陳凌軒，吳清云，謝辰旻，馬帥華，強嘉鈺

（上海海洋大學，a.工程學院；b.外國語學院；c.海洋文化與法律學院，上海 201306）

隨著智能機器人行業(yè)的發(fā)展，各大行業(yè)“機器換人”已成為大趨勢。近年來，中國漁業(yè)養(yǎng)殖水體污染問題日益嚴重，通過水上或水下工程裝備代替人工取樣、測量等較人工水質(zhì)調(diào)控更具高效性。如草魚最適宜生長環(huán)境pH為6.6~7.6，且對溶氧量的需求很高，需對其養(yǎng)殖環(huán)境加以調(diào)控，方可保障草魚的品質(zhì)，鰱魚、鳙魚也對溶氧量及pH有一定要求。通過人工調(diào)控效率較低且成本高。

國外針對水下機器人的研究已進入應用化階段，當前中國水下機器人的應用研究仍處于起步階段。在漁業(yè)養(yǎng)殖實際應用中，水下機器人因其靈活性、作業(yè)時間長和工作范圍廣受到了世界各國的研究和關(guān)注。除了研究水下機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計［1-4］，水下機器人控制設(shè)計與仿真［5-8］，水下機器人傳感技術(shù)與檢測［9-12］，水下機器人應用［13-15］等，還應注重其應用與實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測及水質(zhì)改善的結(jié)合，根據(jù)局部水環(huán)境中存在的過界參數(shù)進行調(diào)整。當前國內(nèi)仍未出現(xiàn)結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)調(diào)控于一體的設(shè)備，而西班牙海洋技術(shù)中心（CETMAR）研發(fā)了一款浮標［16］，即可針對采樣樣本，通過微生物學參數(shù)的分析制定水質(zhì)調(diào)控方案，其缺點在于采樣范圍局限，不適用于大范圍漁業(yè)養(yǎng)殖。歐美國家及日本也開發(fā)了相應的漁業(yè)養(yǎng)殖水下機器人，并得到了小規(guī)模應用。

本研究圍繞漁業(yè)養(yǎng)殖過程中對于水下機器人的需求及水下機器人開發(fā)成本高、國內(nèi)同類產(chǎn)品少的現(xiàn)狀，研究基于多傳感器技術(shù)和自主巡航技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測及水質(zhì)改善一體化水下機器人，從整體設(shè)計、運動建模及實物試驗3個角度入手，分析其功能與效果，可在漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控、漁業(yè)水質(zhì)改善方面發(fā)揮作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

水下機器人下位機為實現(xiàn)水下機器人功能的硬件電路模塊，通過穩(wěn)壓電源對機器人各模塊供電。水下機器人包括水質(zhì)監(jiān)測模塊、水質(zhì)改善模塊及自主巡航模塊等部分。下位機的架構(gòu)實現(xiàn)了水下機器人的自動控制和工作，而上位機負責對水下機器人獲得的動態(tài)參數(shù)進行接收和顯示。水下機器人結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 水下機器人結(jié)構(gòu)框架

1.2 工作原理

水下機器人需在水環(huán)境中工作，在工作啟動前須通過程序設(shè)定巡航終點和深度，將水下機器人置于水中時即可啟動工作模式。水下機器人根據(jù)衛(wèi)星定位模塊獲取巡航起始點及終點位置信息，慣性導航模塊用于水下無衛(wèi)星信號環(huán)境下的實時定位，通過定位信息與相對位置信息控制螺旋槳，調(diào)整運行方向和深度，向終點方向及目標深度航行。水下機器人在航行過程中采集水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)（pH、溫度、溶氧量等），搭載的多傳感器裝置定點定深度采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過ROV線纜和無線通訊實現(xiàn)淺水區(qū)的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸在上位機平臺進行顯示。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下機器人整體呈膠囊狀結(jié)構(gòu)，兩端外部設(shè)有法蘭連接裝置，下方設(shè)有4個螺旋推進器裝置，尾部設(shè)有渦輪平衡裝置。外部為抗壓防水殼體，前部艙內(nèi)裝載驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊與防水外殼之間設(shè)置電路保護層，由主管和位于末端的整流罩組成。主管內(nèi)設(shè)有主控制器及雙泵，連接層處設(shè)有ROV線纜接口，左右兩端分別對稱設(shè)置保護罩，保護罩內(nèi)包含導流管與傳動軸。2個垂直螺旋推進器保證水下機器人的垂直方向運動，2個水平螺旋推進器用以實現(xiàn)水平方向的調(diào)整及運動，尾部渦輪平衡裝置控制水下機器人整體姿態(tài)平衡，避免大幅度擾動。水下機器人尾部包括第二法蘭連接裝置、防水外殼、渦輪推進器裝置及驅(qū)動模塊。圖2為水下機器人的渲染圖。

