用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 黎柱坤 王 慧 林冰勝 張宇航 吳華宇 黃光煒 陳春雷 王 驥

用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 黎柱坤 王 慧 林冰勝 張宇航 吳華宇 黃光煒 陳春雷 王 驥

為了滿足用戶對(duì)于養(yǎng)殖池的水質(zhì)監(jiān)測和水下生物生活常態(tài)觀察的需要，本作品使用了角度加速度陀螺儀、多種水質(zhì)傳感器、485通信技術(shù)和視頻傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)了水中穩(wěn)態(tài)控制、多種水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)測量和水下實(shí)時(shí)拍攝。隨著海洋研究與開發(fā)的不斷深入,水下機(jī)器人成為人們完成各種水下任務(wù)的重要輔助工具，其中遙控式水下機(jī)器人（ROV）在海洋開發(fā)的很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。ROV工作在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，具有運(yùn)動(dòng)速度慢，運(yùn)動(dòng)慣性較大，非線性和耦合性較強(qiáng)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都成為其在水下運(yùn)動(dòng)控制的難點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是水下機(jī)器人研究的基礎(chǔ)，一個(gè)穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)也是水下機(jī)器人完成預(yù)期任務(wù)和水下作業(yè)的前提與保證，因此對(duì)ROV的控制成為當(dāng)前ROV技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

水下機(jī)器人；水質(zhì)監(jiān)測；stm32；穩(wěn)態(tài)控制；水下拍攝視頻

1 研究意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，大力發(fā)展水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)于開發(fā)海洋經(jīng)濟(jì)，探索海洋世界具有戰(zhàn)略意義。探索海洋世界，進(jìn)軍大洋深處，離不開水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，ROV水下機(jī)器人可以潛入海中，獲取水下視頻資料，采集水下樣本，對(duì)于開發(fā)海洋資源提供有力的技術(shù)數(shù)據(jù)支持。中國是一個(gè)海洋大國，擁有約1.8萬公里的海岸線和6500多個(gè)500平方米以上的大小島嶼。我國還擁有面積約300萬平方公里的管轄海域，如此廣袤的海洋國土有豐富的海洋漁業(yè)生物資源，水下機(jī)器人在海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)以及保障海洋環(huán)境安全方面具有重要的意義。隨著國內(nèi)海水養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖企業(yè)迫切需要應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和科學(xué)研究的水下機(jī)器人，需要高智能水下機(jī)器人對(duì)水下養(yǎng)殖水質(zhì)的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和對(duì)水下生物生活狀況進(jìn)行水下實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測。由于在水中機(jī)器人會(huì)受到水波、暗流等多種因素影響，因此若要獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和穩(wěn)定清晰的圖像就離不開一個(gè)穩(wěn)定的姿態(tài)控制。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 產(chǎn)品總系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1．1 概論

本作品采用32位以ARM架構(gòu)的stm32rct6系列芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合mos管電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和四路電機(jī)，輕易達(dá)到靈活地控制水下機(jī)器人的活動(dòng)。采用氨氮傳感器、溫度傳感器、PH傳感器、含氧傳感器、含鹽量傳感器進(jìn)行水質(zhì)測試，把收集的水下水質(zhì)數(shù)據(jù)通過485通信協(xié)議傳輸給stm32主控芯片，主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)。在通過路由的方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端的上位機(jī)上。此外，本水下機(jī)器人通過水下防水?dāng)z像頭進(jìn)行水下拍攝，再用過有線方式實(shí)時(shí)地把信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，方面用戶查看水下情況，對(duì)水下生物研究有著很大的作用。外殼使用SolidWorks來設(shè)計(jì)外形，更能達(dá)到外形設(shè)計(jì)的合理性，材料成本低廉。

2．1．2 軟件系統(tǒng)框圖

圖2-1 系統(tǒng)框圖

圖2-2 三大模塊通信系統(tǒng)框圖

2.2 電路設(shè)計(jì)方案

我們選用stm32作為主控，內(nèi)核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHZ，1.25DMIPS/MHZ存儲(chǔ)器：片上集成512KB的Flash存儲(chǔ)器。64KB的SRAM存儲(chǔ)器。擁有3個(gè)USART接口，多達(dá)3個(gè)同步的16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多大4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道[1]。

2．2．1 主控板最小系統(tǒng)

主控板最小系統(tǒng)為stm32最小系統(tǒng)，，使用8MHz外部晶振作為MCU的RC振蕩器，每個(gè)電源接口還接一個(gè)容量為0.1uf的濾波電容，防止電源波動(dòng)影響MCU工作，及上電復(fù)位電路，SW模式調(diào)試及程序燒錄接口。

