吳海洲 王慧 黃瑞桂 鄒子?xùn)| 楊華鑫 嚴(yán)謹(jǐn) 陳春雷

摘? ?要：文章結(jié)合四軸飛行器運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)制作了一種對(duì)網(wǎng)箱養(yǎng)殖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的十字式球形網(wǎng)箱機(jī)器人系統(tǒng)。該網(wǎng)箱機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由Web網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)、通信中繼和水下球形機(jī)器人構(gòu)成。用戶可隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)登錄Web網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，可通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)獲得水下實(shí)時(shí)高清視頻和各個(gè)水質(zhì)數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)人工網(wǎng)箱水質(zhì)檢測(cè)，該機(jī)器人不僅操作簡(jiǎn)單、水下運(yùn)動(dòng)靈活、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和性能，而且可以動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到水下養(yǎng)殖環(huán)境的變化，制作成本低廉。還可用于海洋科考或軍事領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：十字式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng);球形水下機(jī)器人;實(shí)時(shí)傳輸;深水網(wǎng)箱;PID控制

隨著海洋資源開(kāi)發(fā)的深入，水下機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。水下機(jī)器人作為人類(lèi)探索深海環(huán)境的主要工具，具有機(jī)動(dòng)性能好、可操作性強(qiáng)、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)受到各國(guó)的重視，近年在海洋資源開(kāi)發(fā)、深海探測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用[1-2]。而深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖資源開(kāi)發(fā)正是水下機(jī)器人大放光彩的舞臺(tái)，深水型網(wǎng)箱（圍網(wǎng)）養(yǎng)殖是我國(guó)對(duì)深遠(yuǎn)海水體資源利用的重要途徑，同時(shí)，也是實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)均衡可持續(xù)發(fā)展的方向[3]。深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖不僅節(jié)約了養(yǎng)殖資源，還獲得了較高的產(chǎn)出[4]，但由于多變的海洋氣候，使得網(wǎng)箱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集尤為重要。

雖然海洋資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，但事實(shí)上，目前，市場(chǎng)上一些水下機(jī)器人，大多都是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械加工與防水工藝的處理組裝而成，不僅使用場(chǎng)合受限、可拓展性不強(qiáng)，而且功能單一，只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的水下任務(wù)[5]。而本球型水下機(jī)器人（Spherical Underwater Robot，SUR）創(chuàng)新性地采用ARM框架下Cortex-M3芯片的STM32單片機(jī)和Cortex-A5系列的Raspberry 3B+（樹(shù)莓派3B+）單片機(jī)將機(jī)器人計(jì)算模塊和運(yùn)動(dòng)模塊分開(kāi)，同時(shí)采用了十字式球形運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更為靈活。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單化、操作簡(jiǎn)單化，使其適應(yīng)水下環(huán)境的能力大大增加，為網(wǎng)箱養(yǎng)殖作業(yè)打下便捷、適用的基礎(chǔ)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信號(hào)和視頻推流通過(guò)通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)手機(jī)瀏覽器或PC網(wǎng)頁(yè)端直接登錄Web網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)遠(yuǎn)程顯示。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示使得網(wǎng)箱管理者可直接觀察水下環(huán)境，大大降低人員操作復(fù)雜度、方便養(yǎng)殖管理。

1? ? 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

如圖1所示，該球形水下機(jī)器人按其功能結(jié)構(gòu)可劃分為上層的Web網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)（也可發(fā)布至云端或數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)）、指令信號(hào)和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)模塊—通信中繼、網(wǎng)箱內(nèi)部作業(yè)的球形水下機(jī)器人。這3個(gè)部分共同組成整個(gè)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)的水下機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)框架。

該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)信息采集、處理和反饋以及接收并運(yùn)行Web網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令，實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻。水下機(jī)器人使用Raspberry 3B+負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)上傳傳感器數(shù)據(jù)信息，視頻推流和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)反饋的狀態(tài)信息。通信中繼負(fù)責(zé)接收水下機(jī)器人上傳的數(shù)據(jù)并將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)。其中控制指令信號(hào)通過(guò)無(wú)線路由局域網(wǎng)傳輸給Raspberry 3B+（樹(shù)莓派3B+），樹(shù)莓派接收指令，整合傳感器信息，然后通過(guò)串口通信對(duì)STM32單片機(jī)發(fā)布運(yùn)動(dòng)指令，STM32接收到指令信息后，直接通過(guò)TTL電平來(lái)驅(qū)動(dòng)底層電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2? ? 十字式球形運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

