基于STM32的水下自主巡游機(jī)器魚的設(shè)計與實現(xiàn)*

李林葳，王 衡，盧震宇，李硯禾，劉振宇，關(guān)宇澤

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷 030801)

0 引言

中國是世界上最大的水產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)國之一，且水產(chǎn)養(yǎng)殖一直處于高速增長[1]。水產(chǎn)養(yǎng)殖需要及時了解水下狀況，但人工檢測人力和時間成本較高，多點檢測存在布控點有限的問題。因此水產(chǎn)養(yǎng)殖的無人化全覆蓋監(jiān)控對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有顯著意義。

為此，江西省建成智慧漁業(yè)示范基地，采用多平臺控制的智慧漁業(yè)系統(tǒng)[2]；盛平等[3]研制了可實時檢測水質(zhì)參數(shù)的智能養(yǎng)殖裝備，集增氧、投飼于一體，且具有遠(yuǎn)程智能控制等功能；景新等[4]設(shè)計了自動投飼系統(tǒng)，提高了飼料的利用率；王勇平等[5]采用機(jī)器視覺設(shè)計了智能投飼系統(tǒng)；溫繼文等[6]構(gòu)建了魚病遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)警與診斷系統(tǒng)；劉雙印等[7]研制了對蝦疾病具有遠(yuǎn)程智能診斷功能的系統(tǒng)；黎柱坤等[8]研發(fā)了用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水下機(jī)器人，以實現(xiàn)水中穩(wěn)態(tài)控制、實時測量、實時拍攝功能。

從研究現(xiàn)狀來看，當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖的無人化監(jiān)控，主要將重心放在基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，或通過無線圖傳將水下情況發(fā)送回用戶端。但物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對傳感器布控點要求較多，而依賴圖像處理的系統(tǒng)中，攝像頭能見度易受水質(zhì)影響，且主流水下機(jī)器人在巡游方面仍需要人為操控，為此本文提出將現(xiàn)有常見水下管道改造為循跡管道，結(jié)合DTX2 ROV機(jī)器人機(jī)體，以STM32F103C8T6為控制核心，通過FU-35FZ光纖傳感器和E18-D80NK紅外傳感器配合識別檢測管道上的外邊緣和簡易標(biāo)識，來實現(xiàn)機(jī)器魚的自主巡游，以為后期搭載單套傳感器實現(xiàn)全水域監(jiān)控奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

1.1 巡游軌道設(shè)計

由于水下管道多以白色PVC管為材料鋪設(shè)成環(huán)形或U形，所以本文利用水下管道可塑性強(qiáng)的特點，在不影響水下物料供應(yīng)的前提下，將其設(shè)計為覆蓋特定水域，并在管道外側(cè)的正上方粘貼黑色膠帶，利用水下機(jī)器魚對管道的邊緣與黑色標(biāo)識的識別，來完成對水下特定區(qū)域的巡游。

1.2 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器魚以與尾鰭連接的舵機(jī)為動力，實現(xiàn)對管道的循環(huán)檢測，并沿管道外邊緣不斷自動修正運(yùn)動方向，為此本文利用光纖傳感器靈敏度高的優(yōu)點，將其用來進(jìn)行自主巡游；而針對光纖傳感器價格較高的缺點，本文使用價格較低的紅外傳感器來實現(xiàn)標(biāo)記點的檢測。

為此，本文提出在魚頭和魚尾左右兩側(cè)各安裝一個FU-35FZ光纖傳感器用于循跡；在右前方探出一只光纖傳感器，用來檢測右轉(zhuǎn)；同時，在魚頭正下方安裝三個E18-D80NK紅外傳感器用來識別黑色標(biāo)識，以確定自身所在位置。機(jī)器魚具體硬件部署如圖1所示。

圖1 機(jī)器魚結(jié)構(gòu)

本文以STM32F103C8T6為水下機(jī)器魚的中控系統(tǒng)，為水中機(jī)器魚的水下巡游提供協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 循跡及檢測模塊

2.1 循跡子模塊

當(dāng)機(jī)器魚的光纖傳感器檢測到信號時，通過FS-V11信號放大器將信號傳輸?shù)介_發(fā)板中，檢測到信號即傳回0，未測到即為1，因此通過5個光纖傳感器的總計16種情況來進(jìn)行方向的修正和轉(zhuǎn)彎。

本文使用PA8、PB11、PB12、PB13、PB15五個外置IO口來分別連接外置光纖傳感器，其中魚頭左側(cè)傳感器連接PB12，魚頭右側(cè)傳感器連接PB15，魚尾左側(cè)傳感器連接PB13，魚尾右側(cè)傳感器連接PB11，魚頭右前傳感器連接PA8。傳感器不同電平值對應(yīng)速度(Reg.Speed)和擺動方向(Reg.Direct)如表1所示，具體編碼值需依實際環(huán)境調(diào)整。

