
影响了青岛作为国际化旅游城市的城市形象。如何科学、有效地清理浒苔是目前面临的一个重要问题。
现阶段浒苔清理方式以人工组织为主，大量人员驾驶渔船进行手工清扫，手动运往陆地，然后整体卸装到陆地重型机械（卡车等）进行下一步处理。以这种方式进行处理，不仅耗费大量的人力物力，而且会加大社会经济负担，同时大量船舶出动又会带来能源损耗和污染。另外，已有的大型打捞船体积大、成本高，需要多人同时协同工作，而且不能进人小区域实施打捞工作。在很多小型区域水面上依然是依靠人工打捞，而人工打捞工作难度和劳动强度很大。因此我们考虑设计机器人来完成相关工作。
机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为一类新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。针对浒苔现状设计智能化的海上浒苔清理机器人，使之能够自动识别并清理浒苔，有着重要的理论意义和应用价值。该设计还可推广应用于普遍性的水上清洁，给生产、生活中带来收益和便利。
另外，为了获得最佳设计模型，可以使用计算机进行动态仿真。机器人仿真系统可为机器人本体结构方案设计提供参考依据；帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限；可用于分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性；可为离线编程技术的研究提供一种极
为有效的验证手段；可用于实时检测机器人与作业环境之间的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全。开发相关的机器人仿真系统，在不同结构或不同参数的模型中进行虚拟分析、比较，对原设计进行检验，并对参数进行修正和优化，对于实体机器人的启迪设计创新，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，减少设计错误，加快产品开发周期有着重要意义。
（二）研究现状及发展
随着科学技术的发展，机器人产业作为一个新兴的高速发展中的产业，其应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。近年来，水面污染问题的日益严重促进了水面清洁机器人的研制。针对墨西哥湾漏油事件，美国麻省理工学院的研究人员开发出了一种名为“海洋蜂（Seaswarm）”的吸油装置，它由一组小型机器人组成，这些机器人可以评估海洋浮油的状况，并立刻展开清理工作，比起石油回收船等设备，其成本更低，效率更高[2]。
现有文献中给出的水面清理机器人针对漂浮固体垃圾，一般采用拉链式进行垃圾收集，行进路线单一，且大多数都非智能化产品，需要人员手动遥控，无法针对海面上的大面积的待清理物品进行有效控制。曹志强，师忠秀[3]把指南针引入自动控制系统，使机器人螺旋前进运动，并用遥控器设定旋转半径和前进方向进行控制, 打捞机构采用两条不锈钢链条, 可用于打捞大块泡沫、树枝等杂物，但对于
浒苔一类海上植物会出现缠绕铰链，造成机器人无法工作的情况。张蕾蕾[9]研究了湖面清扫智能机器人的控制系统，采用随机覆盖策略随机移动并在遇到障碍物时改变运行方向，靠吸力装置收集和释放垃圾; 韩浩等[5]研究了湖面清扫机器人的图像识别技术；但是相对比较稳定的湖面环境，海面环境要复杂的多。如何针对复杂的海面环境及特殊性态的浒苔，设计智能化的自动清理机器人，需要进一步深入研究。
随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究的安全可靠、灵活方便的工具，机器人的研制、设计、开发应用中正起着越来越重要的作用。
目前从国际范围使用最广泛的虚拟现实设计平台当属法国达索公司（Dassault System）的3DVIA Virtools开放式平台。V irtools是一套整合软件，可以将现有常用的档案格式整合在一起，如3D的模型、2D图形或是音效等。Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D 环境虚拟实境编辑软件，可以用于多种不同用途的3D产品开发，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。在当前众多的开发工具中，OpenGL是非常实用方便的一种。OpenGL是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植。叶志祥等[8]讨论了OpenGL在机器人仿真系统中的应用，曹自洋等[4]在Windows环境下利用OpenGL和VC++混合编程实现了并联机器人动态仿真。
分离式导电滑环
海上清洁机器人的仿真不可避免地需要模拟具有真实感的海面环境，而水的形态复杂性、流体特性使得水面的仿真比较困难[青岛崂山]，处于复杂环境的海水仿真尤其如此。对于海面场景的模拟，早期研究大多关注对水体的模拟[10]，主要采用过程式建模方法，即参数化表面生成，生成的海面波纹过于规则。Yuksel等[11]提出了基于高度场引入波粒子的方法，实现较大规模水域的实时绘制，能模拟微波荡漾的海平面，但该方法基于随机函数，难以交互控制。近年来研究较多的是基于物理的流体模拟方法[6]，使用基于网格或粒子的方法进行模拟，效果较好，但模型复杂、计算效率较低。如何针对浒苔所处海域的海面状况进行场景模拟需进一步研究。
总之，现有机器人的设计不能有效地用于海上浒苔的清理，要实现自动寻浒苔目标并将其有效收集和释放，需要进一步研究机器人模型的设计。另外，对设计的模型进行实时动态仿真，研究适用于模拟浒苔所处海面环境的仿真方法也是必要的。
参考文献
[1]青岛早报. 大量浒苔再度侵袭岛城面积9500平方公里. 青岛新闻网,
/ gb/content/2010-06/23/content_8410673.htm
[2]科技日报. 美推出海上浮油清理小型机器人. 科技网,
/kjrb/content/2010-09/07/content_227313.htm
[3]曹志强, 师忠秀. 一种新型水上清洁机器人的设计与实现[J]. 青岛大学学报（自然科学版）,
2007, 20(2): 80-82
[4]曹自洋, 郝矿荣, 翟雪琴. 基于OpenGL的DELTA并联机器人实时动态仿真[J]. 计算机仿
真, 2004, 21
[5]韩浩, 董砚秋, 张娟. 基于湖面清扫机器人的图像识别技术研究[J]. 科技资讯，2006，(33)
[6]延诃, 王章野, 廖斌斌, 黄若冠, 彭生. 基于物理的海浪场景的真实感建模与绘制[J].
