【正文】 進器方式是噴水式助推器，噴水推進器利用推進泵噴出水流的反作用力作為動力。 噴水推進裝置的導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，因而達到更高的效率。 噴水推進的效率主要取決于推進泵效率和噴水系統(tǒng)效率[7]。2004年8月，北京航空航天大學機器人所和中科院自動化所合作研制出實用的仿生機器魚，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)大學在國家自然科學基金支持下研制出了仿生機器魚樣機， 2006年他們又研制了一條仿生機器魚樣機“HRF—I”[9]。但是目前國內(nèi)外研究的水下機器人、潛水器等設(shè)備大多是應用在科研和軍事領(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)境觀測的小型的應用來說難以去購買和應用這些設(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)計水下行走機械結(jié)構(gòu)。需要設(shè)計水下平臺行進的推動渦輪機構(gòu)部分的設(shè)計，及水下行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向及下沉上浮機構(gòu)的相關(guān)設(shè)計，使整個機構(gòu)能夠穩(wěn)定在水下行走。要求選擇合適的水下平臺材料，以及機構(gòu)形狀設(shè)計，并進行相關(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構(gòu)設(shè)計。 2． 設(shè)計相應的控制電路。在水下平臺內(nèi)部設(shè)計完成相關(guān)單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，以及其外部輔助電路的設(shè)計。包括電機驅(qū)動器，穩(wěn)壓電源模塊的設(shè)計，以及舵機驅(qū)動器的設(shè)計，調(diào)試并完成整體性能要求以配合整體機械結(jié)構(gòu)完成水下行走的目標。 3．設(shè)計通訊及控制軟件。選擇較為合適的無線通信模塊，并完成上下位機的通訊。并與上位機位機進行調(diào)試完成控制代碼及參數(shù)代碼的轉(zhuǎn)換工作。研究目標：本設(shè)計采用STC89C52系列單片機控制系統(tǒng)調(diào)試并完成水下行走平臺與上位機軟件通訊、以及水下行走機構(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。通過與上位機的調(diào)試達到上位機自由控制水下平臺在水下穩(wěn)定行走并可以進行前進后退、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，并由上位機進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)。3方案及論證方案一：采用STC公司的STC89C52RC系列的單片機最小系統(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，進行相應的計算數(shù)據(jù)處理計算后得到相應的控制參數(shù)，然后發(fā)送至I/O口執(zhí)行相應的指令，完成相應動作，完成水下平臺運動要求。方案二：采用意法半導體的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，進行相應的計算數(shù)據(jù)處理計算后得到相應的控制參數(shù)，發(fā)送至I/O口執(zhí)行相應的指令，進行相應動作，完成水下平臺運動要求。方案比較：方案一中STC89C52系列單片機是一種8位單片機，在低端應用方面,8位單片機是滿足絕大多數(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雜，8位單片機完全可以解決問題。如采用高性能的16位機、32位機，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系列單片機能量消耗低、相對于其他低價格的單片機，性價比比較高。操作方便，并且可以采用C語言進行程序編寫簡單，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系列單片機的功能齊全，而且功能非常強大，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驅(qū)動芯片。額定功率可以達到25W左右。此芯片采用的是標準邏輯電平作為控制信號；它具有兩個使能控制端，使用L298N芯片驅(qū)動電機可以同時驅(qū)動兩臺直流電機。 在使用的電路設(shè)計中需要通過光電耦合器進行隔離，使其抗干擾能力更強，PWM脈寬可以進行平滑調(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，但是控制直流電機的正反方向轉(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，舵機穩(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提供足夠功率，而LM2596能夠同時為三個舵機提供穩(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。由于需要完成吸水及排水的工作因此需要采用齒輪式水泵，齒輪式水泵可以通過電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)正反方向吸排水，操作簡單，缺點是功率較小，耐壓力小，而普通柱塞是水泵功率大，耐壓力大，但是正反向吸排水較困難，因此該方式采用的是齒輪式水泵，實驗實物如圖22所示。方案三：采用水下平臺左右兩側(cè)安裝舵板的方式。通過機翼傾斜的角度，在水下平臺前進過程中，由于水的反作用力而下潛。實驗實物如圖23所示。 圖 22氣囊式潛水實物圖圖 23舵板式潛水圖方案比較：方案一中在垂直方向安裝渦輪的方式需要渦輪的驅(qū)動電機具有足夠的扭矩以及轉(zhuǎn)速，性能要求較高，在實際的試驗中發(fā)現(xiàn)內(nèi)置電池不足以同時為三部渦輪電機提供足夠的扭矩來推動水下平臺下潛，且電機消耗過大導致系統(tǒng)不能正常工作。方案二中內(nèi)置氣囊通過吸排水改變水下平臺密度使水下平臺能夠穩(wěn)定在水下某個位置，效果較理想，但是通過試驗結(jié)果分析氣囊式需要性能較高的齒輪式水泵完成吸排水工作，但是由于吸排水過程導致水下平臺內(nèi)氣壓發(fā)生變化，可能造成水下平臺漏水，損壞控制電路，造成系統(tǒng)崩潰。但在防水工作做好的前提下優(yōu)先采用該方案。方案三中采用水下平臺兩側(cè)安裝機翼的方式能夠改變水下平臺行進角度在助推器的推動下能夠完成潛浮的動作要求。因此水下平臺的潛浮模塊選擇方案二和方案三作為主要實施方案。方案一:采用內(nèi)部負重的方式。在水下平臺內(nèi)部填充配重物體，以改變水下平臺自身密度，從而達到改變水下平臺在水中的臨界位置。圖 24內(nèi)部負重方式圖方案二:采用外部負重方式。在外部下側(cè)夾帶負重腔，可以隨時添加或除去配重物體，方便在調(diào)試階段，以及在不同水質(zhì)不同密度下隨時改變自身密度，改變潛浮的初始位置。圖 25外部配重方式圖方案比較：方案一中采用內(nèi)部負重的方式，既保持了水下平臺具有良好的平衡性，又減少水中阻力，并且外表較為美觀。但在不同水質(zhì)環(huán)境下，水的浮力不同在改變自身密度方面較為復雜。方案二采用外部負重的方式，能夠隨時改變水下平臺負重，從而較方便的改變水下平臺的密度，以達到理想漂浮效果。但外部負重極易造成水下平臺受到阻力，且易發(fā)生纏繞，造成系統(tǒng)崩潰。所以采用方案一較為合適。方案一：采用SRWF1無線串口通訊模塊。進行上位機與下位機的通訊，完成對水下平臺運動的