【正文】 算、艇形選擇、重量重心的計(jì)算、浮力浮心的計(jì)算、阻力的測(cè)定與計(jì)算、有效功率的計(jì)算等闡明了水下 行走平臺(tái) 基本的設(shè)計(jì)思路。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(jì)（論文） 1 緒論 背景及研究意義 隨著人類(lèi)社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷開(kāi)拓與創(chuàng)新，人類(lèi) 不得不加強(qiáng)水資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用以滿足人類(lèi)生活生產(chǎn)的需要，以此來(lái)保證人 類(lèi)未來(lái)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(duì)水資源 進(jìn)行更深入的開(kāi)發(fā)拓展和創(chuàng)新利用。通過(guò)水下試驗(yàn)，證明本設(shè)計(jì)可以進(jìn)行水中基本移動(dòng)功能。以 STC 公司的 STC89C52 單片機(jī)為核心控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下行走平臺(tái)的直線、轉(zhuǎn)向、潛浮等的運(yùn)動(dòng)控制。本文進(jìn)行了水下移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)無(wú)線模塊接收到上位機(jī)指令控制 L298N 驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)渦輪推動(dòng) 水下平臺(tái) 在水下行走， 水下平臺(tái) 下方舵機(jī)帶動(dòng)尾翼控制 水下平臺(tái) 轉(zhuǎn)向， 水下平臺(tái) 左側(cè)及右側(cè) 舵機(jī)分別帶動(dòng)左右翼控制 水下平臺(tái) 下潛與上浮。 actuator。水下機(jī)器人的形 式有仿生魚(yú)式、潛水艇式、動(dòng)物行走的方式等多種形式。 對(duì)于水下行走平臺(tái)的設(shè)計(jì)業(yè)有不同層次的研究，目前 相對(duì)來(lái)說(shuō) 較 為 成熟穩(wěn)定的水下機(jī)器人主要有仿生魚(yú) 形 、橢圓形、圓筒形等 幾種 形式。1998 年， 又 推出 一種 仿黃鰭金槍魚(yú) 的水下行走機(jī)器人 ，長(zhǎng) 8 英尺，重 300 磅， 這是 利用現(xiàn)代 自動(dòng)控制技術(shù)以及各方面的綜合應(yīng)用開(kāi)發(fā)出一種能夠利用機(jī)械結(jié)構(gòu)的渦輪推動(dòng)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(jì)（論文） 2 流控制推進(jìn)的自主運(yùn)行的水下機(jī)器人 [3] 。 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(dòng)力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金支持下研制出了仿生機(jī)器魚(yú)樣機(jī)， 2020 年他們又研制了一條仿生機(jī)器魚(yú)樣機(jī)“HRF—I”[9]。要求選擇合適的 水下平臺(tái) 材料，以及機(jī)構(gòu)形狀 設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)， 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(jì)。 3．設(shè)計(jì)通訊及控制軟件。 包括 水下平臺(tái) 外殼設(shè)計(jì)與內(nèi)部硬件設(shè)計(jì)和內(nèi)部電路設(shè)計(jì) 。 方案二： 采用意法半導(dǎo)體的 STM32F103 作為控制單元 。 在絕大多數(shù)場(chǎng)合 ， 傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化 、 自動(dòng)化的要求并不是很復(fù)雜 ， 8 位單片機(jī)完全可以解決問(wèn)題。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(duì)來(lái)說(shuō)花費(fèi)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(tái) 體型較小，因此不適合本設(shè)計(jì)使用。 方案比較： 方案一中 L298N 驅(qū)動(dòng)是 ST 公司生產(chǎn)的一種電壓承受等級(jí)相比較高、電流相比較大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 而且 價(jià)格相對(duì)便宜，基本符合設(shè)計(jì)要求。 方案一： 采用垂直方向渦輪 轉(zhuǎn)動(dòng)的 反作用力推動(dòng) 水下平臺(tái) 下潛 ， 其 實(shí)物如圖 21 所示 。 