球形水下機(jī)器人是一種將控制系統(tǒng)和電源模塊等都包含在一個(gè)球形殼內(nèi)的水下機(jī)器人系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)特殊，相比其他機(jī)器人有很大的優(yōu)勢(shì)：（l）耐壓性能好，相比起其他形狀的機(jī)器人，球體完美的圓形設(shè)計(jì)能均勻地承受水下巨大的壓力。（2）流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算無(wú)耦合，其外形的對(duì)稱(chēng)性使其進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)建模時(shí)沒(méi)有耦合項(xiàng)。（3）外殼全封閉，易于密封防水。所有控制電路電源設(shè)備均封閉于球殼內(nèi)部，能夠來(lái)去自如，不會(huì)發(fā)生短路或?qū)Ь€掛擦等問(wèn)題。（4）其運(yùn)動(dòng)不會(huì)破壞網(wǎng)衣，不會(huì)傷害水中生物體。因此，相比傳統(tǒng)水下機(jī)器人，十字式水下球形機(jī)器人更適合深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖作業(yè)的機(jī)器人，它的運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)行效率高、節(jié)約能源，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，作業(yè)范圍廣泛，容易布放與回收，還可以充當(dāng)偵察設(shè)備與通信系統(tǒng)的載體，執(zhí)行人類(lèi)無(wú)法完成的近海域多種作業(yè)任務(wù)。

（1）設(shè)計(jì)的“十字式”球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示，機(jī)器人的機(jī)體是呈現(xiàn)“十”字，4個(gè)螺旋槳固定在機(jī)器人機(jī)身上，4個(gè)電機(jī)使用同類(lèi)型同型號(hào)，但螺旋槳不同。電機(jī)1號(hào)和3號(hào)為一對(duì)相同的正漿，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)2號(hào)和4號(hào)是一對(duì)相同的反漿，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這種正反漿相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，抵消了螺旋槳相互產(chǎn)生的反扭力，很大程度上簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于這樣的十字式結(jié)構(gòu)可以提供更多的上浮下沉的推動(dòng)力，非常符合深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的需求，相對(duì)其他類(lèi)型機(jī)器人，這種類(lèi)型機(jī)器人更適用于深水網(wǎng)箱的養(yǎng)殖環(huán)境。

（2）水下機(jī)器人通過(guò)運(yùn)用4個(gè)電機(jī)的速度差來(lái)改變位置、姿態(tài)等，是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)輸入一個(gè)上升力和3個(gè)扭矩實(shí)現(xiàn)。球形機(jī)器人在空間中具有6個(gè)自由度，可以在3個(gè)坐標(biāo)軸方向上做直線運(yùn)動(dòng)，也可以進(jìn)行坐標(biāo)軸方向角運(yùn)動(dòng)[6]。

（3）如圖2所示，機(jī)器人機(jī)身和外殼設(shè)計(jì)均采用SolidWorks2016軟件進(jìn)行三維視圖建模繪，使用高精度的3D打印機(jī)聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）環(huán)保材料制作。PLA的生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，是理想的綠色高分子材料[7]。

由于考慮到球形機(jī)器人應(yīng)用在深水網(wǎng)箱中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)身球形結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示。

（4）比例、積分、微分（Proportion， Integral， Differential，PID）閉環(huán)姿勢(shì)調(diào)整。比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式，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(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。原因是存在較大慣性環(huán)節(jié)（如水波影響）或滯后單元（如通信設(shè)備的延遲），它們具有抑制誤差的作用，即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。

