錢平 周宣宇 胡建梅 楊彩蝶 于歡成

摘要：該文設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)上浮下潛、轉(zhuǎn)彎等功能小型的ROV。該系統(tǒng)是基于Arduino Mega 2560為核心控制器，控制六個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)ROV的基本運(yùn)動(dòng)，并搭載水下LED和水下攝像頭作為視頻傳輸模塊，以數(shù)字壓力傳感器作為水深探測(cè)，以及搭載溫度傳感器進(jìn)行溫度的測(cè)試，所有信號(hào)通過有線臍帶纜與上位機(jī)通信。該小型ROV可實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)動(dòng)和視頻圖像的傳輸。

關(guān)鍵詞： ROV;Arduino Mega 2560;信號(hào)傳輸

中圖分類號(hào)：TP242 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）02-0074-02

近年來，隨著海洋科學(xué)的不斷發(fā)展，國(guó)家層面也對(duì)海洋事業(yè)的發(fā)展不斷重視，并且海底蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)、海洋生物等重要資源。因此人類對(duì)海洋或者是水下的開發(fā)有著可持續(xù)發(fā)展的重要意義。而水下機(jī)器人作為專用的水下工具，在水下作業(yè)有著不可或缺的地位。特別是水下有纜線的機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle， ROV）也成為水下開發(fā)的重要工程技術(shù)裝備。而小型的ROV可以作為水下工程（比如水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水下探測(cè)等）有著至關(guān)重要的作用。所以小型的ROV可以作為開放平臺(tái)，為后續(xù)的工程作業(yè)提供開放的重要載體。

1 整體的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1整體系統(tǒng)組成概況

硬件的整體控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中采用主要的控制器是一款A(yù)rduino的單片機(jī)，Arduino 2560是基于ATmega的微控制芯片。該微控制器是AVR單片機(jī)，最大特點(diǎn)是54路數(shù)字輸入/輸出端口（其中15個(gè)可以作為PWM輸出），16路模擬輸入端口，4路UART串口，16MHz的晶振，USB連接口，電池接口，ICSP頭和復(fù)位按鈕。Mega2560使用Arduino IDE環(huán)境編程，簡(jiǎn)單明了。通過引腳6、7、8、12、45、46六個(gè)引腳提供輸出PWM波控制相應(yīng)的六個(gè)推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)ROV的基本運(yùn)動(dòng)。電源模塊通過變壓模塊給主芯片和其他部件供電。數(shù)字壓力傳感器作為系統(tǒng)的壓力傳感器，溫度傳感器作為測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部溫度的模塊。水下的LED燈和水下攝像頭組成水下探測(cè)模塊。所有信號(hào)通過以太芯片網(wǎng)口連接臍帶纜傳至上位機(jī)，達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)哪康摹?/p>

1.2推進(jìn)器模塊

推進(jìn)器是ROV的重要?jiǎng)恿δK，本系統(tǒng)采用的都是直流無刷電機(jī)作為推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)，螺旋槳采用的是三葉螺旋槳。根據(jù)流體力學(xué)原理，本系統(tǒng)采用經(jīng)典的六個(gè)推進(jìn)器模式，示意圖如圖2所示，其中前后兩個(gè)推進(jìn)器分別連接D12和D6兩個(gè)I/O口，用于控制整個(gè)ROV的上浮下潛。左右四個(gè)推進(jìn)器分別連接D7、D8、D45、D46四個(gè)I/O口，并且互相配合用于控制整個(gè)ROV的前進(jìn)后瑞以及左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。推進(jìn)器上的L標(biāo)志表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)表示正漿，R表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)表示反漿，前后左右相對(duì)方向的三對(duì)推進(jìn)器是不同的旋轉(zhuǎn)方式是因?yàn)檐浖O(shè)計(jì)都是兩兩控制，且用于正反漿間周向力的相互抵消。

