孟 碩 董俊皓 李彥林（泰州學院，江蘇 泰州 225300）

1 概述

水下探測器，一直給人以神秘莫測的印象，也一直未曾走進大眾的視野中。水下探測器市場與空中無人機市場的火爆形成鮮明的對比。實際上，民用水下探測器的市場，是一片容量大、潛力巨大的優(yōu)質(zhì)市場。但就目前情況而言，水下探測器市場正處于起步階段，還沒有被充分開發(fā)，預計市場會有較大需求。

在傳統(tǒng)的觀念中，水下探測器的應(yīng)用領(lǐng)域更多為軍用和工業(yè)，其主要功能為海底資源探測、開采以及海底救援等。隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和智能制造等技術(shù)的發(fā)展以及民眾生活水平的提高，大眾對水下領(lǐng)域的探測需求也在日益增長，水下探測器的市場正在一步步向商業(yè)、民用等領(lǐng)域擴張。從民用水下探測器的市場表現(xiàn)來看，其應(yīng)用領(lǐng)域也是相當廣泛的。

比如在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，我國許多海洋牧場采捕仍用的是人力，工具也相當原始，這對于養(yǎng)殖者來說，不僅勞動強度大、生產(chǎn)效率低、采捕成本高，還具有極高的安全風險，而民用水下探測器的興起和發(fā)展可以幫助漁民們輕松解決這些問題。在娛樂消費端，民用水下探測器也有相當廣泛的市場。

隨著潛水運動的興起，我國擁有潛水證的人越來越多，越來越多的人對深水運動感興趣，因此也給娛樂市場帶來了機遇，比如海洋館、游樂場、科技館等娛樂場所就需要民用水下探測器監(jiān)控水域環(huán)境，實時進行信息反饋，避免人員溺水和傷亡事件的發(fā)生。在個人消費領(lǐng)域，小型的民用水下探測器還可用于水下拍攝信息采集，攜帶方便。

2 水下探測器控制結(jié)構(gòu)

水下探測器的探測是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強的工程，涉及的專業(yè)學科多達幾十種，各學科之間彼此互相牽制，單純地追求單項技術(shù)指標，就會顧此失彼。

解決這些矛盾，除有很強的系統(tǒng)概念外，還需加強協(xié)調(diào)。在滿足總體技術(shù)要求的前提下，各單項技術(shù)指標的確定要相互兼顧，達到整體工作協(xié)調(diào)。

2.1 控制結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計的民用水下探測器由機械外殼、攝影儀器、聲吶探測、驅(qū)動電機、控制電機、通信模塊、電源模塊等組成。

推進系統(tǒng)由驅(qū)動電機和控制電機組成，其中水平推進系統(tǒng)有兩組無刷直流電機推進器，豎直方向上有4 組伺服電機，這6 個推進器連接相應(yīng)的驅(qū)動器。

物聯(lián)網(wǎng)控制是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，可以利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把探測器、控制器、推進系統(tǒng)和人員連在一起，形成信息化、遠程管理控制和智能化網(wǎng)絡(luò)。

通信傳輸就是傳遞信息，是指由一地向另一地進行信息的傳輸和交換，其目的是傳輸消息，實現(xiàn)控制的時效性。

民用水下探測器的控制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 民用水下探測器控制結(jié)構(gòu)

2.2 工作邏輯

為了保證民用水下探測器的運作，民用水下探測器采用遠程操控工作方式。根據(jù)民用水下探測器內(nèi)部采集并處理過的信息，通過無線模塊進行數(shù)據(jù)的回傳，反饋到顯示屏后，再操作水下探測器更改線路，選擇合適的路線前行，以此來保證民用水下探測器在復雜水域運作的工作安全。

民用水下探測器的工作邏輯見圖2。

圖2 民用水下探測器工作邏輯

3 民用水下探測器動力系統(tǒng)

控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)水下探測器在水下航行的控制，包括水下前進、后退、左右移動和上升下降，除了控制系統(tǒng)，還需要給控制系統(tǒng)提供能源，沒有能源就無法讓水下探測器正常工作。

3.1 驅(qū)動結(jié)構(gòu)