圖2 水下機器人渲染圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 運動模型分析

漁業(yè)養(yǎng)殖用水下機器人在水下的運動控制受重力、浮力、水體阻力、自身推進力及外部擾動等的影響，其動力學系統(tǒng)為非動力系統(tǒng)。通過簡化受力模型分析其水下運動控制方式，根據(jù)國際水池會議（ITTC）以及造船與輪機工程學會（SNAME）術(shù)語公報推薦的坐標系［17］，建立動坐標系（O-X′Y′Z′）與靜坐標系（E-XYZ）兩種類型坐標系，如圖3所示。表1為水下機器人運動參數(shù)。

圖3 水下機器人運動分析坐標系

表1 水下機器人運動參數(shù)定義

靜坐標系與動坐標系之間的速度矢量可通過式（1）、式（2）及式（3）進行轉(zhuǎn)換。

J(η)為坐標轉(zhuǎn)換矩陣，其計算公式如式（4）所示。

六維度的水下機器人運動模型，其所有運動方式可在上述2種坐標系中得到描述，并分解為繞各自3個坐標軸的旋轉(zhuǎn)運動，其動力學模型［18-20］可通過式（5）所示方程描述。

式中，M為水下機器人慣性矩陣及水動力力矩；C（v）為水下機器人科氏力及離心力矩陣；D（v）為水下機器人流體阻尼矩陣；g（η）為水下機器人重力與浮力矩陣，又稱靜力矩陣。

基于以上分析及方程，完善動力學相應模型并進行計算簡化，由于水下機器人進行6個自由度內(nèi)的運動，假設(shè)重心與動坐標系原點重合，此時Xg=Yg=Zg=0，根據(jù)式（5）可計算化簡得到平動方程及旋轉(zhuǎn)方程，如式（6）所示。

通過分析計算水下機器人在工作過程中的動力學方程，解出水下機器人的運動參數(shù)u、v、w、p、q、r，求解后根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）反推出其靜態(tài)坐標系下的運動規(guī)律，解算出位移量及偏轉(zhuǎn)量。為了實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖水域的需要，采用“前-后-上-下”四維度螺旋推進器的設(shè)計布局，如圖4所示。

圖4 水下機器人螺旋推進器布局方式及受力

2.2 硬件部分

2.2.1 主控制器水下機器人的主控制器采用Ar?duino Mega 2560。Arduino Mega 2560是 一 種 采 用USB接口的核心電路板，具有54路輸入輸出，編程簡單，可在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強大的指令，可為許多嵌入式控制工作提供可行且低成本的支持。通過接多電路模塊及傳感器可實現(xiàn)環(huán)境感知并提取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.2 避障模塊水下機器人在水下工作過程中通過避障模塊避免與水下不明物體發(fā)生碰撞。避障模塊選用超聲波傳感器實現(xiàn)。超聲波傳感器測量障礙物與水下機器人的距離，根據(jù)需要控制指令設(shè)定避障方案［21，22］。其模塊電路構(gòu)成如圖5所示。

圖5 避障模塊電路結(jié)構(gòu)

式（7）所示測距公式可推斷出水下物體與水下機器人前部相對位置關(guān)系。

式中，s為水下物體與水下機器人前部的距離；v為超聲波在水中傳播的速度；t為從發(fā)出脈沖到脈沖返回的時間。

水中超聲波傳播速度約為1 300~1 600 m/s。超聲波在水中傳播速度與水的渾濁度無明顯關(guān)系［23］；當溫度為T時，文獻［24］中得出了溫度對超聲波在水中傳播速度v的近似解析式為：

由此繪制出如圖6所示的函數(shù)關(guān)系曲線。

圖6 不同水溫條件下水下避障模塊測距曲線

聯(lián)立式（1）、式（2）可得到水下航行器避障裝置某一溫度下根據(jù)時間函數(shù)的測距公式。

水下機器人運動過程中會造成水下波動，有驅(qū)趕周圍生物的作用，因此漁業(yè)養(yǎng)殖水下機器人避障模塊主要用途在于避免水下機器人擱淺、水中異物及體積較大的水下生物，同時不會影響水生生物的生長發(fā)育。

