广东海洋大学电子与信息工程学院 黎柱坤 王 慧 林冰胜 张宇航 吴华宇 黄光炜 陈春雷 王 骥

用于水产养殖的水下机器人设计与制作

广东海洋大学电子与信息工程学院 黎柱坤 王 慧 林冰胜 张宇航 吴华宇 黄光炜 陈春雷 王 骥

为了满足用户对于养殖池的水质监测和水下生物生活常态观察的需要，本作品使用了角度加速度陀螺仪、多种水质传感器、485通信技术和视频传输等技术，实现了水中稳态控制、多种水质参数的实时测量和水下实时拍摄。随着海洋研究与开发的不断深入,水下机器人成为人们完成各种水下任务的重要辅助工具，其中遥控式水下机器人（ROV）在海洋开发的很多领域都得到了广泛应用。ROV工作在复杂的海洋环境中，具有运动速度慢，运动惯性较大，非线性和耦合性较强的特点，这些特点都成为其在水下运动控制的难点。运动控制技术是水下机器人研究的基础，一个稳定可靠的控制系统也是水下机器人完成预期任务和水下作业的前提与保证，因此对ROV的控制成为当前ROV技术的研究热点之一。

水下机器人；水质监测；stm32；稳态控制；水下拍摄视频

1 研究意义及国内外现状

目前，大力发展水下机器人产业对于开发海洋经济，探索海洋世界具有战略意义。探索海洋世界，进军大洋深处，离不开水下机器人技术的发展，ROV水下机器人可以潜入海中，获取水下视频资料，采集水下样本，对于开发海洋资源提供有力的技术数据支持。中国是一个海洋大国，拥有约1.8万公里的海岸线和6500多个500平方米以上的大小岛屿。我国还拥有面积约300万平方公里的管辖海域，如此广袤的海洋国土有丰富的海洋渔业生物资源，水下机器人在海洋环境监测、海洋资源开发、防灾减灾以及保障海洋环境安全方面具有重要的意义。随着国内海水养殖业的发展，养殖企业迫切需要应用在水产养殖生产和科学研究的水下机器人，需要高智能水下机器人对水下养殖水质的状况进行实时检测和对水下生物生活状况进行水下实时视频监测。由于在水中机器人会受到水波、暗流等多种因素影响，因此若要获得准确的数据和稳定清晰的图像就离不开一个稳定的姿态控制。

2 总体设计方案

2.1 产品总系统设计

2．1．1 概论

本作品采用32位以ARM架构的stm32rct6系列芯片作为系统的主控芯片，结合mos管电机驱动电路和四路电机，轻易达到灵活地控制水下机器人的活动。采用氨氮传感器、温度传感器、PH传感器、含氧传感器、含盐量传感器进行水质测试，把收集的水下水质数据通过485通信协议传输给stm32主控芯片，主芯片进行数据处理，统计。在通过路由的方式把数据传输到电脑端的上位机上。此外，本水下机器人通过水下防水摄像头进行水下拍摄，再用过有线方式实时地把信号传输到上位机上，方面用户查看水下情况，对水下生物研究有着很大的作用。外壳使用SolidWorks来设计外形，更能达到外形设计的合理性，材料成本低廉。

2．1．2 软件系统框图

图2-1 系统框图

图2-2 三大模块通信系统框图

2.2 电路设计方案

我们选用stm32作为主控，内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHZ，1.25DMIPS/MHZ存储器：片上集成512KB的Flash存储器。64KB的SRAM存储器。拥有3个USART接口，多达3个同步的16位定时器，每个定时器有多大4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道[1]。

2．2．1 主控板最小系统

主控板最小系统为stm32最小系统，，使用8MHz外部晶振作为MCU的RC振荡器，每个电源接口还接一个容量为0.1uf的滤波电容，防止电源波动影响MCU工作，及上电复位电路，SW模式调试及程序烧录接口。

图2-3 stm32最小系统图

2．2．2 路由版

图2-4 路由版的电路图

2．2．3 MPU6050

图2-5 MPU6050电路图

2．2．4 电源研究设计

电源方面我们采用AMS1117-3.3V和AMS1117-5V，这种稳压模块设计周期短、可靠性高、大大降低控制板的体积；采用这种芯片还有好处就是电压稳定，能准确提供电压。而12V电源的接线处和开关，我们采用耐高压耐大电流的，以防因为电压电流过大把开关烧坏。

