孟 碩 董俊皓 李彥林（泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

1 概述

水下探測(cè)器，一直給人以神秘莫測(cè)的印象，也一直未曾走進(jìn)大眾的視野中。水下探測(cè)器市場(chǎng)與空中無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的火爆形成鮮明的對(duì)比。實(shí)際上，民用水下探測(cè)器的市場(chǎng)，是一片容量大、潛力巨大的優(yōu)質(zhì)市場(chǎng)。但就目前情況而言，水下探測(cè)器市場(chǎng)正處于起步階段，還沒(méi)有被充分開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)市場(chǎng)會(huì)有較大需求。

在傳統(tǒng)的觀念中，水下探測(cè)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(cè)、開(kāi)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(duì)水下領(lǐng)域的探測(cè)需求也在日益增長(zhǎng)，水下探測(cè)器的市場(chǎng)正在一步步向商業(yè)、民用等領(lǐng)域擴(kuò)張。從民用水下探測(cè)器的市場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)看，其應(yīng)用領(lǐng)域也是相當(dāng)廣泛的。

比如在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面，我國(guó)許多海洋牧場(chǎng)采捕仍用的是人力，工具也相當(dāng)原始，這對(duì)于養(yǎng)殖者來(lái)說(shuō)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、采捕成本高，還具有極高的安全風(fēng)險(xiǎn)，而民用水下探測(cè)器的興起和發(fā)展可以幫助漁民們輕松解決這些問(wèn)題。在娛樂(lè)消費(fèi)端，民用水下探測(cè)器也有相當(dāng)廣泛的市場(chǎng)。

隨著潛水運(yùn)動(dòng)的興起，我國(guó)擁有潛水證的人越來(lái)越多，越來(lái)越多的人對(duì)深水運(yùn)動(dòng)感興趣，因此也給娛樂(lè)市場(chǎng)帶來(lái)了機(jī)遇，比如海洋館、游樂(lè)場(chǎng)、科技館等娛樂(lè)場(chǎng)所就需要民用水下探測(cè)器監(jiān)控水域環(huán)境，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息反饋，避免人員溺水和傷亡事件的發(fā)生。在個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域，小型的民用水下探測(cè)器還可用于水下拍攝信息采集，攜帶方便。

2 水下探測(cè)器控制結(jié)構(gòu)

水下探測(cè)器的探測(cè)是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，涉及的專(zhuān)業(yè)學(xué)科多達(dá)幾十種，各學(xué)科之間彼此互相牽制，單純地追求單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，就會(huì)顧此失彼。

解決這些矛盾，除有很強(qiáng)的系統(tǒng)概念外，還需加強(qiáng)協(xié)調(diào)。在滿(mǎn)足總體技術(shù)要求的前提下，各單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的確定要相互兼顧，達(dá)到整體工作協(xié)調(diào)。

2.1 控制結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的民用水下探測(cè)器由機(jī)械外殼、攝影儀器、聲吶探測(cè)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制電機(jī)、通信模塊、電源模塊等組成。

推進(jìn)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制電機(jī)組成，其中水平推進(jìn)系統(tǒng)有兩組無(wú)刷直流電機(jī)推進(jìn)器，豎直方向上有4 組伺服電機(jī)，這6 個(gè)推進(jìn)器連接相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(cè)器、控制器、推進(jìn)系統(tǒng)和人員連在一起，形成信息化、遠(yuǎn)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(jìn)行信息的傳輸和交換，其目的是傳輸消息，實(shí)現(xiàn)控制的時(shí)效性。

民用水下探測(cè)器的控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 民用水下探測(cè)器控制結(jié)構(gòu)

2.2 工作邏輯

為了保證民用水下探測(cè)器的運(yùn)作，民用水下探測(cè)器采用遠(yuǎn)程操控工作方式。根據(jù)民用水下探測(cè)器內(nèi)部采集并處理過(guò)的信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的回傳，反饋到顯示屏后，再操作水下探測(cè)器更改線(xiàn)路，選擇合適的路線(xiàn)前行，以此來(lái)保證民用水下探測(cè)器在復(fù)雜水域運(yùn)作的工作安全。