2.2.3 定位導航模塊水下機器人工作過程中的一大難點在于水下自主航位推算。水下機器人運用捷聯(lián)式INS導航技術(shù)在水下進行定位和導航。捷聯(lián)式定位導航較平臺式INS占據(jù)的體積與空間較小，且更容易集成導航與控制于一體，通過加速度對時間的二次積分即可得到航行器位置［25］。由于衛(wèi)星信號無法穿透水體傳遞至水下機器人，因此須通過線纜與水下機器人進行連接，上位機也可通過ROV線纜接收到水下機器人的姿態(tài)、速度和位置信息并顯示（圖7）。

圖7 定位導航模塊硬件電路

3 功能設(shè)計及實現(xiàn)

3.1 水質(zhì)監(jiān)測

水質(zhì)監(jiān)測主要包含多水域環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，即實現(xiàn)水下機器人的水質(zhì)檢測相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作，包括溫度傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器等［26-28］。溫度傳感器由NTC熱敏電阻接橋式電路組成，精度高、電路簡單且靈敏度強；pH傳感器采用RMD-IS?DC2M12型pH傳感器，適用于全pH范圍區(qū)間，補償溫度-20~130℃，測量精度為±0.01℃，響應時間短；溶解氧傳感器采用HQ30d哈希便攜式溶氧儀，測量范圍為0~20 mg/L，測量精度為0.01 mg/L。通過各傳感器采集得到的數(shù)據(jù)為模擬數(shù)據(jù)，將模擬數(shù)據(jù)運送至A/D轉(zhuǎn)換模塊后輸出至主控制器，由單片機完成數(shù)字量的采集與接續(xù)控制。為避免溫度對試驗測得參數(shù)的影響，外接溫度補償電路部分可對pH及溶解氧相關(guān)參數(shù)值進行校正。

水質(zhì)監(jiān)測包含以下3個步驟。①進入初始化操作，水下機器人系統(tǒng)所有操作清零。②主控制器發(fā)送采集命令至各水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)傳感器模塊。③接收到主控制器發(fā)送命令時，各傳感器檢測相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街骺刂破髂K，未接收到命令時保持休眠狀態(tài)；通過LabVIEW搭建的上位機平臺可觀測并記錄水質(zhì)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 遠程監(jiān)控上位機平臺

3.2 水質(zhì)改善

漁業(yè)養(yǎng)殖過程中通過pH調(diào)節(jié)、溶氧量調(diào)節(jié)等手段對養(yǎng)殖環(huán)境加以改善。水下機器人工作過程中對蠕動泵、電機轉(zhuǎn)速加以控制，以實現(xiàn)水質(zhì)改善功能［29，30］。

當主控制器得到水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)超出上下閾值范圍，輸出相應的控制信號，控制對應水質(zhì)改善模塊的執(zhí)行。水下機器人存液管中可存放一定量（約1 000 mL）的改善液，一般為石灰漿或氯化鉀溶液，用以中和養(yǎng)殖塘內(nèi)pH，以達到養(yǎng)殖生物的需要。

水下機器人的另一改善功能在于對溶氧量進行調(diào)節(jié)，設(shè)置工作水深為0，水下機器人工作與水面電機帶動螺旋推進器運轉(zhuǎn)的過程中，對局部溶氧量進行調(diào)節(jié)，帶動空氣中的氧氣溶解于水中，從而起到良好的溶氧量調(diào)節(jié)效果。

4 試驗測試

4.1 運動測試

完成水下機器人的硬件搭建并進行調(diào)試，將初代水下機器人裝置置于校園某湖泊內(nèi)進行運動測試試驗，運動測試實際試驗過程如圖9所示。

圖9 水下機器人運動測試

設(shè)定航行深度為2 m時，根據(jù)上位機平臺記錄下水下機器人的運動軌跡如圖10所示，水下機器人的運動過程可分解為開始下潛、下潛過程和到達指定深度三段。開始下潛過程依托舵機控制螺旋推進器產(chǎn)生向下的推力實現(xiàn)；下潛過程較快，上述步驟的螺旋推進器持續(xù)保持在相應角度并產(chǎn)生向下推力；到達指定深度附近，再次通過舵機調(diào)整螺旋推進器角度水平，推進接近巡航終點并控制其水平運動。整體運動狀況在X-Y向投影大致為直線，與預期軌跡一致，微小擾動受定位系統(tǒng)精度影響可忽略。