图2-6 5V稳压电路图

图2-7 3V稳压电路图

2.3 硬件设计方案

（1）微型处理器，均使用意法电子stm32c8t6，ARMCortex-M3内核的微型处理器。

（2）DC-DC及LD0的组合应用，巧妙利用航空防水接头做水下开关，实现合理的电源管理，向系统提供稳定的多组电压。

（3）摄像头采用东芝720P的高清摄像头支持openwrt系统UVC摄像头，支持USB直接接口，方便使用，水下拍摄清晰。

（4）路由板以rt5350作为主控芯片，支持视频远距离传输。

（5）推进器12V，中推力的电机，消耗不大，运动灵活，便于操控。

2.4 外型设计方案

2．4．1 概论

我们采用的是PLA(生物降解塑料聚乳酸)环保材料作为水下机器人的外壳框架设计，外壳的设计是使用SOILDWORKS 2016软件进行3维视图建模[2]，并使用3d打印技术打印成型，由密封舱与外围固定框架组成。作品总长：335mm，宽：334mm，高：247mm。由于我们采用的是有缆水中自航式潜水器（地面站工作人员通过电脑或手机相对应控制潜水器的上位机来控制潜水器在水中的姿态、行进方向和高度等等，然后潜水器在水中收集到的数据通过网线传输给电脑上位机）。所以作品可分为三大部分，分别是密封仓、电机壳、外围框架。我们的潜水器外观精美，密封仓为透明亚克力圆柱半球体，外围部分框架选择了鲜艳的橙黄色，以方便观察潜水器在水下的状态和位置。

2．4．2 密封舱的设计

密封仓设计成具有一定的流线型，可以减小潜水器在水下运动时的阻力，降低功耗提高效率增强灵活性等等。密封仓前面设计有一个透明圆形罩，不但进一步降低水中的阻力，还可以在此放置摄像头，摄像头我们采用的是720P高清广角摄像头，获得更广阔的视角和实时的画面以观察水下的情况获得更准确的数据，并且数据传输支持OPENWRT，MJPG等USB接口，更快也更方便读取摄像头数据。密封仓后盖打孔，用于开关接口，通信线，烧录程序线等的连接，接口处和前后盖和仓体，都采用密封圈密封，达到了很好的防水效果。

图2-3-1 密封舱整体设计

图2-3-2 密封舱后盖设计

2．4．3 电机朝向设计和电机的选择

电机壳主要是如何将电机推进器更好的和密封仓固定在一起并起到上下左右的基本运动和悬停、定高等高级动作。根据仿真和实测，本款水下机器人考虑到搭载了三个大的长条圆柱状传感器，故将其与密封舱保持平行的放置在密封舱下面，一方面拥有了良好的外形效果；一方面由于将大部分重量转移到水下机器人下面，使重心下降，增大了在水下的操控性能；另一方面也可使电机的摆放位置更加合理。整机采用了四个防水电机，两个向后主要负责前进后退的动力，同时也可利用差速实现转弯，另两个电机朝向向上，用于水下机器人在水中的浮潜和定深，同时也可利用机器人内部搭载的角度传感器和陀螺仪来控制两电机的转速比。如果密封仓内部的陀螺仪检测到潜水器有倾斜，将通过向上或向下推进以实现潜水器总体的平衡。

图2-4-1 推进器（实物图）

图2-4-2 3D模型 安装示意图

图2-4-3 推进器 （总体效果图）

3 水下机器人总体功能、性能及结构尺寸

3.1 总体功能

3．1．1 水下拍摄功能

水下机器人采用东芝720P摄像头，配合高清亚克力板，使用适合的软件算法，调节机器人的运动，使高清摄像头180度全方位拍摄，能很好地对水下环境进行观察。

3．1．2 人机交互功能

水下机器人采用全电脑上位机收发数据，接收视频控制，通过一个电脑端中的上位机，可以清晰接收视频。通过上位机，可以对机器人进行上下左右的控制，上浮下潜控制，然后可以接收机器人发出的传感器数据。

3．1．3 水质传感器功能

水下机器人机载PH传感器，温度传感器，氨氮传感器，含氧量传感器，含盐传感器，机器人通过用stm32处理后，把数据通过网线方式直接传回电脑终端。

3．1．4 上位机接受水质参数和实时视频功能

水下机器人的上位机可以操控机器人运动，也可以接收视频数据，也可以接收下位机机器人发送的传感器数据。让用户直观地看到水质参数，温度等等。

3.2 性能

3．2．1 电机

本机器人拥有四个推进器，两个推进器负责上浮下沉，另外两个推进器控制前后左右的运动。然后通过PID平衡控制算法，对水下机器人运动进行控制。这样机器人在水里的运动更加灵活，可控性更强。