民用水下探測(cè)器的工作邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 民用水下探測(cè)器工作邏輯

3 民用水下探測(cè)器動(dòng)力系統(tǒng)

控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)器在水下航行的控制，包括水下前進(jìn)、后退、左右移動(dòng)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(méi)有能源就無(wú)法讓水下探測(cè)器正常工作。

3.1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

民用水下探測(cè)器的推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。其中，推進(jìn)器選擇無(wú)機(jī)械接觸、運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性較好的無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(wú)刷直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖3 民用水下探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 無(wú)刷直流電機(jī)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(mǎn)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(jì)時(shí)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(jì)方法簡(jiǎn)單得多。

因此，按照工程設(shè)計(jì)的方法，對(duì)電流環(huán)、速度環(huán)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別采用PI 控制器。

把電流環(huán)設(shè)計(jì)為典型Ⅰ型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)后的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

把速度環(huán)設(shè)計(jì)為典型Ⅱ型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)后的動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 速度環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

把電流環(huán)設(shè)計(jì)為典型Ⅰ型系統(tǒng)，把速度環(huán)設(shè)計(jì)為典型Ⅱ型系統(tǒng)，推導(dǎo)出速度環(huán)和電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，使整個(gè)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(wú)刷直流電機(jī)這個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行供電。Buck-Boost 電路工作結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)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(guò)示波器觀察負(fù)載工作時(shí)輸入電壓和輸出電壓的波動(dòng)，來(lái)驗(yàn)證本研究中水下探測(cè)器的設(shè)計(jì)是否具有可行性。

4 輔助功能設(shè)計(jì)

攝影采集和聲吶探測(cè)功能是本研究中水下探測(cè)器設(shè)計(jì)的主要輔助功能。攝影采集和聲吶探測(cè)分別通過(guò)“看”和“聽(tīng)”的功能，協(xié)助設(shè)備準(zhǔn)確及時(shí)地判斷目標(biāo)物體，實(shí)時(shí)反饋水下真實(shí)情況，提前探知水下地質(zhì)全貌，以幫助控制器實(shí)現(xiàn)水下精準(zhǔn)作業(yè)。

民用水下探測(cè)器的輔助功能設(shè)計(jì)見(jiàn)圖8。

圖8 民用水下探測(cè)器輔助功能設(shè)計(jì)

4.1 攝影采集

通過(guò)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(kù)，以此為民用水下探測(cè)器提供空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各種地理信息系統(tǒng)，是運(yùn)用這項(xiàng)輔助功能的主要目的。反饋回來(lái)的圖像可以用來(lái)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(lái)研究目標(biāo)物體和目標(biāo)地形，也可以將水下真實(shí)情況反饋到控制器，由控制板顯示，以便及時(shí)根據(jù)攝影需求修改指令，控制伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作，更好地實(shí)現(xiàn)水下精準(zhǔn)和穩(wěn)定的控制。

4.2 聲吶探測(cè)

采用聲吶對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成對(duì)水下目標(biāo)的精準(zhǔn)定位，為民用水下探測(cè)器探測(cè)地形，以便提前探知水下的地質(zhì)面貌。

聲吶的工作原理見(jiàn)圖9。

圖9 聲吶工作原理

如圖9 所示，電信號(hào)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(hào)到水中，聲信號(hào)在傳遞過(guò)程中遇到目標(biāo)物，信號(hào)就會(huì)被反射回來(lái)，被換能器接收后再轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)接收器放大處理，信息在顯示系統(tǒng)上，通過(guò)熒光屏顯示或者利用耳機(jī)進(jìn)行播放。這樣一來(lái)，根據(jù)信號(hào)往返的時(shí)間，就可以確定當(dāng)前位置與實(shí)體目標(biāo)之間的距離。

5 結(jié)論

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