圖10 運動軌跡記錄

4.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集試驗

為驗證水下機器人能否在漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境中完成水質(zhì)監(jiān)測功能，應在同一片水域中放置水下機器人，完成3次不同深度的相同水平路徑航行，經(jīng)過相應點位時在上位機平臺上讀取相應數(shù)據(jù)。在上述相同養(yǎng)殖水域中，測試時間為夜晚23：00至次日凌晨1：00，天氣為陰雨天。采用有纜通訊的方式回傳數(shù)據(jù)，預設(shè)深度值為0 m（水面）、1.0 m（靜水層）和2.0 m（接近水底）時，考察某水域溫度、pH及溶氧量指標時獲取的數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，從不同深度條件下各采樣點的水質(zhì)參數(shù)可以看出該養(yǎng)殖水體呈堿性。由于測量時間及天氣影響，其監(jiān)測參數(shù)與理想狀況存在一定差異，通過求取平均值可得到表3所示該養(yǎng)殖水域整體數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果能反映出不同采樣點及不同水深環(huán)境下的水質(zhì)參數(shù)。

表2 水質(zhì)監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)

表3 水域水質(zhì)分層監(jiān)測結(jié)果

4.3 水質(zhì)定向改善試驗

從pH與溶氧量2項參數(shù)改善切入，為驗證水下機器人調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)參數(shù)較傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的優(yōu)越性及水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)改善的聯(lián)動作用，選擇上述水域外加一處自行配置的酸性水池，持續(xù)監(jiān)測pH和溶氧量的變化。

試驗時間及氣象條件同上。人工經(jīng)驗調(diào)節(jié)pH與漁業(yè)養(yǎng)殖水下機器人在水域環(huán)境中自動調(diào)節(jié)效果對比如圖11所示。水下機器人的自動調(diào)節(jié)方式較人工調(diào)節(jié)的優(yōu)勢在于，水下機器人能夠根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測的pH實時釋放調(diào)節(jié)所需的石灰漿及氯化鉀溶液質(zhì)量，并通過水下機器人的運動進行自動攪拌，增強了pH調(diào)節(jié)的效率。

圖11 水下機器人調(diào)節(jié)局部水環(huán)境pH抽樣分析

在溶氧量調(diào)節(jié)試驗中，通過單臺水下機器人與單臺420 W增氧機的實際效果對比，分析水下機器人在溶氧量調(diào)節(jié)方面的作用。測試結(jié)果如圖12所示，由于增氧機僅能從固定位置輸送氧氣，因此其增氧效果較為平穩(wěn)；水下機器人通過螺旋推進器作用促使水域“換氣”，效果優(yōu)于增氧機。

圖12 水下機器人與增氧機溶氧量調(diào)節(jié)效果對比

傳統(tǒng)方式的水質(zhì)調(diào)控依賴人工經(jīng)驗完成，水下機器人通過自動pH調(diào)控、溶氧量調(diào)節(jié)，依附于其自主巡航功能可在各中小型漁業(yè)養(yǎng)殖池塘內(nèi)完成作業(yè)，無需人為進入池塘進行水質(zhì)調(diào)控，實現(xiàn)了安全性與高效性的統(tǒng)一［31-33］。

5 小結(jié)

漁業(yè)養(yǎng)殖過程與水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)改善密不可分，針對當前漁業(yè)養(yǎng)殖中常用的系列設(shè)備進行改進融合，達成了水質(zhì)監(jiān)測與水質(zhì)改善兩個過程的單一載體實現(xiàn)。既解決了漁業(yè)養(yǎng)殖過程中無法保證定點定深度且全天候動態(tài)監(jiān)測的問題，又在相關(guān)參數(shù)與理想值出現(xiàn)偏差的情況下通過相關(guān)裝置加以局部改進。最終證明在中小型養(yǎng)殖水域內(nèi)該裝置具有很強的實用性，動力學模型保證了水下機器人運動和控制的可靠性。針對中小型水域的運動、監(jiān)測及水質(zhì)改善實踐，證明水下航行器在全水深工作和持續(xù)動態(tài)監(jiān)測上優(yōu)于無人船、浮標等相關(guān)裝置，并將漁業(yè)水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)改善兩個問題通過同一載體解決。后續(xù)在姿態(tài)控制問題上將繼續(xù)開展相關(guān)算法和硬件電路研究工作，結(jié)合INS捷聯(lián)慣性導航和衛(wèi)星定位模塊展開更精準的定位。水下機器人用于水質(zhì)監(jiān)測和水質(zhì)改善的裝置也拓展了水下機器人的用途，以高效的方式解決了漁業(yè)養(yǎng)殖過程中的相關(guān)難題。