【正文】 latform (Lower Machine) Abstract Provides data acquisition platform environment monitoring underwaterwalking platform research for aqua The search of underwater walking platform provides data acquisition platform for the environment of aquaculture. It has important significance to improve the quality of aquaculture. This paper designs the structure of underwater walking STC pany ’s STC89C52microcontroller as the core control unit,realizing the moving control of underwater walking platform ,such as walking straight, turn around and wireless receiving and sending,achieving the munication of pc and underwater walking platform,the moving control of underwater walking platform and gathering underwater data and sending data to pc and other design is mainly posed of L298N motor,LM2596 voltage regulator module, MG995 servo motor, MCU minimum system wifi receiving order of pc to control L298N motor, it drives turbine to walking underwater. The Steering engine below engine body drives empennage to control direction. The engine body ’left steering engine drives left wing diving. The engine body ’right steering engine drives right wing ing up. The underwater experiment proves that this design can be carried out in basic moving function. Keywords: mobile platform underwater。 singlechipmicroputer。 actuator。wirelessmunication青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 背景及研究意義 隨著人類社會科學(xué)技術(shù)的不斷開拓與創(chuàng)新，人類 不得不加強(qiáng)水資源的進(jìn)一步開發(fā)和利用以滿足人類生活生產(chǎn)的需要，以此來保證人 類未來的生活能夠更加舒適，因此我們就更加需要 深入的了解水的基本特性才能 對水資源 進(jìn)行更深入的開發(fā)拓展和創(chuàng)新利用。而人類本身不能長期置身于水中去采集了解水下的信息，因此為了更加方便 地 了解水下的信息各種水下機(jī)器人應(yīng)運而生 ， 但是目前為止，還沒有成熟固定的水下機(jī)器人設(shè)計方法。 其中除了在軍事、科研等領(lǐng)域的應(yīng)用外，在現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè)也迫切需要水下機(jī)器人來進(jìn)行水下信息采集和處理 。水下機(jī)器人的形 式有仿生魚式、潛水艇式、動物行走的方式等多種形式。 本 設(shè)計是以潛水艇的機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)， 通過論述水下機(jī)器人的構(gòu)成、排水量的初步估算、艇形選擇、重量重心的計算、浮力浮心的計算、阻力的測定與計算、有效功率的計算等闡明了水下 行走平臺 基本的設(shè)計思路。 設(shè)計 水下操作平臺，可以 在 水中自主自由行走 ，通過相應(yīng)的傳感器檢測水中的各種情況，比如水的溫度、水流速度、 PH 值、污染物、障礙物、外來物種、水底地形等，并且能夠特殊水域代替人類在水下作業(yè)，完成特殊的任務(wù)。 國內(nèi)外發(fā)展概況 國外水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展相對于國內(nèi)來說 起步比較 早 發(fā)展比較快速，而且技術(shù) 比較先進(jìn)，其中是以美國、日本以及西方歐洲等的發(fā)達(dá)國家為主 。 對于水下行走平臺的設(shè)計業(yè)有不同層次的研究，目前 相對來說 較 為 成熟穩(wěn)定的水下機(jī)器人主要有仿生魚 形 、橢圓形、圓筒形等 幾種 形式。 美國是最先發(fā)展水下機(jī)器人的國家，他們掌握著水下機(jī)器人較高的技術(shù)水平。 1989 年，美國人 Henry Stommel 在海洋學(xué)雜志（ Journal of Oceanography）上發(fā)表了一篇題為 “TheSlocum Mission”的論文 [1]，開啟了水下滑翔機(jī)的平臺。 1994 年 MIT 研究組成 功研制了世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚 (Rl0botun ） [2]。