“海翼”水下航行器的設計

摘要：此航行器是以小型化、模塊化、經(jīng)濟性和可靠性為設計目標的多運動態(tài)新型水下航行器，并針對其在復雜海況下的運動學與動力學、航行控制以及繞流場特性等若干關鍵理論問題進行了系統(tǒng)深入地研究。電子元器件以及控制部分完全集成于中部的亞克力艙體中，這種設計擁有更加好的防水密閉性。不同位置的六個推進器的配合，可實現(xiàn)上浮、下潛、前進、后退、轉向等基本動作和水下抓取動作。

關鍵詞：水下航行器;技術;設計

一、研究目的

水下航行器作為一種高技術手段，在海洋這塊人類未來極具價值的發(fā)展空間中起著至關重要的作用，發(fā)展水下航行器的意義是顯而易見的。人們獲取海洋數(shù)據(jù)的方法目前是昂貴且有限的。隨著水下作業(yè)需求的增加，一款靈活穩(wěn)定，造價合適的航行器是人們急需的。

對一款優(yōu)秀的海洋航行器而言，靈活的運動與平穩(wěn)的姿態(tài)是必不可少的。海翼航行器的6個電機賦予了它遠超一般航行器的靈活性，同時也令其實現(xiàn)了水面滑行、垂直下潛、懸停等一般航行器難以實現(xiàn)的動作，在魚群監(jiān)察、地質勘探等方面有巨大的應用前景。利用mpu9250模塊對運動姿態(tài)進行解算，結合四個縱向電機，使得海翼航行器有極強的自穩(wěn)定性。照相、圖像回傳等功能更好地幫助使用者探索海洋、完成水下作業(yè)。并且，充足的動力以及豐富的預留接口使海翼航行器能搭載多種不同的附加模塊，滿足各種水下作業(yè)的需求。

二、國內外研究現(xiàn)狀

全世界ROV的型號在270 種以上， 超過400家廠商提供各種ROV整機、零部件以及ROV服務。小型ROV的質量僅幾千克， 大型的超過20 t， 其作業(yè)深度可達10 000 m以上。在ROV技術研究方面，美國、加拿大、英國、法國、德國、意大利、俄羅斯、日本等國處于領先地位。

由于在探測技術、工藝水平、導航與定位等技術上與國外存在較大差距以及國內需求較少， 國產(chǎn)ROV并不多， 從事應用型ROV產(chǎn)品開發(fā)的公司較少。國內ROV用戶絕大部分使用進口產(chǎn)品， 不僅價格高、配套服務難， 而且有些產(chǎn)品并不適合中國海區(qū)的使用特點， 機動性、抗流能力及作業(yè)能力都顯不足。因此， 隨著我國海洋開發(fā)事業(yè)的發(fā)展和不斷增長的市場需求， 開發(fā)研制適合我國使用需求的ROV就顯得十分必要和緊迫。

三、項目特點

1）海翼航行器6個電機結構的設計賦予了它遠超一般航行器的靈活性，同時也令其實現(xiàn)了水面滑行、垂直下潛、懸停等一般航行器難以實現(xiàn)的動作，在魚群監(jiān)察、地質勘探等方面有巨大的應用前景。

2）利用mpu9250模塊對運動姿態(tài)進行解算，結合四個縱向電機，使得海翼航行器有極強的自穩(wěn)定性。

3）照相、圖像回傳等功能更好地幫助使用者探索海洋、完成水下作業(yè)。

4）海翼航行器具有良好的穩(wěn)定性，添加了一款可實現(xiàn)抓取功能的機械臂。

5）本項目擬在亞克力半球罩內加裝一基于樹莓派3B+的攝像頭，在獲取圖像的同時對其進行相應處理，使其能實現(xiàn)目標追蹤，自主夾取等功能。

6）航行器兩側翼的設計，仿照戰(zhàn)斗機機翼的外型，設計為厚度較薄，翼面較大的翼型，可以減小水平方向上受到的阻力，提高推進速度，并增強航行器的穩(wěn)定性。

四、技術路線

（一）整體設計

海翼航行器擁有六個電機，左右兩個軸向電機是其主要推進動力來源，四個縱向電機能使其實現(xiàn)諸如改變俯仰角、垂直升降、懸浮等動作，這也使得海翼航行器能在水中靈活的游動。同時，兩翼間的減震彈簧能有效的降低主艙的抖動，使得攝像頭獲取到的圖像更加清晰。掛載的mpu9250模塊能實時獲取海翼航行器在水中的姿態(tài)，通過PID等算法控制四個縱向電機，使得其在水中的運動姿態(tài)更加平穩(wěn)。

4.1.1海翼航行器的外型設計

航行器兩側翼的設計，仿照戰(zhàn)斗機機翼的外型，并考慮到在水下航行的一些特點，設計出厚度較薄，翼面較大的翼型。通過固定件和螺栓固定在亞克力桶兩側，在水平方向上可以減小阻力，提高推進速度;增加自身的浮力和在水中豎直方向上受到的阻力，增強航行器的穩(wěn)定性。

