韓旭，呂良良，何昆鵬

1.海軍湛江航保廠，廣東湛江524002

2.哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

目前傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測系統(tǒng)主要有水面浮標(biāo)、潛標(biāo)、水面調(diào)查船以及水下機(jī)器人等[1]，但是由于海洋環(huán)境的多樣性，這些傳統(tǒng)的監(jiān)測方案無法滿足各種各樣的需求。比如：水面浮標(biāo)與潛標(biāo)在使用過程中位置往往比較固定，在監(jiān)測大范圍海洋環(huán)境時(shí)無法靈活移動(dòng)；水面調(diào)查船在工作時(shí)其機(jī)動(dòng)性很好，可以滿足靈活監(jiān)測大范圍海洋環(huán)境的任務(wù)，但是調(diào)查船在工作的過程中需要耗費(fèi)大量的人力和物力，監(jiān)測費(fèi)用比較昂貴；水下機(jī)器人在海洋環(huán)境中比較靈活，監(jiān)測范圍大，但由于它在水下活動(dòng)，對通訊、能源供應(yīng)方面要求比較高，無法長時(shí)間工作，并且完成遠(yuǎn)距離通信比較困難。因此這些傳統(tǒng)的監(jiān)測方案存在諸多弊端。無法滿足多個(gè)領(lǐng)域的海洋環(huán)境監(jiān)測需求。

本設(shè)計(jì)針對海洋監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、靈活性強(qiáng)、成本低、通訊方便等要求[2]，設(shè)計(jì)了一款以水面浮臺為中轉(zhuǎn)中心，通過光纖電纜連接水下機(jī)器人共同作業(yè)的海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備。解決當(dāng)前傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備使用復(fù)雜、無法遠(yuǎn)距離通信、作業(yè)昂貴、無法長時(shí)間工作等問題。

1 海洋環(huán)境檢測平臺總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測平臺主要任務(wù)有：1）水下機(jī)器人通過模擬攝像頭采集水下視頻監(jiān)控信號，并通過光纖收發(fā)器傳輸至水面浮臺；2）水面浮臺通過光纖收發(fā)器與水下機(jī)器人之間進(jìn)行通信，傳輸控制指令以及水下參數(shù)；3）水面浮臺通過無線模塊與地面控制站進(jìn)行通信，接收控制站發(fā)送的控制信號，并將水下傳回的視頻信號與數(shù)據(jù)發(fā)送至地面控制站；4）水下機(jī)器人通過深度計(jì)采集水下機(jī)器人深度信息，并通過光纖收發(fā)器傳回水面浮臺。

根據(jù)任務(wù)要求。按照結(jié)構(gòu)可將系統(tǒng)分為水面浮臺、水下機(jī)器人、地面控制站3個(gè)部分，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 海洋監(jiān)測系統(tǒng)整體構(gòu)成

2 水面浮臺設(shè)計(jì)

2.1 水面浮臺總體設(shè)計(jì)

水面浮臺由浮臺主體、供電單元、通信單元構(gòu)成。

1）浮臺主體：工作于水面，主要用于安裝水面浮臺供電單元以及通信電路板，并為水面浮臺提供浮力；2）供電單元：為水面浮臺與水下機(jī)器人進(jìn)行能源供應(yīng)；3）通信單元：作為中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，連接地面控制站與水下機(jī)器人端，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)互換[3]。以下詳細(xì)說明。

2.1.1 水面浮臺主體設(shè)計(jì)

水面浮臺工作于水面，在水面的穩(wěn)定十分重要?？紤]到水面浮臺受到的浮力必須滿足載體自身重量與供電系統(tǒng)重量。并且還要考慮到波浪的干擾，需要提高浮臺的隨波性。水面浮臺外形結(jié)構(gòu)最終決定設(shè)計(jì)成直徑為800mm的圓球形狀[4]。平臺主體采用碳纖維和玻璃纖維復(fù)合制成，相比于傳統(tǒng)的浮塔采用的金屬材料，具有重量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、隨波性好等特點(diǎn)。圖2為水面浮臺三維結(jié)構(gòu)。

2.1.2 水面浮臺供電系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)中水面浮臺與水下機(jī)器人分別在水面和水下工作，水下機(jī)器人的能源供應(yīng)尤為重要，本系統(tǒng)中能源供應(yīng)全部由水面浮臺提供，它使用蓄電池加太陽能的方式為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)供電。蓄電池組安裝在浮臺中心底部，在夜里為監(jiān)測系統(tǒng)提供電能；當(dāng)系統(tǒng)工作在陽光充裕的場景下時(shí)，太陽能起主導(dǎo)作用，太陽能電池板安裝在水面浮臺六棱臺上，上邊的蓋罩選用透明材料，使得太陽能板光照充足。其為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)提供電能的同時(shí)，并為蓄電池進(jìn)行充電，使整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)無論是白天或者夜晚都可正常工作，提高了設(shè)備的工作效率。圖3為監(jiān)測平臺整體供電設(shè)計(jì)。

