汪兆棟

摘 要：水產(chǎn)養(yǎng)殖工作中，水下作業(yè)任務(wù)較多且勞動(dòng)強(qiáng)度較大，具有一定的危險(xiǎn)性。水下機(jī)器人通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以代替人工進(jìn)行水下作業(yè)，應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖具有較大的發(fā)展空間。文章主要就用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的小型水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖;小型水下機(jī)器人;設(shè)計(jì)控制技術(shù)

0 ? 引言

借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)，對(duì)原有的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)場(chǎng)所加以改造，有效提升了水產(chǎn)養(yǎng)殖的品質(zhì)。水產(chǎn)養(yǎng)殖實(shí)踐中，水下機(jī)器人主要應(yīng)用于養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測(cè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)任務(wù)等，近年來又出現(xiàn)了水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)，是一種新型的作業(yè)技術(shù)，為水下機(jī)器人軟件開發(fā)提供了新的參考。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖的深入發(fā)展，對(duì)成本低、小型化的水下機(jī)器人的研究有了新的需求。

1 水下機(jī)器人研究概述

1.1 ? 研究現(xiàn)狀

一些先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)對(duì)小型水下機(jī)器人的研究較多，如海獺ROV、AC-ROV微型水下機(jī)器人、Seamor 600F水下檢測(cè)器、LBC多功能水下可爬行機(jī)器人等，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，功能較多[1]。

我國(guó)水下機(jī)器人的研究，伴隨著科技進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，已進(jìn)入到快速發(fā)展期，且與智能化信息技術(shù)結(jié)合，通過海洋環(huán)境測(cè)試，能自動(dòng)識(shí)別水下目標(biāo)，并繪制坐標(biāo)圖，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)清除，還能自動(dòng)優(yōu)化航線等。尤其是6 000米深水機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使水下機(jī)器人技術(shù)取得了很大進(jìn)展。但我國(guó)水下機(jī)器人制造工藝、探測(cè)技術(shù)及創(chuàng)新力等方面仍有進(jìn)一步完善的空間，尤其是小型機(jī)器人的研發(fā)，尚難以滿足社會(huì)實(shí)際需求[2]。

1.2 ? 小型水下機(jī)器人

大型水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，體積較大，小型水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且失事率較低，可靠性更強(qiáng);小型水下機(jī)器人制造和維護(hù)的成本較低，可以通過水面相連的電纜提供能量，作業(yè)的時(shí)間不再受到限制;操作人員可以在水面也可以在陸地上對(duì)水下機(jī)器人遙控操作，操作步驟比較簡(jiǎn)單;在實(shí)際應(yīng)用中易于推廣，且結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變化靈活，在海洋領(lǐng)域的水下作業(yè)和建設(shè)發(fā)展中，能滿足多樣化需求，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，當(dāng)前因?yàn)楹芏嗍怯欣|作業(yè)，動(dòng)力通訊電纜制約了機(jī)器人水下作業(yè)的范圍。

小型水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域較廣，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中主要應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水下生物的觀測(cè)，潛水員的看護(hù)、潛水地點(diǎn)的選擇、水下目標(biāo)觀察、水上救助打撈、近海搜索、深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖等方面[3]。

2 水下機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)雜，包括機(jī)器人本體、配套的控制箱、電纜等。在方案設(shè)計(jì)中，需要調(diào)研和考察，明確設(shè)計(jì)目的，根據(jù)工作任務(wù)和工作方式，設(shè)計(jì)水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、功能及方法。

2.1 ?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先是機(jī)器人形體的選擇。結(jié)合具體的用途和工作方式，水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)不同。形體選擇要確保有足夠的強(qiáng)度，并便于裝配加工，方便結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和布置。對(duì)于應(yīng)用于淺海水域水產(chǎn)養(yǎng)殖的有纜水下機(jī)器人，任務(wù)是在水下進(jìn)行海水養(yǎng)殖網(wǎng)檢查和觀察水生生物行為等，其外形采用框架式結(jié)構(gòu)，框架上的掛載設(shè)備需要用螺栓固定，確保機(jī)器人在水下能保持平衡姿態(tài);材料的選擇上要考慮防腐蝕、剛度、強(qiáng)度和延展性等。