民用水下探測器的推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。其中，推進器選擇無機械接觸、運行時穩(wěn)定性較好的無刷直流電機。無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器均采用PI 控制器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 民用水下探測器推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 無刷直流電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙閉環(huán)控制模型中，為了滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度的要求，電流環(huán)設(shè)置為Ⅰ型系統(tǒng)，速度環(huán)設(shè)置為Ⅱ型系統(tǒng)。典型Ⅰ型系統(tǒng)的跟隨性能超調(diào)小，但抗擾性能稍差，較適用于電流環(huán)；典型Ⅱ型系統(tǒng)抗擾性能比較好，適用于轉(zhuǎn)速環(huán)，這是設(shè)計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。此外，在典型Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)中各選擇一種結(jié)構(gòu)，可使設(shè)計方法簡單得多。

因此，按照工程設(shè)計的方法，對電流環(huán)、速度環(huán)分別進行設(shè)計，分別采用PI 控制器。

把電流環(huán)設(shè)計為典型Ⅰ型系統(tǒng)，設(shè)計后的動態(tài)簡化結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)

把速度環(huán)設(shè)計為典型Ⅱ型系統(tǒng)，設(shè)計后的動態(tài)簡化結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 速度環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)

把電流環(huán)設(shè)計為典型Ⅰ型系統(tǒng)，把速度環(huán)設(shè)計為典型Ⅱ型系統(tǒng)，推導出速度環(huán)和電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，使整個控制系統(tǒng)得到了優(yōu)化，提高了控制精度。

3.2 供電電源

采用Buck-Boost 電路工作形式的供電電源為無刷直流電機這個推進器進行供電。Buck-Boost 電路工作結(jié)構(gòu)原理見圖7。

圖7 Buck-Boost 電路工作結(jié)構(gòu)原理

電源的控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，閉環(huán)控制中采用PID 控制，其控制規(guī)律為

電路接通后通過示波器觀察負載工作時輸入電壓和輸出電壓的波動，來驗證本研究中水下探測器的設(shè)計是否具有可行性。

4 輔助功能設(shè)計

攝影采集和聲吶探測功能是本研究中水下探測器設(shè)計的主要輔助功能。攝影采集和聲吶探測分別通過“看”和“聽”的功能，協(xié)助設(shè)備準確及時地判斷目標物體，實時反饋水下真實情況，提前探知水下地質(zhì)全貌，以幫助控制器實現(xiàn)水下精準作業(yè)。

民用水下探測器的輔助功能設(shè)計見圖8。

圖8 民用水下探測器輔助功能設(shè)計

4.1 攝影采集

通過攝影采集獲得各種比例尺的地形圖，在此基礎(chǔ)上建立地形數(shù)據(jù)庫，以此為民用水下探測器提供空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各種地理信息系統(tǒng)，是運用這項輔助功能的主要目的。反饋回來的圖像可以用來研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置及其相互關(guān)系。

攝影儀器在水下拍攝的圖片樣式多、清晰度高，不僅可以用來研究目標物體和目標地形，也可以將水下真實情況反饋到控制器，由控制板顯示，以便及時根據(jù)攝影需求修改指令，控制伺服電機和驅(qū)動電機的工作，更好地實現(xiàn)水下精準和穩(wěn)定的控制。

4.2 聲吶探測

采用聲吶對水下目標進行探測，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成對水下目標的精準定位，為民用水下探測器探測地形，以便提前探知水下的地質(zhì)面貌。

聲吶的工作原理見圖9。

圖9 聲吶工作原理

如圖9 所示，電信號經(jīng)發(fā)射器發(fā)出，由換能器（一般是壓電晶體）轉(zhuǎn)換為聲信號到水中，聲信號在傳遞過程中遇到目標物，信號就會被反射回來，被換能器接收后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)接收器放大處理，信息在顯示系統(tǒng)上，通過熒光屏顯示或者利用耳機進行播放。這樣一來，根據(jù)信號往返的時間，就可以確定當前位置與實體目標之間的距離。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種民用水下探測器。論述了民用水下探測器的控制結(jié)構(gòu)和工作邏輯，設(shè)計了包括驅(qū)動結(jié)構(gòu)和供電電源在內(nèi)的動力系統(tǒng)。最后介紹了攝影采集和聲吶探測兩個輔助功能。