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(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)正反方向吸排水， 操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)實(shí)物 如圖 22 所示 。 圖 22 氣囊式潛水實(shí)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(dòng)電機(jī)具有足夠的扭矩以及轉(zhuǎn)速，性能要求較高， 且 水下平臺(tái) 采用內(nèi)置 電池供電，在實(shí)際的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)置電池不足以同時(shí)為三部渦輪電機(jī)提供足夠的扭矩來(lái)推動(dòng) 水下平臺(tái) 下潛，且電機(jī) 消耗過(guò)大導(dǎo)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(jì)（論文） 7 致系統(tǒng)不能正常工作。因此 水下平臺(tái) 的潛浮模塊選擇 方案二和 方案三作為主要實(shí)施方案。在外 部下側(cè)夾帶負(fù)重腔，可以隨時(shí)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(shí)改變自身密度，改變潛浮的初始位置。 但外部負(fù)重極易造成 水下平臺(tái) 受到阻力，且易發(fā)生纏繞，造成系統(tǒng)崩潰。 圖 26 RWF1無(wú)線模塊 方案二： 采用 NRF2401 無(wú)線模塊進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的通訊工作。因此采用方案一。 在 水下平臺(tái) 前方左右兩側(cè)安裝可以正反轉(zhuǎn)的渦輪，通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)水流，產(chǎn)生反作用力從而推動(dòng) 水下平臺(tái) 配合主渦輪助推器完成水下平臺(tái) 轉(zhuǎn)向。 方案三中水泵吸水以及抽水產(chǎn)生的反作用力與方案二中 效果 相似， 也 需要較大功率的水泵才能 完成。 L298N 則作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng) 水下平臺(tái) 前進(jìn) 。 SRWF108無(wú)線模塊 STC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng) L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)向舵機(jī) 大功率電池 上位機(jī)（ PC） 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(jì)（論文） 13 圖 33系統(tǒng)總體程序流程圖 系統(tǒng)首先在上位機(jī)軟件控制界面點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的 按鈕發(fā)送相關(guān)指令，在接收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)指令后單片機(jī)最小系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生串口中斷 。該 穩(wěn)壓電源模塊 采用 LM2596 穩(wěn) 壓芯片經(jīng) 電源轉(zhuǎn)換為 5V 穩(wěn)壓電源，主要為轉(zhuǎn)向舵機(jī)及 CPU 提供穩(wěn)定電壓 ， 以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行 。電路原理圖如圖 42 所示： 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(jì)（論文） 15 12P112P212345678P?Header 8EN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U?L298NVCCD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D8VCCAA+BB+L2L4L1L310KR110KR2 圖 42 L298N驅(qū)動(dòng)模塊原理圖 在完成水下運(yùn)動(dòng) 平臺(tái) 的運(yùn)動(dòng)部分的控制 的前提下， 需要進(jìn)行 對(duì) 水下信息 的 采集，其中最基本的水下環(huán)境的檢測(cè)參數(shù)是溫度，鑒于其他環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)傳感器，例如： PH 值，渾濁度，氨基酸，磷含量等 成本 相對(duì) 較高 ，因此優(yōu)先測(cè)量水下溫度參數(shù) 。 