其次是推進(jìn)器的布置。當(dāng)前水下機(jī)器人產(chǎn)品大多采用螺旋槳推進(jìn)器作為動(dòng)力，具體設(shè)計(jì)要根據(jù)機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)阻力大小選擇合適的推進(jìn)器。小型水下機(jī)器人多采用電機(jī)直接與螺旋槳連接，根據(jù)水下機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)的阻力情況，分析假設(shè)速度下航行時(shí)需要的功率，一般選擇無刷直流電機(jī)，其運(yùn)行可靠且維護(hù)比較簡(jiǎn)單。水下機(jī)器人推進(jìn)器的布局，需要根據(jù)具體的運(yùn)動(dòng)性能和作業(yè)要求，選擇不同的布置方式，一般來講，機(jī)器人側(cè)向和垂直運(yùn)動(dòng)中多采用單推進(jìn)器布置方式，水平面內(nèi)采用雙推進(jìn)平行布置方式。

最后是防水接線盒的設(shè)計(jì)。水下接線盒的主要作用是對(duì)不同模塊線纜進(jìn)行集成，需要考慮其防水性能、密封性能和耐腐蝕性。為滿足設(shè)計(jì)要求，盒體材質(zhì)采用ABS塑膠材料和PC透明料，絕緣性能較好。盒體采用注塑成型的方式進(jìn)行連接，確保不會(huì)破裂，同時(shí)為保護(hù)內(nèi)部元器件，采用加厚處理提升接線盒的性能。

2.2 ?水下觀測(cè)模塊設(shè)計(jì)

小型水下機(jī)器人可應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的網(wǎng)箱檢查作業(yè)中，對(duì)水生生物的行為進(jìn)行觀察，設(shè)計(jì)可旋轉(zhuǎn)的觀察模塊，方便對(duì)水況進(jìn)行全方位觀測(cè)，模塊系統(tǒng)中主要包括攝像頭、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等。

攝像頭的選擇。水下缺少日光，觀測(cè)過程需要補(bǔ)光處理，攝像頭機(jī)身配備感應(yīng)紅外補(bǔ)光燈，在鏡頭前配置感光電阻。光線不充足時(shí)，感應(yīng)紅外補(bǔ)光燈會(huì)自動(dòng)開啟，實(shí)現(xiàn)良好的夜視效果。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇。對(duì)攝像頭的可旋轉(zhuǎn)角度范圍進(jìn)行設(shè)置，確保其能觀測(cè)較大范圍的水下情況，且同時(shí)保證攝像機(jī)與電機(jī)的引線不會(huì)出現(xiàn)纏繞。設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)，控制性能良好，且誤差較小，選擇其為旋轉(zhuǎn)部分的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

水下觀測(cè)模塊包括內(nèi)外兩部分，外部主要包括透明筒、尼龍端蓋和防水接頭，內(nèi)部包括了平臺(tái)支架、攝像頭及支架、步進(jìn)電機(jī)和安裝板等。

水下機(jī)器人在水下環(huán)境工作，因此需要密封裝置保護(hù)攝像頭及步進(jìn)電機(jī)，密封圈要選擇耐酸、耐腐蝕性的材料，確保良好的密封效果，且在模塊安裝后，端蓋口要加上密封膠，提升密封性能，并多次進(jìn)行水密性測(cè)試，確保不會(huì)出現(xiàn)漏水問題。

2.3 ?浮力模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要確保水下機(jī)器人在相對(duì)比較小的推進(jìn)力下實(shí)現(xiàn)懸浮控制，且如果遇到斷電情況，機(jī)器人能自動(dòng)上浮，完成回收，水下機(jī)器人的重力和浮力的比例設(shè)計(jì)為1∶1.1。浮力模塊的設(shè)計(jì)，需要確保浮力足夠的同時(shí)盡量減少運(yùn)行的阻力。具體操作中，先對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行承重處理，測(cè)量其在空氣中的重量和水中的重量，計(jì)算額外浮力，根據(jù)要求設(shè)計(jì)浮力模塊。浮力模塊采用機(jī)械建筑設(shè)計(jì)模型的泡沫加工，確保其具有良好的抗壓性能，且吸水率較低。