圖3 水面浮臺供電系統(tǒng)

圖2 水面浮臺三維結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的電池采用2個(gè)12V·200Ah串聯(lián)組成24V·200Ah的電池組，太陽能選用6塊12V·20W板組成太陽能組[5]，聯(lián)合使用構(gòu)成整個(gè)供電系統(tǒng)。根據(jù)太陽能的轉(zhuǎn)換效率，按照單獨(dú)使用太陽能計(jì)算，每天光照8h左右，產(chǎn)能為：

監(jiān)測系統(tǒng)使用平均功耗在200W左右，每天按24h使用，每天耗能為：

當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)能源供應(yīng)全部采用蓄電池供給時(shí)，在蓄電池組一次完全充電的情況下，系統(tǒng)可以使用的時(shí)長為：

在正常條件下，可以使平臺工作達(dá)到連續(xù)2d左右。

2.1.3 水面浮臺通信單元

水面浮臺通信單元主要包括光纖收發(fā)器、無線通訊模塊以及傳感器等。無線模塊用于水面浮臺和地面控制站之間的通信；光纖收發(fā)器將無線模塊接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為光信號傳輸給水下機(jī)器人，同時(shí)將機(jī)器人回傳的光信號轉(zhuǎn)換給無線模塊發(fā)給移動(dòng)控制端；傳感器用于采集檢測信息。圖4為水面浮臺信號走向。

圖4 水面浮臺信號走向

2.2 水面浮臺硬件設(shè)計(jì)

水面浮臺主要完成任務(wù)有3個(gè)：一是接收無線WIFI信號發(fā)送的控制指令，并解析出來，發(fā)送給水下機(jī)器人；二是接受水下機(jī)器人的監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過WIFI信號發(fā)送出去；三是通過音視頻發(fā)射機(jī)將水下機(jī)器人拍攝的視頻發(fā)送出去[6]。水面浮臺硬件組成如圖5所示，主要包括主控最小系統(tǒng)電路、WIFI模塊等。

圖5 水面浮臺硬件組成

2.2.1 主控最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主控采用意法半導(dǎo)體公司（ST）發(fā)布的STM32F407VET6，基于Cortex-M4的RISC微處理器，主頻可以達(dá)到168MHz，該內(nèi)核是ARM公司設(shè)計(jì)的一個(gè)處理器架構(gòu)。最小系統(tǒng)主要包含主控芯片、供電單元、晶振單元、復(fù)位單元以及仿真接口等。

2.2.2 無線傳輸電路設(shè)計(jì)

水面浮臺與地面控制站之間的無線信號傳輸采用的模塊為ESP8266，通過自帶的TTL串口與主控系統(tǒng)進(jìn)行通信，控制信號與電源信號只需要與主控芯片進(jìn)行簡單的互聯(lián)即可使用。如圖6所示。

圖6 ESP8266模塊電路

2.3 水面浮臺軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 水面浮臺主控程序設(shè)計(jì)

水面浮臺主要完成整個(gè)系統(tǒng)供電任務(wù)以及中轉(zhuǎn)通信任務(wù)，程序設(shè)計(jì)是在Keil集成環(huán)境下使用C語言編寫，編譯、調(diào)試后下載至水面浮臺主控板中，水面浮臺軟件工作流程如圖7所示。

圖7 水面浮臺軟件執(zhí)行流程

水面浮臺根據(jù)所需完成的任務(wù)在軟件中設(shè)計(jì)。首先單片機(jī)檢測無線模塊串口數(shù)據(jù)，如果檢測到控制信號后，將控制信號進(jìn)行解析發(fā)送給光纖收發(fā)器，并傳輸?shù)剿聶C(jī)器人端進(jìn)行電機(jī)控制；其次要檢測光纖收發(fā)器是否接收到水下機(jī)器人傳輸?shù)膫鞲衅餍畔?，?dāng)檢測到有數(shù)據(jù)接收時(shí)，將其轉(zhuǎn)發(fā)至無線單元，并發(fā)送至地面控制站實(shí)時(shí)顯示。

2.3.2 無線模塊配置

水面浮臺需要完成的一個(gè)主要功能是采集移動(dòng)控制端發(fā)送的控制指令并將其解析發(fā)送至水下機(jī)器人。系統(tǒng)使用ATK?ESP8266模塊進(jìn)行無線通信，其配置流程如圖8所示。

圖8 wifi配置流程

3 水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1 水下機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人系統(tǒng)主要構(gòu)成有水下機(jī)器人骨架、密封艙體、控制單元以及推進(jìn)器[7]。各模塊功能如下。

