近年来，部分犯罪嫌疑人在实施犯罪行为后为了隐瞒犯罪事实，逃避打击，在作案以后常常将关键物证丢弃在池塘、河流或水库中，对于水下尤其是污水环境中的物证探测一直是刑警面临的难题。同时，船底藏匿毒品、走私货物、违禁物的案件频发，边防和水上公安干警需要更为适用的检查手段[1]。目前，复杂水质环境中的水下操作，多依靠人力完成，由于受水质环境、下潜深度的影响，以及下潜时间有限以及水下温度极低等诸多条件限制，潜水员往往工作难度大，效率低，耗费大量的人力物力，而面对较为狭窄人无法进入的水管管道则更加难以作业。随着水下导航定位技术、自动控制技术和计算机技术的不断发展进步，水下搜索探测技术的日渐成熟，水下机器人在军事和民用领域也在不断扩展，水下机器人在水下探测、安全搜救、铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工、水下设备维护与维修、水产养殖以及援潜救生等各个领域均发挥着越来越大的作用，在涉水深度大以及恶劣环境下水下机器人有着潜水员无法比拟的优势[2-4]。由于人类的水下活动大都发生在水深小于 100 m的浅水水域，用于浅水水域的水下机器人具有广阔应用前景，它具备无需庞大水面支持、占用甲板面积小、噪音低、隐蔽性好和成本低等优点。但由于浅水水域的水流场复杂，水体流速较大，给小型水下机器人在浅水水域的悬停、艏向角锁定等运动控制带来了困难；同时因浅水水域的水下环境光线较为昏暗、且存在大量异物等干扰因素，导致光学成像设备的有效距离变短且成像效果变差。目前，适用于浅水水域、造价低的小型水下机器人很少，因此，展开对浅水水域的警用多用途水下机器人的研发，具有现实、紧迫和重要的意义。

1 总体结构

根据警用多用途水下机器人的应用领域，其应具备如下的运动特点：

1）水下机器人运动缓慢，不能产生急剧的运动变化。

2）水中暗流、浪涌、障碍等扰动是随机的，要求机器人系统具有较好的动态稳定性。

如果没有高效的稳定动力结构及控制系统及时的调整，其将产生严重的动态误差，以至无法进行正常的水下作业。因此，其动力结构系统设计如图1所示。

图1 机器人原理样机及总体结构布置图Fig.1 Robot prototype and its overall structure layout

此机械结构布置方式具有如下的航行和姿态调整优点：

1）动力螺旋桨呈对称布置，其在水下推进航行过程中，可四个动力螺旋桨以相同的推进方式进行推进，即以相同的工作方式进行工作。这样可极大简化控制的难度，减少推进器的数量。

2）当便携式水下探测设备进行姿态调整时，因八个动力螺旋桨是两两对称布置，可利用轴对称线的方式，进行姿态调整。同时因便携式水下探测设备轴对称线多达四条，其也有四种姿态的调整方式可供选择，这为后续的控制提供了方便和选择[5]。

随着水下机器人应用的日益频繁和广泛，人们对其功能需求也日益多样化和实用化，要求警用多用途水下机器人所能完成的任务也越来越复杂、精确和多样，这是新时期市场需求和技术发展的共同作用。除了具有体积小、重量轻的特点外，集开放、模块化、定制化的多用途水下搜寻打捞机器人被凸显出来[6]。水下搜寻打捞机器人大体由潜水系统、水下探测系统和动力系统三个部分组成，如图2所示。

图2 机器人功能系统结构框图Fig.2 Block diagram of robot function systems

潜水系统是警用多用途水下机器人的基础和平台，包括设备本体、运动系统和姿态控制系统，它为其他系统功能的实现和集成提供了有效的载体和平台。水下探测系统是警用多用途水下机器人的探测“器官”，在未知的浅水水域探测中，完成对未知水下的感知和探测[7]，包括各种传感器及微控系统、摄像头及照明灯、作为信息系统中的数据处理和数据传输系统。便携式水下探测设备的动力系统（电力能源系统）是整个设备中的辅助系统，为整个设备的正常工作提供电力供给，包括电池、输送电缆及电缆卷盘。

警用多用途水下机器人的工作系统主要分成水上和水下两个相对独立的系统，即面向用户及辅助的水上系统和完成探测任务的水下系统。水上和水下系统共同协调一致完成对探测水域的工作，其结构框图如图3所示。

在探测工作中，动力系统通过电缆为水下和水上系统提供电力供给，水上系统与用户进行任务的交互，并通过电力载波的形式把用户指令传递到水下系统，同时，电力载波模块也可完成水下系统的状态上传。水下系统可借助其搭乘的各种传感器和仪器相对独立地完成水上系统下达的探测任务。