2.4 ?重心和浮心設(shè)計(jì)

為確保水下機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行，需要浮心在上，重心在下，在水下運(yùn)動(dòng)受到?jīng)_擊時(shí)能有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和自我恢復(fù)能力。

3 水下機(jī)器人系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中包括硬件和軟件兩個(gè)部分，也是水下機(jī)器人的核心，需要對(duì)內(nèi)外部的狀態(tài)信息進(jìn)行處理。水下機(jī)器人設(shè)計(jì)功能不同，控制量也存在差異?？傮w來講，需要對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以將STM 32單片機(jī)用作微處理器，對(duì)潛伏、推進(jìn)系統(tǒng)和觀測(cè)模塊進(jìn)行控制。

3.1 主控制器模塊

以SMT 32為主控制器，其具有先進(jìn)的內(nèi)核構(gòu)架，與原有的單片機(jī)相比，功率消耗低，功能強(qiáng)大且速度快，使用相對(duì)簡(jiǎn)單，整體性能良好，能提供庫(kù)函數(shù)和開發(fā)工具，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。SMT 32內(nèi)部配置有A/D轉(zhuǎn)換通道，能測(cè)量?jī)?nèi)外部信號(hào)源，通過A/D轉(zhuǎn)換分析單次、連續(xù)、掃描模式執(zhí)行。信號(hào)采集流程主要是先設(shè)定時(shí)鐘源和A/D工作模式，并選擇通道模式，對(duì)轉(zhuǎn)換的順序和周期進(jìn)行設(shè)置。外部信號(hào)傳入STM 32之后，處理轉(zhuǎn)換結(jié)果，并存放到對(duì)應(yīng)的寄存器中。

3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用無刷直流電機(jī)，而動(dòng)功率為50 W，電壓24 V。微處理器的快速發(fā)展和低能耗，其高開關(guān)頻率特性比較顯著，控制方法不斷革新優(yōu)化，在電子元器件中應(yīng)用比較多。無刷直流電機(jī)能在低速大功率運(yùn)行中保持低噪聲，可靠性強(qiáng)且經(jīng)久耐用。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

通過電脈沖轉(zhuǎn)化成電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移，角位移量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)其實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。設(shè)計(jì)中采用兩相四線混合式步進(jìn)電機(jī)，兩相步進(jìn)角1.8°，有良好的動(dòng)態(tài)性能，在攝像頭左右安裝旋轉(zhuǎn)軸，通過軸承將旋轉(zhuǎn)軸固定，在很小的作用力下即可將攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.4 模擬信號(hào)的輸入

模擬信號(hào)的輸入主要采用三軸霍爾操縱手柄，對(duì)電位器的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制步進(jìn)電機(jī)。SMT 32輸入接口獲取控制手柄的信號(hào)，內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊收到脈沖信號(hào)后轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)電機(jī)的控制。

4 ? 結(jié)語(yǔ)

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)依靠人工作業(yè)任務(wù)重，勞動(dòng)強(qiáng)度大且危險(xiǎn)性高。水下機(jī)器人是人類探索自然的重要工具，將水下機(jī)器人應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中具有重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，小型水下機(jī)器人體積較小，功能多樣，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖的特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)總體方案，根據(jù)不同模塊及功能和實(shí)現(xiàn)方法，優(yōu)化水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)揮其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的作用，具有實(shí)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]于紅.水產(chǎn)動(dòng)物目標(biāo)探測(cè)與追蹤技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（6）：793-804.

[2]李道亮，劉暢.人工智能在水產(chǎn)養(yǎng)殖中研究應(yīng)用分析與未來展望[J].智慧農(nóng)業(yè)（中英文），2020（3）：1-20.

[3]陳嚴(yán).小型便攜式水下機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2019.

（編輯 何 琳）