水下機(jī)器人骨架用于固定密封艙，推進(jìn)器以及其他水下信息采集模塊；密封艙體主要用于保護(hù)電子元器件；控制單元其中包括光纖收發(fā)器、模擬攝像頭模塊、主控板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、傳感器信息采集板等，主要是用于解析控制端的控制指令，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器動(dòng)作，采集視頻、傳感器信號等；推進(jìn)器用于機(jī)器人上下、左右、橫搖、縱搖控制，拖動(dòng)水面浮臺運(yùn)動(dòng)。

3.1.1 水下機(jī)器人骨架設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人骨架主要是用來固定密封艙體、推進(jìn)器等部件[8]。為了給水下機(jī)器人提供浮力，骨架上預(yù)留開口，在調(diào)節(jié)浮力過程中安裝浮力塊與配重塊。為了使水下機(jī)器人本體設(shè)計(jì)更加輕巧，水下機(jī)器人本體選用耐腐蝕性的聚丙烯材料，多余的部分采用鏤空設(shè)計(jì)，使得本體重量更輕。設(shè)計(jì)過程中，專門預(yù)留了傳感器安裝孔，并為電纜走線預(yù)設(shè)了空間。機(jī)器人框架如圖9所示。

圖9 水下機(jī)器人框架

3.1.2 密封艙設(shè)計(jì)

密封艙設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中最重要的主題之一，因?yàn)槊芊馀撌撬聶C(jī)器人的核心，其內(nèi)部的電子元件必須得到很好的保護(hù)。主要電子元器件安裝在外徑為110mm、長度為300mm的丙烯酸管中。前端做成半球狀端蓋減少水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的阻力，并為相機(jī)拍攝提供空間；另外一端端蓋由鋁合金材料制成，它有8個(gè)直徑為10mm、深度為10mm的孔，用于安裝水密接插件，所有內(nèi)部電子元器件與推進(jìn)器以及電源之間的連接都通過這些水密接插件完成。

關(guān)于密封艙的防水采用硅膠片和O型圈一起使用來進(jìn)行端蓋防水處理[9]，在電子倉與端蓋之間形成緊密密封。

3.1.3 推進(jìn)器布局

在水下機(jī)器人控制過程中，有多個(gè)自由度的控制，根據(jù)水下機(jī)器人自由度要求不同，所選用的推進(jìn)器數(shù)量也不同[10]。所設(shè)水下機(jī)器人以升潛為主，在浮臺工作時(shí)穩(wěn)定平臺位置；在移動(dòng)過程中，利用水平配置的推進(jìn)器使平臺快速到達(dá)指定目標(biāo)區(qū)域。所設(shè)機(jī)器人采用6個(gè)推進(jìn)器推動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，其中4個(gè)負(fù)責(zé)垂直運(yùn)動(dòng)，另外2個(gè)負(fù)責(zé)水平運(yùn)動(dòng)。這種配置使ROV具有進(jìn)退、轉(zhuǎn)向、潛伏3個(gè)自由度。推進(jìn)器布局如圖10所示。

圖10 推進(jìn)器布局

3.1.4 控制單元設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人控制單元控制芯片同樣采用STM32F407VET6[11]，其主頻可達(dá)168MHz，具有豐富的存儲單元和外設(shè)接口資源、基于寄存器的讀寫操作、精簡指令集和浮點(diǎn)運(yùn)算單元、片內(nèi)高速A/D轉(zhuǎn)換器等眾多資源，可以完成快速實(shí)時(shí)通信等。主要完成任務(wù)如下：1）解析水面浮臺發(fā)送的控制信號，將其轉(zhuǎn)換為推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)模塊可識別的信號；2）采集深度計(jì)反饋的壓力信息并將其轉(zhuǎn)換為深度信號。圖11所示為水下機(jī)器人信號流程。

圖11 水下機(jī)器人信號流程

3.2 水下機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集板最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集電路需要具備可擴(kuò)展性和豐富的外設(shè)資源等特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采集電路的主控芯片采用FPGA芯片。型號為EP3C10E144I7。

3.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用兩塊BTN7971芯片構(gòu)成的全橋電路，如圖12所示。

圖12 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

芯片的引腳INH為啟動(dòng)引腳，當(dāng)IN引腳為高電平時(shí)高邊MOS管導(dǎo)通，IN引腳為低電平時(shí)低邊MOS管導(dǎo)通。

3.2.3 水深檢測單元電路設(shè)計(jì)

MS8503?1BA傳感器模塊包括壓力傳感元件和低功耗的24位ADC壓力模塊，水深測量分辨率優(yōu)達(dá)2mm，最高可測量300m水深。I2C通信協(xié)議與主控通信供電電壓1.5~3.6V。連接電路如圖13所示。