圖2-3 stm32最小系統(tǒng)圖

2．2．2 路由版

圖2-4 路由版的電路圖

2．2．3 MPU6050

圖2-5 MPU6050電路圖

2．2．4 電源研究設(shè)計(jì)

電源方面我們采用AMS1117-3.3V和AMS1117-5V，這種穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)周期短、可靠性高、大大降低控制板的體積；采用這種芯片還有好處就是電壓穩(wěn)定，能準(zhǔn)確提供電壓。而12V電源的接線處和開關(guān)，我們采用耐高壓耐大電流的，以防因?yàn)殡妷弘娏鬟^大把開關(guān)燒壞。

圖2-6 5V穩(wěn)壓電路圖

圖2-7 3V穩(wěn)壓電路圖

2.3 硬件設(shè)計(jì)方案

（1）微型處理器，均使用意法電子stm32c8t6，ARMCortex-M3內(nèi)核的微型處理器。

（2）DC-DC及LD0的組合應(yīng)用，巧妙利用航空防水接頭做水下開關(guān)，實(shí)現(xiàn)合理的電源管理，向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的多組電壓。

（3）攝像頭采用東芝720P的高清攝像頭支持openwrt系統(tǒng)UVC攝像頭，支持USB直接接口，方便使用，水下拍攝清晰。

（4）路由板以rt5350作為主控芯片，支持視頻遠(yuǎn)距離傳輸。

（5）推進(jìn)器12V，中推力的電機(jī)，消耗不大，運(yùn)動(dòng)靈活，便于操控。

2.4 外型設(shè)計(jì)方案

2．4．1 概論

我們采用的是PLA(生物降解塑料聚乳酸)環(huán)保材料作為水下機(jī)器人的外殼框架設(shè)計(jì)，外殼的設(shè)計(jì)是使用SOILDWORKS 2016軟件進(jìn)行3維視圖建模[2]，并使用3d打印技術(shù)打印成型，由密封艙與外圍固定框架組成。作品總長：335mm，寬：334mm，高：247mm。由于我們采用的是有纜水中自航式潛水器（地面站工作人員通過電腦或手機(jī)相對(duì)應(yīng)控制潛水器的上位機(jī)來控制潛水器在水中的姿態(tài)、行進(jìn)方向和高度等等，然后潛水器在水中收集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸給電腦上位機(jī)）。所以作品可分為三大部分，分別是密封倉、電機(jī)殼、外圍框架。我們的潛水器外觀精美，密封倉為透明亞克力圓柱半球體，外圍部分框架選擇了鮮艷的橙黃色，以方便觀察潛水器在水下的狀態(tài)和位置。

2．4．2 密封艙的設(shè)計(jì)

密封倉設(shè)計(jì)成具有一定的流線型，可以減小潛水器在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，降低功耗提高效率增強(qiáng)靈活性等等。密封倉前面設(shè)計(jì)有一個(gè)透明圓形罩，不但進(jìn)一步降低水中的阻力，還可以在此放置攝像頭，攝像頭我們采用的是720P高清廣角攝像頭，獲得更廣闊的視角和實(shí)時(shí)的畫面以觀察水下的情況獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)傳輸支持OPENWRT，MJPG等USB接口，更快也更方便讀取攝像頭數(shù)據(jù)。密封倉后蓋打孔，用于開關(guān)接口，通信線，燒錄程序線等的連接，接口處和前后蓋和倉體，都采用密封圈密封，達(dá)到了很好的防水效果。

圖2-3-1 密封艙整體設(shè)計(jì)

圖2-3-2 密封艙后蓋設(shè)計(jì)

2．4．3 電機(jī)朝向設(shè)計(jì)和電機(jī)的選擇

電機(jī)殼主要是如何將電機(jī)推進(jìn)器更好的和密封倉固定在一起并起到上下左右的基本運(yùn)動(dòng)和懸停、定高等高級(jí)動(dòng)作。根據(jù)仿真和實(shí)測，本款水下機(jī)器人考慮到搭載了三個(gè)大的長條圓柱狀傳感器，故將其與密封艙保持平行的放置在密封艙下面，一方面擁有了良好的外形效果；一方面由于將大部分重量轉(zhuǎn)移到水下機(jī)器人下面，使重心下降，增大了在水下的操控性能；另一方面也可使電機(jī)的擺放位置更加合理。整機(jī)采用了四個(gè)防水電機(jī)，兩個(gè)向后主要負(fù)責(zé)前進(jìn)后退的動(dòng)力，同時(shí)也可利用差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，另兩個(gè)電機(jī)朝向向上，用于水下機(jī)器人在水中的浮潛和定深，同時(shí)也可利用機(jī)器人內(nèi)部搭載的角度傳感器和陀螺儀來控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速比。如果密封倉內(nèi)部的陀螺儀檢測到潛水器有傾斜，將通過向上或向下推進(jìn)以實(shí)現(xiàn)潛水器總體的平衡。