1.3傳感器模塊

本系統(tǒng)涉及的傳感器都是安裝在核心艙內(nèi)部測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)的傳感器，分別為用于測(cè)試水深和溫度數(shù)字壓力傳感器，用于測(cè)試水深和溫度一體化數(shù)字傳感器測(cè)試水溫。壓力傳感器采用的是MS5803，該傳感器是一款高分辨率的專業(yè)測(cè)量高度的新一代傳感器，具有SPI和I2C 總線接口。壓力傳感器模塊內(nèi)含標(biāo)定系數(shù)，該標(biāo)定系數(shù)具有線性關(guān)系，便于單片機(jī)數(shù)據(jù)處理。該模塊提供的是一個(gè)較為精確的24位數(shù)字的壓力運(yùn)作模式。該模塊通用度較高、通訊協(xié)議較為簡(jiǎn)單，也適合本系統(tǒng)采用的單片機(jī)，并且不需要在內(nèi)部寄存器編程，壓力信號(hào)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)采用的是SPI通信來獲得數(shù)據(jù)，通過氣壓值來換算成水的深度。另一個(gè)傳感器則為溫度傳感器，本系統(tǒng)采用的是DHT11溫度傳感器，該傳感器也是一款數(shù)字傳感器，并且含有溫度和濕度集合在一起，可以同時(shí)測(cè)量溫濕度。DHT11傳感器和所采用的單片機(jī)之間只采用單總線的模式相連，彼此之間通信只需要占用一個(gè)通用的輸入輸出口，本系統(tǒng)采用了D28引腳與溫濕度傳感器相連。傳感器接收到的數(shù)據(jù)通過單總線傳送給單片機(jī)，接收到的數(shù)據(jù)也會(huì)通過校驗(yàn)方式保證數(shù)據(jù)的正確性。

1.4視頻傳輸模塊

本系統(tǒng)采用的水下LED探照燈最大亮度100流明，最大射程100m，防水深度達(dá)50m。LED探照燈信號(hào)線與D44引腳相連，受單片機(jī)輸出高低電平控制。攝像頭采用的是OpenMV4 H7智能模塊，可以采用Python語言編輯腳本，調(diào)用庫函數(shù)方便控制攝像頭，視頻數(shù)據(jù)是通過串口傳輸給單片機(jī)。

以太網(wǎng)芯片W5500是一款性能比較高的芯片，里邊是采用硬件的TCP/IP協(xié)議棧，采用硬件協(xié)議棧的好處是利用硬件的邏輯電路實(shí)現(xiàn)軟件的協(xié)議簇。不需要再通過特殊的軟件編程與單片機(jī)連接，并且采用該方式傳輸信號(hào)時(shí)，單片機(jī)的硬件電路也變得比較簡(jiǎn)單，降低了硬件成本，使用這種方案和設(shè)計(jì)使得兩者相連變得快捷、效率高。傳感器信息傳輸、單片機(jī)與上位機(jī)溝通通過臍帶纜進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)橹骺匦酒捎昧薃rduino Mega 2560，所以開發(fā)環(huán)境是Arduino 開發(fā)板專用的IDE。Arduino開發(fā)板是開源的平臺(tái)，具有開發(fā)方便、使用簡(jiǎn)單、編程簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，并且屬于C 語言的開發(fā)環(huán)境。圖3為軟件設(shè)計(jì)流程圖，上電后小型ROV完成整個(gè)系統(tǒng)包括電量等自檢功能，接下來是利用void ROV_CONTROL：： PWM_init（void） 函數(shù)進(jìn)行PWM信號(hào)初始化;利用void ROV_SENSOR：：DHT11_GetData（TempHumiMsg_t *temphum）溫度傳感器初始化，利用float ROV_SENSOR：：GetCurrent（void） 進(jìn)行數(shù)字壓力傳感器初始化;利用void ROV_NETWORK：：Udp_Init（void）函數(shù)進(jìn)行W5500網(wǎng)口初始化。之后系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)等待上位機(jī)發(fā)出命令信號(hào)，通過對(duì)上位機(jī)信號(hào)的解析后進(jìn)行ROV的上浮下潛、前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、傳感器參數(shù)的獲取以及視頻信號(hào)的獲取等相關(guān)操作。

3 實(shí)驗(yàn)室水池測(cè)試

經(jīng)過軟硬件的調(diào)試，在實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行測(cè)試，下水之前首先是防水的準(zhǔn)備，各個(gè)接口都必須打上熱熔膠以防漏水使得內(nèi)部電路損壞，其次是小型ROV整個(gè)系統(tǒng)的配重，需要達(dá)到能自然懸浮在水中。做好防水和配重工作后，通過上位機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)小型ROV的上浮下潛、前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)等基本運(yùn)動(dòng)功能，并且水深。溫度等參數(shù)也通過有線的臍帶纜上傳至上位機(jī)。如圖4所示為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的上位機(jī)顯示界面，其中獲取到水溫等參數(shù)數(shù)據(jù)以及攝像頭的視頻數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的是基于Arduino的小型ROV系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)的六推進(jìn)器模式滿足ROV的基本運(yùn)動(dòng)，并且搭載溫度傳感器和壓力傳感器測(cè)試相關(guān)參數(shù)，還用攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)未污染水源的探測(cè)功能。并通過臍帶纜與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制ROV的運(yùn)動(dòng)以及傳感器數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)顯示。本系統(tǒng)還預(yù)留相關(guān)接口，還可搭載更多水質(zhì)傳感器或者紅外傳感器，為水中工程作業(yè)的實(shí)現(xiàn)提供參考思路和借鑒。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

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