计算机辅助设计与图形学学报, 2008, 20(9): 1117-1125
[7]姚淑然. 交互式动态水面建模与绘制方法研究[D]. 中国海洋大学, 2009
[8]叶志祥, 冀春荣, 宁祎. OpenGL在机器人仿真系统中的应用[J]. 机床与液压, 2000, 2:
10-11
火漆印章头如何自制
[9]张蕾蕾. 湖面清扫智能机器人的控制[D]. 沈阳理工大学, 2008
[10]Mastin G A, Watterger P A, Mareda J F. Fourier synthesis of ocean scenes [J]. IEEE Computer
Graphics and Applications, 1987, 7(3): 16-23
[11]Yuksel C, House D H, Keyser J. Wave particles[C]. Computer Graphics Proceedings, Annum
Conference Series, ACM SlGGRAPH, San Diego, California, 2007: 99-1-8
二、研究目标、内容及创新
（一）研究目标
本项目拟设计一种能够自动识别、清理浒苔的智能浒苔清理机器人，开发一个较为完善的仿真系统，实现虚拟智能浒苔清理机器人模型仿真，机器人工作海面环境动态仿真和机器人工作流程的动态仿真，为进一步优化、设计实体机器人制作以及通用型近海海域机器人研发提供一个仿真应用平台
（二）研究内容
1. 机器人模型设计
根据鲸的呼吸方式，受到启发，对智能浒苔清理机器人进行仿生设计。常规方式在水下进行过滤排水，会遇到水压大于气压而导致的过滤难度加大问题，将浒苔处理过程和排水过滤过程分开，可以有效地避免在水中过滤所遇到的内外压强差问题。首先对待处理浒苔进行完全吸入，再做处理，可以应对采集、处理同时进行而遇到的特殊情况。同时特定角度的喷水会提供部分推进力，能源利用有所提高。
如图1所示，机器人三维模型总体分为三大部分：
（1）上层能源采集及排水模型
核心部件包括避水图像摄取设备，距离遥感设备，太阳能采集装置，蓄电池存储设备及一组排水孔。
（2）中层浒苔吸收及过滤处理设备
包括浒苔吸入前，储物间压力调整（内压<；外压，吸入浒苔——连同海水）；吸入浒苔切割过程仿真；排水时过滤及加压设备模块；箱体容量检测模块仿真/吃水度检测。
（3）底层动力供给模型
机器人水上动力推进设备模型——履带式/机械式/喷水式；水上平衡。
图1. 智能浒苔清理机器人的功能模块示意图
2. 仿真系统设计
智能浒苔清理机器人仿真系统主要实现以下几项重要功能。
（1）模型组装
仿真系统所包含各元素模型的合理组装。包括海平面、浒苔、机器人三大主要模型组装。
（2）场景变换
允许观察者全方位观察整个作业过程，实现远景近景切换；同时能够进行机器人模型外部模型及工作环境和内部设备工作环境的场景切换。
（3）动态控制
时间控制，操作者能够使用仿真系统随时进行开始、暂停、继续、重置等控制。机器人及浒苔的空间位置动态控制，可按照需求设置实时位置。机器人清理工作相关科学参数动态控制。
（4）数据安全性保障
实时记录仿真情况，自动备份仿真测试结果数据及版本控制。
>混凝土细骨料
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