4.1.2防水及穩(wěn)定性設計

利用亞克力桶很好的防水性，把各種電子元器件封裝在桶內，電線通過桶后的插線螺絲引出，再用防水膠密封，具有良好的防水性。同時，利用亞克力桶自身較高的強度和剛度，把各種動力裝置通過固定件固定在亞克力桶上，保證了動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.1.3運動設計

為了使航行器能夠輕松的完成上浮、下潛動作，在航行器的兩側，對稱安裝四個螺旋槳，每個螺旋槳可產(chǎn)生20N的推力。在航行器翼的遠端對稱安裝兩個水平放置的螺旋槳，用來提供水平推動力，在轉向時也可以通過兩個電機差速或者一正一反轉動，使轉向更靈活，轉彎半徑更小，提高其運動性能。

4.1.4機械臂設計

利用仿生海龜航行器較穩(wěn)定的性質，并且增加航行器的功能，設計了一個能夠完成水下抓取的機械臂;機械臂由三個舵機、鈑金件、機械爪構成。三個舵機一個控制機械臂在豎直平面轉動，不用的時候可以收在航行器下部，需要抓取時，擺動到前面;另一個舵機控制機械爪的左右轉動，可以減少調整航行器的姿態(tài)就可以完成抓取;最后一個舵機控制機械爪的開合，實現(xiàn)抓取動作。通過控制三個舵機，可以完成一定的抓取動作。

（二）硬件設計

硬件設計方面主要包括電源管理、電路板設計、主控單元設計及模塊化實現(xiàn)等任務。

4.2.1電源管理

海翼航行器采用3個3S、12V電壓、5300mAh大容量電池，在保持作品各個功能順利實現(xiàn)的同時，能夠保證我們的作品的水下連續(xù)工作40分鐘以上;同時，電源管理板能夠有條理的將12V供電電壓降至各個模塊及部件的正常工作電壓。在電源管理板上采用多級降壓的降壓模式，使電壓更為穩(wěn)定，并在為主控芯片、電機、模塊等供電的同時，我們采取了一些的電源保護措施，不僅能夠使相應的模塊正常工作，而且能保證在漏水等事故發(fā)生時，防止內部構件發(fā)生燒毀而產(chǎn)生的不可修復的后果。

4.2.2電路板設計

我們根據(jù)海翼航行器的一些性能要求以及模塊管理等需求已自行完成電路板設計。電路板設計中，在滿足作品各個部件及模塊正常工作的條件下分別對各個模塊添加了相應的保護部件，如保險絲、限流管等;并為實現(xiàn)模塊化設計，預留了充足的模塊化接口，如串口、IIC、SPI等通訊協(xié)議的接口;同時，在這些功能實現(xiàn)的基礎上，盡可能的縮小電路板大小，為防水艙內其他部件或預留了充足的空間。

4.2.3主控單元設計

我們采用STM32F103ZET6芯片作為我們產(chǎn)品的主控芯片，該系列芯片的工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達512K字節(jié)的內存和64K字節(jié)的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯(lián)結到兩條APB總線的外設。同時，芯片具有3個12位的ADC、4個通用16位定時器，還包含標準和先進的通訊接口：多達2個IIC接口、3個SPI接口、2個IIS接口、1個SDIO接口、5個USART接口、1個USB接口和1個CAN接口。

在主控芯片設計中，使用了多個USART串口接口，來進行上位機與主控機的通訊并實時返回產(chǎn)品的工作過程中獲得的數(shù)據(jù)參數(shù)，以及多產(chǎn)品之間的聯(lián)動及合作。多個4通道定時器為產(chǎn)生多路PWM做出了保障，并實現(xiàn)了對電機速度的控制。各種不同的通訊接口以及不同的外設為中控芯片搭載不同模塊以及實現(xiàn)不同功能做了充足的準備。

4.2.4通訊實現(xiàn)

通訊模塊采用SX1278無線模塊，該模塊采用LoRa遠程調制解調器，可以超長距離擴頻通訊，抗干擾性強，能夠最大限度的降低電流消耗。同時此模塊是具有多對多通訊，在對每個模塊設置各自的ID，以不同的ID來在多對多通訊的同時實現(xiàn)一對多或一對一的通訊實現(xiàn)，不僅能使實時返回的數(shù)據(jù)傳輸距離大大提高，也能更好的完成多產(chǎn)品協(xié)作或多端控制等功能的實現(xiàn)。

4.2.5姿態(tài)控制

姿態(tài)控制需要使用MPU9250姿態(tài)傳感器模塊來對我們產(chǎn)品在水下的姿態(tài)解析。MPU9250模塊是JY-901系列模塊并集成高精度的陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器，采用高性能的微處理器和先進的動力學解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當前的實時運動姿態(tài)，同時采用先進的數(shù)字濾波技術，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。MPU9250與主控芯片的通訊采用IIC的通訊方式，并且支持全速400K速率，能夠實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交換。在主控板得到當前的姿態(tài)角度后，通過對當前三個姿態(tài)角的分析，來對產(chǎn)品的電機進行控制，保持產(chǎn)品的運動姿態(tài)進而實現(xiàn)對其姿態(tài)的實時調整。

作者簡介：

魏宏凱（1998—），男，漢族，新疆呼圖壁縣芳草湖鎮(zhèn)人，學生，本科在讀，單位：西北工業(yè)大學，研究方向：無。