1998 年， 又 推出 一種 仿黃鰭金槍魚 的水下行走機(jī)器人 ，長 8 英尺，重 300 磅， 這是 利用現(xiàn)代 自動控制技術(shù)以及各方面的綜合應(yīng)用開發(fā)出一種能夠利用機(jī)械結(jié)構(gòu)的渦輪推動產(chǎn)生渦青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 流控制推進(jìn)的自主運行的水下機(jī)器人 [3] 。 日本， 20世紀(jì) 90年代初，名古屋大學(xué) Toshio Fukuda教授開始了微型仿 生 魚水下推進(jìn)器的研究，他先后研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動的微型身體波動式水下推進(jìn)器和壓電陶瓷驅(qū)動的雙鰭微型機(jī)器魚 [4]。 魚類行為學(xué)家的研究表明 ， 大多數(shù)魚類把身體 當(dāng)作推進(jìn)器 , 身體左右擺動擊水 ， 利用其產(chǎn)生的反作用力使魚體向前推進(jìn) [5]。目前，仿魚推進(jìn)技術(shù)的研究還沒有達(dá)到實用程度，針對理論研究和性能驗證的機(jī)器魚設(shè)計正在實驗空進(jìn)行從體積的角度來劃分，可分為常規(guī)機(jī)器魚和微小型機(jī)器魚，常規(guī)機(jī)器魚的研究與開發(fā) ， 旨住設(shè)計一種快速，高效、可操縱的水下推進(jìn)裝置，試圖 從 水下潛器和水下機(jī)器人領(lǐng)域取代螺旋漿等常規(guī)推進(jìn)器 [6]。 還有另外一種推進(jìn)器方式是噴水式助推器，噴水推進(jìn)器利用推進(jìn)泵噴出水流的反作用力作為動力。 噴水推進(jìn)裝置的導(dǎo)管不僅起到了分割流場、產(chǎn)生推力增值的作用，而且可使推進(jìn)泵的葉 輪在均勻的流場中工作，在高速范圍內(nèi)有更好的抗空泡性能 ， 因而達(dá)到更高的效率。 噴水推進(jìn)的效率主要取決于推進(jìn)泵效率和噴水系統(tǒng)效率 [7]。 2020 年 8 月， 北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人所和中科院自動化所合作研制出實用的仿生機(jī)器魚，參加了對鄭成功古戰(zhàn)船遺址的水下考古探測 [8]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國家自然科學(xué)基金支持下研制出了仿生機(jī)器魚樣機(jī)， 2020 年他們又研制了一條仿生機(jī)器魚樣機(jī)“HRF—I”[9]。 但是目前國內(nèi)外研究的水下機(jī)器人、潛水器等設(shè)備大多是應(yīng)用在科研和軍事領(lǐng)域，且其造價成本都很高，對于普通的水產(chǎn)養(yǎng)殖、水庫環(huán)境 觀測的小型的應(yīng)用來說難以去購買和應(yīng)用這些設(shè)備，因此需要設(shè)計一款成本相對來說比較低，能夠在水下行走，能夠檢測基本的環(huán)境數(shù)據(jù)，為水產(chǎn)養(yǎng)殖等提供參考數(shù)據(jù)。 研究內(nèi)容： 1． 設(shè)計水下行走機(jī)械結(jié)構(gòu) 。 需要設(shè)計 水下平臺 行進(jìn)的推動渦輪機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計，及水下行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向及下沉上浮機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計， 使 整個機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定在水下行走 。要求選擇合適的 水下平臺 材料，以及機(jī)構(gòu)形狀 設(shè)計，并進(jìn)行相關(guān)的實驗， 以 確定哪種材料是最合適的， 哪 種形狀結(jié)構(gòu)式最可行的，確立具體的水下行走的整體的機(jī)構(gòu)設(shè)計。 2． 設(shè)計相應(yīng)的控制電路。在 水下平臺 內(nèi)部設(shè)計完成相關(guān)單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計，以及其外部輔助電路的設(shè)計 。 包括電機(jī)驅(qū)動器，穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計，以及舵機(jī)驅(qū)動器的設(shè)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 計，調(diào)試并完成整體性能要求以配合整體機(jī)械結(jié)構(gòu)完成水下行走的目標(biāo)。 3．設(shè)計通訊及控制軟件。選擇較為合適的無線通信模塊，并完成上下位機(jī)的通訊 。并與 上位機(jī) 位機(jī)進(jìn)行調(diào)試完成控制代碼及參數(shù)代碼的轉(zhuǎn)換工作。 研究目標(biāo)： 本設(shè)計采用 STC89C52 系列單片機(jī)控制系統(tǒng) 調(diào)試并完成水下行走平臺與上位機(jī)軟件通訊 、 以及水下行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計 。 包括 水下平臺 外殼設(shè)計與內(nèi)部硬件設(shè)計和內(nèi)部電路設(shè)計 。通過與上位機(jī)的調(diào)試達(dá)到上位機(jī)自由控制 水下平臺 在水下穩(wěn)定行走并可以進(jìn)行前進(jìn)后退、上下潛浮、左右轉(zhuǎn)向等的工作，以及 水下平臺 在水下采集水中環(huán)境的信息并發(fā)送水下數(shù)據(jù)到上位機(jī)，并由上位機(jī)進(jìn)行處理并顯示與存儲數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)水下養(yǎng)殖與檢測設(shè)備研究奠定基礎(chǔ)。