圖2-4-1 推進(jìn)器（實(shí)物圖）

圖2-4-2 3D模型 安裝示意圖

圖2-4-3 推進(jìn)器 （總體效果圖）

3 水下機(jī)器人總體功能、性能及結(jié)構(gòu)尺寸

3.1 總體功能

3．1．1 水下拍攝功能

水下機(jī)器人采用東芝720P攝像頭，配合高清亞克力板，使用適合的軟件算法，調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，使高清攝像頭180度全方位拍攝，能很好地對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行觀察。

3．1．2 人機(jī)交互功能

水下機(jī)器人采用全電腦上位機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)，接收視頻控制，通過一個(gè)電腦端中的上位機(jī)，可以清晰接收視頻。通過上位機(jī)，可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行上下左右的控制，上浮下潛控制，然后可以接收機(jī)器人發(fā)出的傳感器數(shù)據(jù)。

3．1．3 水質(zhì)傳感器功能

水下機(jī)器人機(jī)載PH傳感器，溫度傳感器，氨氮傳感器，含氧量傳感器，含鹽傳感器，機(jī)器人通過用stm32處理后，把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線方式直接傳回電腦終端。

3．1．4 上位機(jī)接受水質(zhì)參數(shù)和實(shí)時(shí)視頻功能

水下機(jī)器人的上位機(jī)可以操控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，也可以接收視頻數(shù)據(jù)，也可以接收下位機(jī)機(jī)器人發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)。讓用戶直觀地看到水質(zhì)參數(shù)，溫度等等。

3.2 性能

3．2．1 電機(jī)

本機(jī)器人擁有四個(gè)推進(jìn)器，兩個(gè)推進(jìn)器負(fù)責(zé)上浮下沉，另外兩個(gè)推進(jìn)器控制前后左右的運(yùn)動(dòng)。然后通過PID平衡控制算法，對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。這樣機(jī)器人在水里的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可控性更強(qiáng)。

3．2．2 螺旋槳

本機(jī)器人采用的是5葉的螺旋槳，優(yōu)勢在于電機(jī)同樣的轉(zhuǎn)速一下，電能消耗同樣的情況下，排水量更大，水下機(jī)器人具有更大的推進(jìn)力，能達(dá)到節(jié)省功耗的目的。

3.3 結(jié)構(gòu)尺寸

下面為機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)的尺寸三視圖：（單位為：mm）

圖3-1 水下機(jī)器人正視圖

圖3-2 水下機(jī)器人俯視圖

圖3-3 水下機(jī)器人側(cè)視圖

4 水下機(jī)器人的水下控制

4.1 水下控制簡介

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的控制方法相繼應(yīng)用在深海潛水器的控制系統(tǒng)中，從國內(nèi)外的參考文獻(xiàn)中可以看到很多種，他們主要用下面的控制方法來實(shí)現(xiàn)深海潛水器的運(yùn)動(dòng)控制：PID控制、滑?？刂品椒ā⒛：刂品椒?、自適應(yīng)控制方法、魯棒控制方法。水下航行器是一個(gè)強(qiáng)非線性參數(shù)不確定系統(tǒng)，且運(yùn)行在未知的復(fù)雜的海洋環(huán)境下，一旦發(fā)生事故就可能造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失。設(shè)計(jì)水下航行器控制系統(tǒng)所面臨的主要困難有：系統(tǒng)模型具有高度非線性、時(shí)變、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)不確定，波浪和海流的隨機(jī)擾動(dòng)等等。PID控制由于其結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)容易，并且其性能在許多場合中也可以被接受，因此PID控制仍然是水下航行器研發(fā)和操作人員廣泛采用的方法。然而考慮到水下航行器動(dòng)力學(xué)非線性的特征，為了獲得滿意的控制性能，需要對(duì)線性特征的PID控制進(jìn)行改進(jìn)，以提升水下航行器PID控制的性能[3]。線性PID控制器是基于反饋的一種控制方式，簡單的表達(dá)方法是接受偏消除偏差，其控制的主要過程包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)對(duì)比和系統(tǒng)執(zhí)行。數(shù)據(jù)的獲取對(duì)應(yīng)的是變量的輸入，經(jīng)過與期望值的對(duì)比來得到原始的偏差，運(yùn)用偏差來消除偏差使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.2 水下平衡的PID控制算法