表1 傳感器傳回電平組合及處理方式

2.2 位置檢測及反饋子模塊

紅外傳感器有一個傳感頭，外置正極，負(fù)極和信號傳輸線共三根導(dǎo)線；內(nèi)置一個光信號發(fā)射裝置，一個光信號接收裝置和一塊信號處理板塊。當(dāng)光信號接收裝置檢測到有信號傳回，通過信號線傳出低電平，否則傳出高電平。而LED小燈和有源蜂鳴器可以通過高低電平來控制。通過對黑色標(biāo)志位計數(shù)和已知標(biāo)志位對應(yīng)在游泳池的位置，即可使機(jī)器魚判斷自己所處位置。

為此，本文把紅外傳感器的負(fù)極接LED燈和有源蜂鳴器的負(fù)極腳接入電池負(fù)極，把紅外傳感器的正極直接接入電源正極(紅外傳感器的適應(yīng)電壓在6V～36V)，紅外傳感器的信號線直接與LED燈和蜂鳴器的正極相連。當(dāng)紅外傳感器沒有檢測到物體時傳出高電平，LED燈和蜂鳴器就會做出相應(yīng)的反饋，而當(dāng)紅外傳感器檢測到物體時傳出低電平，LED燈和蜂鳴器無反應(yīng)。

3 動力模塊

機(jī)器魚的動力主要由魚尾的舵機(jī)操控尾鰭擺動來完成。硬件上，核心板通過PA15(或PB3)、+5 V電源口和GND口等三個IO口控制舵機(jī)；軟件方面則依賴PWM的相關(guān)輸出函數(shù)來調(diào)控舵機(jī)。通過“#include”來調(diào)用庫函數(shù)"Timer.h"，然后通過void Timer1Initialize(void)來設(shè)置基本參數(shù),通過RTem[JointCount]和XTem[JointCount]函數(shù)實現(xiàn)尾鰭控制，其中Reg.Speed函數(shù)控制頻率，Reg.Direct可以控制方向。

3.1 直行調(diào)控

傳感器傳輸信號到控制板后，控制板給舵機(jī)傳輸信號，機(jī)器魚的方向由數(shù)字0-14從左到右來控制，機(jī)器魚的速度由數(shù)字1-15從慢到快來控制。本文在主函數(shù)中使用Reg.ServoOffset[0]語句來改變尾鰭的中值，使得尾鰭的中值適應(yīng)自己的開發(fā)板，能夠在方向為7時延直線游動。

3.2 轉(zhuǎn)向和速度調(diào)控

轉(zhuǎn)向方面，本文根據(jù)光纖傳感器的傳回信號組合，通過const float RTem[16]設(shè)定擺動幅度，其中用數(shù)字變化進(jìn)行調(diào)控，以便于機(jī)器魚的轉(zhuǎn)向和方向微調(diào)。

速度方面，本文以尾鰭的擺動頻率函數(shù)const double FTem[16]設(shè)定舵機(jī)擺動頻率，本文設(shè)定了16種尾鰭擺動頻率，方便進(jìn)行細(xì)小的擺動調(diào)控。

4 測試與分析

本文搭建了如圖3所示的模型對設(shè)計的自主巡游機(jī)器魚進(jìn)行檢測。場地中的白色PVC塑料管按環(huán)形布置，管道上方黑色圓形膠帶用以輔助機(jī)器魚確認(rèn)位置。機(jī)器魚從圖左上角所示位置投放使其進(jìn)行自主游動。

圖3 測試場地效果圖

測試結(jié)果顯示：紅外傳感器發(fā)出的紅外線，黑色的反射識別距離最短，藍(lán)色稍長，白色最長。為確保機(jī)器魚準(zhǔn)確辨識目標(biāo)，需要使得發(fā)出去的紅外線遇到黑色區(qū)域無法返回，在藍(lán)色區(qū)域有返回光信號，且在白色區(qū)域內(nèi)也有返回光信號。

經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn)紅外在空氣中檢測范圍約為7 cm～9 cm，但當(dāng)在水中能夠檢測到藍(lán)色底面有返回光信號，并且黑色不返回光信號時，紅外距離水池底面的距離約為8 cm～10cm，距離管道頂部約為1 cm～2cm。而光纖在空氣中的檢測范圍在10 cm左右，在水中的檢測范圍影響可以忽略不計，但是需要注意光纖檢測受到水面反射光的影響。

5 結(jié)論

1) 本文提出在不影響PVC管道進(jìn)行物料輸送的前提下，對其進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)對特定水域的覆蓋。

2) 本文以STM32F103C8T6為控制核心，通過FU-35FZ光纖傳感器和E18-D80NK紅外傳感器相配合來感知環(huán)境，并通過舵機(jī)來調(diào)整機(jī)器魚的直行和轉(zhuǎn)彎。

3) 本文設(shè)計的機(jī)器魚實現(xiàn)了設(shè)備可以按照既定軌跡自主巡游，同時對水質(zhì)的要求相對較低，為水下養(yǎng)殖的信息化、智能化發(fā)展提供一定的思路。