如圖5所示，通過(guò)PID閉環(huán)控制來(lái)調(diào)整球形機(jī)器人。本設(shè)計(jì)利用水深傳感器，MPU6050姿勢(shì)傳感器等進(jìn)行PID閉環(huán)控制，達(dá)到調(diào)整水下機(jī)器人平衡目的。以樹(shù)莓派為服務(wù)器，網(wǎng)頁(yè)控制命令通過(guò)樹(shù)莓派串口轉(zhuǎn)發(fā)至STM32，STM32接收命令后，通過(guò)指令控制基本運(yùn)動(dòng)過(guò)程。STM32讀取水深傳感器、姿勢(shì)傳感器等數(shù)據(jù)，通過(guò)處理后，再調(diào)整機(jī)器人機(jī)身運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)器人的平衡。

3? ? 主艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)球型機(jī)器人機(jī)身中間部分為控制主艙系統(tǒng)，是機(jī)器人的核心位置，放置著控制電路板，系統(tǒng)內(nèi)核芯片方面選用了Raspberry 3B+和STM32這兩款A(yù)RM芯片系列。Raspberry，內(nèi)核：ARM系列Cortex-A5，最高工作頻率為1.2 GHz，STM32為ARM32位Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz。如此設(shè)計(jì)將機(jī)器人計(jì)算模塊和運(yùn)動(dòng)模塊分開(kāi)，樹(shù)莓派負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、視頻推流、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化處理、LAMP服務(wù)器搭建和串口發(fā)送，保證了機(jī)器人數(shù)據(jù)信息采集，視頻推流，遠(yuǎn)程登錄。STM32負(fù)責(zé)串口接收、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、舵機(jī)和云臺(tái)、保證機(jī)器人底層運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)、可靠、靈活度高、成本低。如圖6所示，兩款單片機(jī)緊密結(jié)合，各有分工，發(fā)揮出優(yōu)越的性能。

由于主艙是水下機(jī)器人的主體部分，考慮電路防水問(wèn)題，該設(shè)計(jì)采用亞克力管和防水膠結(jié)合使用，該設(shè)計(jì)保證能夠達(dá)到防水功能。并且為了盡量減少球形體積，用4個(gè)螺旋槳通水管道對(duì)亞克力管進(jìn)行固定。

4? ? 視頻推流和傳感器數(shù)據(jù)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境的信息采集包括視頻圖像和傳感器數(shù)據(jù)的采集，視頻圖像數(shù)據(jù)采集采用高清Logitch攝像頭，如圖7和圖8所示。結(jié)合高清亞克力板和舵機(jī)云臺(tái)，舵機(jī)云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)180°的角度變換，調(diào)節(jié)機(jī)器人自身6個(gè)自由度變換，基本滿足水下180°全方位攝像需求。機(jī)器人通過(guò)攝像頭進(jìn)行水下拍攝，再通過(guò)有線方式實(shí)時(shí)地把信號(hào)傳輸?shù)酵ㄐ胖欣^。能夠在攝像頭拍攝水下養(yǎng)殖生物的生長(zhǎng)情況的同時(shí)，進(jìn)行圖像處理，使得用戶可實(shí)時(shí)對(duì)水下環(huán)境和水下養(yǎng)殖生物進(jìn)行觀察。

水下機(jī)器人搭載了多種傳感器，例如水深、姿勢(shì)調(diào)整等傳感器。此類(lèi)傳感器經(jīng)過(guò)STM32單片機(jī)系列芯片處理后，使用485通信技術(shù)配合串口通信和Socket通信，把實(shí)時(shí)的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。通過(guò)使用Python圖像處理后，可直接在網(wǎng)頁(yè)顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)圖像，避免了以往的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)上傳，并可直觀看到水下環(huán)境參數(shù)的變化，方便管理者對(duì)水下環(huán)境進(jìn)行判斷和管理。

5? ? 通信中繼

深海網(wǎng)箱是隔離海岸，不適合水下機(jī)器人遠(yuǎn)距離長(zhǎng)線控制，但是視頻信號(hào)由于水層的隔絕很難通過(guò)局域網(wǎng)方式進(jìn)行傳輸，所以使用了通信中繼，實(shí)現(xiàn)了水下有線連接，水上無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的方式，既實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸，又保證了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量，特別是高清水下圖像的質(zhì)量。

