目的及意义
随着经济的发展、人文活动的增加和自然灾害的发生，以植被的破坏和生活
废物为主的污染物直接进入江河水域、近海海域和湖泊。由于环境的改变，除外
来漂浮物外自身滋生了环境污染物，如蓝藻、水葫芦等生长、死亡、变质，对环
境产生了极为难处理的污染。淤泥中的有机物质分解要消耗大量氧气，造成鱼类
大批死亡。港口、航道、水利等工程中，在各类的游泳娱乐场所，各种大小观赏
性的人工鱼湖及水池等常常遇到水下清淤向题。但是一直以来河流、鱼池和湖泊
等水下污物的清理是一项非常困难和麻烦的工作。而且沉积物会以大约 15~20
厘米每年的厚度递增，如果不清除，就意味着每年会有大约 10 吨的沉积物产生。
因此水下污物的清理对水利建设、防洪防涝、渔业养殖、保障农副业丰收、稳定
国民生活和经济发展有极其重要的意义。
在我国海洋开发业发展的过程中，海洋钻井平台支架、海洋浮标、船舶以

及潜水器等机械设备发挥了重要的作用。但是由于长期处于海水中会受到海水的
腐蚀，并且附着大量的贝类、海藻等浮游生物，不仅会破坏机械设备使用的安全
性，还会降低使用寿命。如果利用人工进行清洗，不仅工作效率低、成本高，而
且还存在较高的风险。而水下清淤机器人具有船底探伤、常规性检测以及清洗等
功能，成为水下清淤工作的重要设备。
水下清淤机的设计和研究一直是国内外研究的课题，我国在这方面的研究始
于上个世纪 80 年代，上海水产大学最早申请了两份相关的专利。近些年来，国
内外众多科学家和学者在水下清淤机器人设计方面进行了大量的研究，在技术上
有了很大的进步和发展，为水下清淤机器人的发展奠定了良好的基础。

国内外的研究现状分析

清污清淤机的设计和研究一直是国内外研究的课题，但多年来，该领域的研
究一直没有取得较大的进展。在国内普遍存在技术落后、能耗高、工效低、功能
单一等问题，而且大多是针对河道、水库的清污使用。上海水产大学科技术实业
公司生产的 ZQY 型清污机可在陆上、水下全地形自动行走，但是必须有人在岸操
纵，而且外形尺寸较大，整机重量达到 600 kg。福建省第一建筑工程公司水下
式鱼塘清污系统，使用泥浆泵加两级泥水分离器的方法进行清污，但是自动化程
度不高，工作效率低，功能单一。上海水产大学海洋学院的水力推进清污机可适
应水下复杂的土层条件，且低质心升沉可控，但是一旦不带螺旋桨的清淤机，工
作时会出现时走时停现象，能耗高，功能单一。小型化，通用化，价格又相对低
的清污机器目前市场上并没有，而且自动化、智能化程度不高。
从进口的产品来看，国外的同类产品结构紧凑，多数是基于像游泳池这样地
表平整、水质相对干净的场合使用而设计，通用性和智能型均不高，而且价格昂
贵。如美国的彩鲨全自动吸污机及美国的海豚全自动水下清污机机器人无须工作
人员在场也能自己工作，清扫、洗刷、过滤。它体积小，轻便，使用方便。但只
适合于私家泳池、小区泳池、训练池、体育馆泳池等地方使用，且只能过滤相对
干净的流体，但单机价格均在两到四万元甚至更高，价格昂贵。
综观目前水下清污机器人的状况及市场需求，这类机器人的发展趋势有以下
几点。
（1） 更具有多样性和针对性。不同场合不同环境下的水域以及需要清理的
污垢物体都是不一样的。清污机器人的下一步发展必然会做的越来越专业，专门
针对某一场合设计和制造各种特种专用的水下清污机器人，机器人的种类会越来
越多。
（2） 两极分化。水下清污机器人是清污机器人的一个分支，他的发展也必
然会两极分化。对于大型的水库，宽广的河道，会需要越来越大的清污机器，已
满足其工作效率高的需求。而另外一个方面，随着人们对生活质量的需求，各种
水域或容器越来越多进入人们的生活空间，这些场合必然需要越来越精巧的机器
人对其进行水质的维护。
（3） 人工智能化。这是所有机器设备发展的共同趋势，水下清污机器人也
不例外，为了实现机器人的智能化，在机器人身上会加装越来越多的传感器。可
对水下目标进行探测与识别，可自动识别甚至计算和记录行走路径，可以自动或
手动的进行定位或定期清污，可自动检测水环境质量，可通过物联技术向云端传
输各种状态数据和环境数据，操作者可近距离操控也可通过互联网进行远程监
控。

2. 研究的基本内容与方案

水下清淤机器人控制系统包括：
淤泥层深度传感器，用以检测淤泥层的实际高度，并将实际高度数据发送给PLC 控制器；
水位传感器，用以检测水位高度和机器人水下工作深度；
温度传感器，用以检测水温和清淤机内温度；

深度调节装置，调整清淤深度；
GPS 浮标，与 IPC 相连，用以完成 GPS 坐标功能
一体化工控机 IPC，发送清淤深度数据给 PLC 控制器；
AS228R PLC 控制器，接受来自淤泥层高度传感器的数据和来自一体化工控机的数据，通过分析处理后，将清淤深度调节数据发送给水泵驱动电机，PLC 控制行走电机与清淤泵电机，其中行走电机用变频器控制；
吸口电机，是用步进电机控制行程，驱动深度调节装置；
行走驱动电机，接受来自 PLC 控制器与变频器的数据，并为机器人行走提供动力，以及实现前进、后退、顺时针旋转、逆时针旋转，调速等功能；
清淤泵及其泵驱动电机，作为清淤机械臂用以抽取污泥并将污泥抽取上岸；

淤泥层高度传感器与 PLC 控制器相连，PLC 控制器与驱动电机相连，驱动电机与深度调节装置相连，PLC 控制器还与一体化工控机 IPC 相连。设计够自动应水下环境，精确控制清淤深度，避免漏挖或多挖

淤泥。 图一：设计方案

感知模块：该机器人感知系统包括温度传感器、水位传感器、淤泥深度传感器、GPS定位系统、和清洗机器人工作状态检测等系统，以实现水下清淤机器人的各种感知。

主控模块：基于PLC IPC的模块，以台达AS228R 控制器为核心，完成水下机器人定位控制、清淤机器臂控制、电气控制模块以及各模块协调控制的关键技术。