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 方案及論證 方案一： 采用 STC 公司的 STC89C52RC 系列的單片機(jī)最小系統(tǒng)板作為控制單元 。 主要用于接收采集無線模 塊數(shù)據(jù)指令，進(jìn)行相應(yīng)的計算數(shù)據(jù)處理計算后得到相應(yīng)的控制參數(shù) ， 然后發(fā)送至 I/O 口執(zhí)行相應(yīng)的指令 ， 完成相應(yīng)動作 ， 完成 水下平臺 運動要求。 方案二： 采用意法半導(dǎo)體的 STM32F103 作為控制單元 。 主要用于接收采集無線模塊數(shù)據(jù)指令，進(jìn)行相應(yīng)的計算數(shù)據(jù)處理計算后得到相應(yīng)的控制參數(shù) ， 發(fā)送至 I/O 口 執(zhí)行 相應(yīng)的指令 ， 進(jìn)行相應(yīng)動作 ， 完成 水下平臺 運動要求。 方案比較： 方案一中 STC89C52 系列單片機(jī)是一種 8 位單片機(jī)，在低端應(yīng)用方面 ,8 位單片機(jī)是滿足絕大多數(shù)的對象控制要求的最佳選擇。在實際工作中并不是都要求計算機(jī)有很高的性能 ， 工 業(yè)控制更是如此 。 在絕大多數(shù)場合 ， 傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化 、 自動化的要求并不是很復(fù)雜 ， 8 位單片機(jī)完全可以解決問題。如采用高性能的 16 位機(jī)、 32 位機(jī) ， 不僅是一種資源浪費 ， 而且延長了開發(fā)周期 ， 提高了成本 [10]。 并且 STC89C52 系列單片機(jī) 能量消耗低、相對于其他低價格的單片機(jī)，性價比比較高。操作方便，并且可以采用 C 語言進(jìn)行程序編寫簡單，所用的成本非常低，雖然最小系統(tǒng)體積小功能齊全，非常符合此系統(tǒng) 水下平臺 設(shè)計的控制參數(shù)等的要求。方案二中 STM32F103 雖然功能較 STC89C52RC 系列單片機(jī)的功能齊全，而且功能非常強(qiáng) 大，但是相對來說花費的成本比較高，并且 STM32F103最小系統(tǒng)板比較大，此次涉及的系統(tǒng) 水下平臺 體型較小，因此不適合本設(shè)計使用。因此選擇方案一。 方案一： 采用 SGS 公司的 L298N 作為渦輪電機(jī)的驅(qū)動模塊，驅(qū)動渦輪推動 水下平臺行走。 方案二： 采用 Infineon 公司的 BTN7960 作為渦輪電機(jī)的驅(qū)動模塊。 方案比較： 方案一中 L298N 驅(qū)動是 ST 公司生產(chǎn)的一種電壓承受等級相比較高、電流相比較大的電機(jī)驅(qū)動芯片。額定功率可以達(dá)到 25W 左右。此芯片采用的是標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平作青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 為控制信號； 它具有兩個使能 控 制端，使用 L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)可以同時驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。 在使用的電路設(shè)計中需要通過光電耦合器進(jìn)行隔離，使其抗干擾能力更強(qiáng)， PWM 脈寬可以進(jìn)行平滑調(diào)速，并且可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的不同控制。 而且 價格相對便宜，基本符合設(shè)計要求。方案二中 BTN7960 驅(qū)動能力較 L298N 強(qiáng)，但是控制直流電機(jī)的正反方向轉(zhuǎn)時需用兩個驅(qū)動器才能完成，并且成本相對 L298N 來說較高。因此該系統(tǒng) 水下平臺 的電機(jī)驅(qū)動模塊需要選擇方案一作為主要實施方案。 方案一 :采用 LM2596 可調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓芯片作為系統(tǒng)穩(wěn)壓電源 方案二： 采用 LM7805 作為系統(tǒng)穩(wěn)壓電源 方案比較： 由于水下阻力較大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性 要求較高，且系統(tǒng)內(nèi)部帶有三個舵機(jī)，舵機(jī)穩(wěn)定運行需要穩(wěn)定的電源 供電 ，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行， LM7805 僅可給 CPU 供電，滿足不了系統(tǒng)要求， 并且通過試驗證明 LM7805 提供的電流不足以 給舵機(jī)提供 足夠功率 ，而 LM2596 能夠同時為三個舵機(jī)提供穩(wěn)定電壓供整個系統(tǒng) 水下平臺 的轉(zhuǎn)向使用， 因此采用LM2596 作為穩(wěn)壓模塊的穩(wěn)壓芯片， 本 系統(tǒng) 水下平臺 的電源供電模塊需要選擇方案一作為主要實施方案。 方案一： 采用垂直方向渦輪 轉(zhuǎn)動的 反作用力推動 水下平臺 下潛 ， 其 實物如圖 21 所示 。 圖 21 渦輪式潛水外觀圖 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 方案二： 采用 水下平臺 內(nèi)置氣囊 的方式。 通過吸排水改變 水下平臺 自身密度實現(xiàn)上下浮動 。 該方法需要選擇合適的水泵作為吸排水的工具 。 由于需