3．2．2 螺旋桨

本机器人采用的是5叶的螺旋桨，优势在于电机同样的转速一下，电能消耗同样的情况下，排水量更大，水下机器人具有更大的推进力，能达到节省功耗的目的。

3.3 结构尺寸

下面为机器人外观结构的尺寸三视图：（单位为：mm）

图3-1 水下机器人正视图

图3-2 水下机器人俯视图

图3-3 水下机器人侧视图

4 水下机器人的水下控制

4.1 水下控制简介

随着控制技术的发展，各种先进的控制方法相继应用在深海潜水器的控制系统中，从国内外的参考文献中可以看到很多种，他们主要用下面的控制方法来实现深海潜水器的运动控制：PID控制、滑模控制方法、模糊控制方法、自适应控制方法、鲁棒控制方法。水下航行器是一个强非线性参数不确定系统，且运行在未知的复杂的海洋环境下，一旦发生事故就可能造成巨大的财产损失。设计水下航行器控制系统所面临的主要困难有：系统模型具有高度非线性、时变、多变量、强耦合等特点，流体动力学参数不确定，波浪和海流的随机扰动等等。PID控制由于其结构简单，参数调节容易，并且其性能在许多场合中也可以被接受，因此PID控制仍然是水下航行器研发和操作人员广泛采用的方法。然而考虑到水下航行器动力学非线性的特征，为了获得满意的控制性能，需要对线性特征的PID控制进行改进，以提升水下航行器PID控制的性能[3]。线性PID控制器是基于反馈的一种控制方式，简单的表达方法是接受偏消除偏差，其控制的主要过程包括数据获取、数据对比和系统执行。数据的获取对应的是变量的输入，经过与期望值的对比来得到原始的偏差，运用偏差来消除偏差使系统达到稳定的状态。

4.2 水下平衡的PID控制算法

工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

4．2．1 PID三个独立控制环节的控制原理

比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统的输出存在误差。

积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比，在控制器中引入积分环节可以消除稳态误差。

微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在补偿误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在较大惯性环节（如水波影响）或滞后单元（如通讯设备的延迟），它们具有抑制误差的作用，即其变化总是落后于误差的变化，而解决的办法是提前抑制误差的变化。[4]

4．2．2 PID控制算法在水下机器人水下控制的应用

综上所诉，比例环节的作用是调节幅值；积分环节的作用是调节稳态误差；微分环节的作用是调节超调量。在水下机器人在水中行进过程中，由于系统会受到水波、延迟、图像采集误差等众多复杂的影响，微分环节必不可少。而它自身位置和水球的位置均在动态变化着，因此既定目标点也应是动态变化的。由于在水中受水的阻力影响，相当于起到一个控制滤波的作用，因此也就不会存在稳态误差的概念，不必引入积分环节，而比例环节是控制系统中必须的，对于水下机器人在水下的运动，我们采用PD（比例---积分）控制算法来控制整体在水中航行时的稳定性。

为了让这一控制算法在水下机器人上起作用，我们采用了四个防水电机，两个向后主要负责前进后退的动力，同时也可利用差速实现转弯；另外两个电机朝向向上，不但用于水下机器人在水中的浮潜和定深，而且还利用机器人内部搭载的角度加速度传感器和陀螺仪来控制两电机的转速比，再结合PID平衡控制算法，即可保证机器人在水下不倾斜不翻倒实时保持平衡，为后续其采集数据和水下摄像等工作保证稳定状态。

4．2．3 部分PID控制算法代码设计

5 结论

随着人类在海洋探测和开发过程中对水下水质参数检测将会日益普及，尤其是水下设备上需要低消耗、续航能力强、通信能力强的设备实现实时视频探测和水质参数传递。这样的话，有线的机器人具有一定的优势。但是受水中水压、速度、水波、暗流等环境变化因素影响，自主式水下潜器在水下的运动具有较大的不确定性，但是我们研发的水下机器人采用PID控制算法结合加速度角度陀螺仪传感器模块，可在水下自由平稳移动，速度达到0.63m/s，具有视觉和感知系统，通过遥控或自主操作方式，来完成水下水质（PH值、温度、含盐量、含氧量、氨氮值等）的监测和水下生物状态的拍摄，并将数据和画面直接上传的装置。

[1]刘张,刘军,严汉宇,左忠凱．原子教你玩stm32[M]．北京航空航天大学出版社．

[2]刘雪松,渠达．SolidWorks 2013完全自学教程(中文版)[M]．中国铁道出版社,2013,07．

[3]郑文龙,刘洋,肖昌润,杜佩佩．水下航行器的PID运动控制方法研究[M]．中国水运出版社,2015,10．

[4]赵建,白春江,章文俊．水下潜器姿态角的分数阶PID控制研究[M]．舰船科学技术出版社,2016,11．

黎柱坤（1994—），男，大学本科，研究方向：电子信息工程。

王慧（1963—），女，副教授，研究方向：智能控制系统，光纤传感器技术。

项目支持：广东海洋大学创新强校工程科研项目（GDOU2014050240）；广东海洋大学“海之帆一起航”计划项目（hzfghjhkjfm2015b13）。