通信中繼工作在水面上或者固定在網(wǎng)箱支架上面，由電池、電力載波與路由中繼等模塊組成。主要完成網(wǎng)箱內(nèi)水下機(jī)器人和遠(yuǎn)程網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)間通信的信號(hào)中繼與數(shù)據(jù)傳輸。如圖9所示，水下機(jī)器人內(nèi)部的電力載波模塊將水下影像等信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)零浮力線連接到通信中繼中的電力載波模塊，電力載波模塊再次把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成WiFi信號(hào)連接到路由器，路由器將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，然后讓遠(yuǎn)程平臺(tái)無(wú)線連接到路由器或者通過(guò)外網(wǎng)進(jìn)入到路由器內(nèi)網(wǎng)中，通過(guò)登錄網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的通信控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，水下通信最大距離為20 m。

6? ? Web上位機(jī)設(shè)計(jì)

樹(shù)莓派中使用Web應(yīng)用軟件組合（Linux Apache MariaDB Python，LAMP）框架來(lái)搭載網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)。LAMP框架較為簡(jiǎn)單，可以直接在樹(shù)莓派中搭建，搭建完畢后，可使用樹(shù)莓派遠(yuǎn)程登錄到網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)，即可完成簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器的搭建。在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)之前，需用樹(shù)莓派完成LAMP框架的搭建工作。

上位機(jī)終端采用網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)的形式，采用HTML與CSS前端布局搭建上位機(jī)界面，利用PHP進(jìn)行調(diào)用樹(shù)莓派后臺(tái)及控制命令的發(fā)送，實(shí)時(shí)發(fā)送控制指令，完成水下機(jī)器人作業(yè)任務(wù)，利用Python進(jìn)行圖像處理，將傳感數(shù)據(jù)以圖像形式直觀顯示，網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)制作界面如圖10所示。

由于通信中繼的路由器將整個(gè)水下機(jī)器人系統(tǒng)都放置在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)部，因此才可以在水下機(jī)器內(nèi)部搭建服務(wù)器，上位機(jī)則作為一個(gè)客戶端，采用跨域的工作方式與水下機(jī)器人進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)通信。

7? ? 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果從基本參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)兩個(gè)方面來(lái)分析。

7.1? 機(jī)器人基本參數(shù)

機(jī)器人基本參數(shù)如表1所示。

7.2? 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)十字式球形水下機(jī)器人系統(tǒng)的多種運(yùn)動(dòng)功能。表2給出了該十字式球形水下機(jī)器人在水下作業(yè)時(shí)的參數(shù)。在上位機(jī)可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到水下機(jī)器人采集到的視頻與水深等各參數(shù)，通過(guò)直接手動(dòng)觸摸的形式，可以實(shí)現(xiàn)水上遠(yuǎn)程控制機(jī)器人在水下作業(yè)的動(dòng)作要求。水下機(jī)器人接受中繼浮標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的控制信號(hào)，能夠完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上浮、下沉、旋轉(zhuǎn)、懸浮等水下動(dòng)作。

7.3? 水下影像

運(yùn)動(dòng)的水下機(jī)器人拍攝日間如圖11所示，夜間如圖12的清水下物體的視頻推流影像截圖，成像清晰。

8? ? 結(jié)語(yǔ)

隨著海洋養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)和深海資源開(kāi)發(fā)工程的推進(jìn)，對(duì)水下養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集需求將會(huì)日益增大。相對(duì)傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)和單一的靜態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研發(fā)的十字式球形水下機(jī)器人采用PID控制算法結(jié)合姿勢(shì)傳感器模塊，可在水下平穩(wěn)靈活運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有視覺(jué)和數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，可完成水下水質(zhì)含氧量、含鹽量、pH、溫度、氨氮值等參數(shù)的監(jiān)測(cè)和水下生物體生活狀態(tài)的動(dòng)態(tài)拍攝，并將數(shù)據(jù)和畫(huà)面直接上傳到網(wǎng)頁(yè)上位機(jī)。將計(jì)算模塊、視頻模塊、運(yùn)動(dòng)模塊等分開(kāi)，通過(guò)模塊化處理與相應(yīng)系統(tǒng)對(duì)接協(xié)調(diào)配合的作業(yè)方式來(lái)完成水下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖環(huán)境的任務(wù)。

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