圖13 MS5803傳感器連接電路

3.3 水下機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 控制程序設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人主要完成傳感器信息采集、解析控制指令、推進(jìn)器控制以及視頻信號的采集等任務(wù)。其代碼也是在Keil環(huán)境下使用C語言編寫。編譯、調(diào)試后下載至水下機(jī)器人主控板中執(zhí)行，水下機(jī)器人軟件執(zhí)行流程圖如圖14所示。

圖14 水下機(jī)器人軟件執(zhí)行流程

主控在定時(shí)器的作用下，間隔20ms讀取一次深度數(shù)據(jù)以及姿態(tài)信息，并通過串口2將采集到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給光纖收發(fā)器的485接口，發(fā)送給水面浮臺系統(tǒng)；同時(shí)通過串口1從光纖收發(fā)器485接口接收上位機(jī)發(fā)送過來的控制指令信息；然后將接收到的控制指令解析出來，根據(jù)控制指令來控制推進(jìn)器進(jìn)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、升潛等動(dòng)作。視頻信號經(jīng)過攝像頭采集后直接通過光纖收發(fā)器的模擬接口接到光纖收發(fā)器上，轉(zhuǎn)換成光信號后通過光纖通信發(fā)送之水面浮臺進(jìn)行通信，不需要再編寫特定的解碼指令來傳輸視頻信號，便于進(jìn)行視頻監(jiān)控操作。

3.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是基于脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速方式控制來控制推進(jìn)器，靈活方便，控制精度高。通過定時(shí)器設(shè)置，對方波的占空比進(jìn)行調(diào)制解析。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM控制原理是通過脈寬調(diào)制加上一些儲能元件組成一起使用。通過控制輸出電壓的幅值來起到控制電機(jī)速度的目的，它的調(diào)制方式是調(diào)幅。主要根據(jù)占空比大小來控制直流電機(jī)兩端的平均電壓值來控制電機(jī)。根據(jù)H橋電路模型，調(diào)節(jié)經(jīng)過電機(jī)的電流方向來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)向。PWM初始化流程如圖15所示。

圖15 PWM初始化流程

根據(jù)串口接收到的控制指令，調(diào)節(jié)PWM占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，整個(gè)控制流程如圖16所示。

圖16 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制流程

3.3.3 傳感器采集設(shè)計(jì)

深度計(jì)采集程序使用I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集流程如圖17所示。

圖17 深度計(jì)采集流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)的水下觀測、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等性能，在水池對系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖18所示。水池長50m、寬30m，水深10m，水池內(nèi)域情況良好。在完成水池試驗(yàn)后，進(jìn)行了海試實(shí)驗(yàn)。

圖18 水下拍攝圖片

4.1 下潛拍攝實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證水下機(jī)器人水下監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，進(jìn)行了水下潛伏拍攝實(shí)驗(yàn)。通過上位機(jī)發(fā)送下潛指令，操控升降電機(jī)工作，使水下機(jī)器人進(jìn)行下潛動(dòng)作，在下潛的過程中進(jìn)行拍攝任務(wù)。

4.2 擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證監(jiān)測平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)類型的全面性，進(jìn)行擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集板通過搭載不同的傳感器，對海域相應(yīng)信息進(jìn)行監(jiān)測。本次實(shí)驗(yàn)通過水面浮臺擴(kuò)展波浪測量儀器設(shè)備對某海域的波浪高度進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測現(xiàn)場如圖19所示。實(shí)驗(yàn)用到的波浪測量儀器是一款基于石英陀螺與加速度計(jì)所設(shè)計(jì)的波浪運(yùn)動(dòng)參數(shù)測量系統(tǒng)，通過計(jì)算得到波浪高度數(shù)據(jù)，波浪測量儀器如圖20所示。

圖19 波浪監(jiān)測現(xiàn)場

圖20 波浪測量儀器

圖21為實(shí)驗(yàn)所取得的海浪參數(shù)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可知，該海域平均浪高在20cm左右。

圖21 波浪高度與頻譜分析

該實(shí)驗(yàn)表明本課題所設(shè)計(jì)的小型海洋環(huán)境監(jiān)測平臺具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性能，針對不同的監(jiān)測領(lǐng)域，該設(shè)備可搭載不同的傳感器去進(jìn)行監(jiān)測工作，并將所需的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以水面浮臺為中心，聯(lián)合水下機(jī)器人的海洋監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)局部海洋環(huán)境的信息監(jiān)測功能，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）所設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)解決了當(dāng)前監(jiān)測設(shè)備無法長時(shí)間工作的問題，使得系統(tǒng)具有長航時(shí)功能；

2）水面浮臺與水下機(jī)器人之間運(yùn)用光纖收發(fā)器進(jìn)行通信，降低了水下信號傳輸成本，解決了在水中信息傳輸不便的問題；

3）由于水下機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性，使得該監(jiān)測設(shè)備可靈活的實(shí)施大范圍監(jiān)測。