工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或不到精確數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。

4．2．1 PID三個(gè)獨(dú)立控制環(huán)節(jié)的控制原理

比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)的輸出存在誤差。

積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比，在控制器中引入積分環(huán)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在補(bǔ)償誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在較大慣性環(huán)節(jié)（如水波影響）或滯后單元（如通訊設(shè)備的延遲），它們具有抑制誤差的作用，即其變化總是落后于誤差的變化，而解決的辦法是提前抑制誤差的變化。[4]

4．2．2 PID控制算法在水下機(jī)器人水下控制的應(yīng)用

綜上所訴，比例環(huán)節(jié)的作用是調(diào)節(jié)幅值；積分環(huán)節(jié)的作用是調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差；微分環(huán)節(jié)的作用是調(diào)節(jié)超調(diào)量。在水下機(jī)器人在水中行進(jìn)過程中，由于系統(tǒng)會(huì)受到水波、延遲、圖像采集誤差等眾多復(fù)雜的影響，微分環(huán)節(jié)必不可少。而它自身位置和水球的位置均在動(dòng)態(tài)變化著，因此既定目標(biāo)點(diǎn)也應(yīng)是動(dòng)態(tài)變化的。由于在水中受水的阻力影響，相當(dāng)于起到一個(gè)控制濾波的作用，因此也就不會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差的概念，不必引入積分環(huán)節(jié)，而比例環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)中必須的，對(duì)于水下機(jī)器人在水下的運(yùn)動(dòng)，我們采用PD（比例---積分）控制算法來控制整體在水中航行時(shí)的穩(wěn)定性。

為了讓這一控制算法在水下機(jī)器人上起作用，我們采用了四個(gè)防水電機(jī)，兩個(gè)向后主要負(fù)責(zé)前進(jìn)后退的動(dòng)力，同時(shí)也可利用差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；另外兩個(gè)電機(jī)朝向向上，不但用于水下機(jī)器人在水中的浮潛和定深，而且還利用機(jī)器人內(nèi)部搭載的角度加速度傳感器和陀螺儀來控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速比，再結(jié)合PID平衡控制算法，即可保證機(jī)器人在水下不傾斜不翻倒實(shí)時(shí)保持平衡，為后續(xù)其采集數(shù)據(jù)和水下攝像等工作保證穩(wěn)定狀態(tài)。

4．2．3 部分PID控制算法代碼設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

隨著人類在海洋探測和開發(fā)過程中對(duì)水下水質(zhì)參數(shù)檢測將會(huì)日益普及，尤其是水下設(shè)備上需要低消耗、續(xù)航能力強(qiáng)、通信能力強(qiáng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻探測和水質(zhì)參數(shù)傳遞。這樣的話，有線的機(jī)器人具有一定的優(yōu)勢。但是受水中水壓、速度、水波、暗流等環(huán)境變化因素影響，自主式水下潛器在水下的運(yùn)動(dòng)具有較大的不確定性，但是我們研發(fā)的水下機(jī)器人采用PID控制算法結(jié)合加速度角度陀螺儀傳感器模塊，可在水下自由平穩(wěn)移動(dòng)，速度達(dá)到0.63m/s，具有視覺和感知系統(tǒng)，通過遙控或自主操作方式，來完成水下水質(zhì)（PH值、溫度、含鹽量、含氧量、氨氮值等）的監(jiān)測和水下生物狀態(tài)的拍攝，并將數(shù)據(jù)和畫面直接上傳的裝置。

[1]劉張,劉軍,嚴(yán)漢宇,左忠凱．原子教你玩stm32[M]．北京航空航天大學(xué)出版社．

[2]劉雪松,渠達(dá)．SolidWorks 2013完全自學(xué)教程(中文版)[M]．中國鐵道出版社,2013,07．

[3]鄭文龍,劉洋,肖昌潤,杜佩佩．水下航行器的PID運(yùn)動(dòng)控制方法研究[M]．中國水運(yùn)出版社,2015,10．

[4]趙建,白春江,章文?。聺撈髯藨B(tài)角的分?jǐn)?shù)階PID控制研究[M]．艦船科學(xué)技術(shù)出版社,2016,11．

黎柱坤（1994—），男，大學(xué)本科，研究方向：電子信息工程。

王慧（1963—），女，副教授，研究方向：智能控制系統(tǒng)，光纖傳感器技術(shù)。

項(xiàng)目支持：廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校工程科研項(xiàng)目（GDOU2014050240）；廣東海洋大學(xué)“海之帆一起航”計(jì)劃項(xiàng)目（hzfghjhkjfm2015b13）。