該 芯片是比較常用的 8 位單片機(jī) ，可以采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，使用 簡(jiǎn)單， 最小系統(tǒng)原理圖較為 簡(jiǎn)單。此方式是根據(jù)現(xiàn)代潛水艇的工作原理通過(guò)吸排水改變 水下平臺(tái) 密度從而實(shí)現(xiàn)上下浮動(dòng)以及停留在水下某個(gè)位置，采集對(duì)應(yīng)的信息，其工作流程如圖 46 所示 ： 圖 46氣囊式潛浮工作流程圖 測(cè)量得到 水下平臺(tái) 長(zhǎng)度為 40cm，直徑為 11cm，氣囊的長(zhǎng)度為 14cm，直徑為 10cm，則由規(guī)則物體體積公式求得氣囊的體積為： 322 cm78 ??????? ? 公式（ 41） 則對(duì)應(yīng)的水的重量為： ????? ? 公式（ 42） 則在初始階段完全排出空氣時(shí)，忽略氣囊自身體積， 氣囊 體積減小 785cm3，此時(shí) 水下平臺(tái) 密度不變，當(dāng)氣囊通過(guò)齒輪式水泵吸水 后密度變大，在配重達(dá)到漂浮在水面的臨界水平條件下，水下平臺(tái) 下潛，到達(dá)某個(gè)臨界位置，具體的吸水程度與下潛程度對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如表 41 所示： 表 41氣囊式潛浮吸水 程度 與下潛程度表 吸水程度 氣囊體積減小（單位 cm3） 下潛深度（單位 cm） 續(xù)航時(shí)間（單位 min） 20% 157 5 3040 40% 314 20 3040 60% 471 50 3040 80% 628 70 3040 100% 785 80 3040 注： ：本校人工湖 ，以上數(shù)據(jù)為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況估測(cè) 上位機(jī)發(fā)出潛浮指令 吸水下潛 排水上浮 判斷下潛 或上浮 下潛 上浮 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(jì)（論文） 18 試驗(yàn)相關(guān)圖片如圖 47 所示： 圖 47氣囊式潛浮下潛過(guò)程圖 。位置 舵板轉(zhuǎn)動(dòng)至 75176。 10 25 2025 10176。 15 25 2025 注： ：本校人工湖 ，以上數(shù)據(jù)為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況估測(cè) 試驗(yàn)相關(guān)圖片如圖 410 所示： 圖 410舵板式潛浮下潛過(guò)程圖 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出氣囊式潛水深度較深，但是效率偏低 。其中 “ 發(fā)送數(shù)據(jù) ”窗口 為上位機(jī)發(fā)送至下位機(jī)的數(shù)據(jù)以確保能夠觀察上位機(jī)發(fā)送正確， “ 接收數(shù)據(jù) ”窗口 為下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后 再 發(fā)送至上位機(jī)，以 便于觀察 下位機(jī)正常接收到數(shù)據(jù)。其整體由腔體外殼、渦輪推動(dòng)機(jī)構(gòu)、側(cè)翼轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)、尾翼轉(zhuǎn)向板機(jī)構(gòu)等外部助力行進(jìn)機(jī)構(gòu)組成。 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(jì)（論文） 22 系統(tǒng)各部分軟件設(shè)計(jì) 為了 保證 無(wú)線模塊傳送距離較遠(yuǎn) 且信號(hào)穩(wěn)定 ， 選用 SRWF1 無(wú)線串口通訊模塊 。 NRF2401 無(wú)線模塊具有 更高的優(yōu)勢(shì)。有兩種選擇方式： TTL 電平接口加 RS232 接口；或者 TTL 電平接口加 RS485接口。 TL1=0XFD。 EA=1。 TI = 0。 //讀入緩沖區(qū)的值 P1= T。 水下行走平臺(tái)采用 STC89C52 系列單片機(jī)作為舵機(jī)控制的信號(hào)來(lái)源， 由于單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、編程靈活、精度較高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。 //加 1 計(jì)數(shù)器低 8 位 TH0 賦初值 i++。// 使得左側(cè)部的轉(zhuǎn)向舵機(jī)信號(hào)端為高電平 } if(ia) { PWM_vertical_left=0。}。其控制程序如下： /* 18b20 初始化 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(jì)（論文） 25 */ bit Init_DS18B20(void) { bit dat=0。 //單片機(jī)將 DQ 拉低 DelayUs2x(200)。 //15~60us 后 接收 60240us 的存在脈沖 dat=DQ。 unsigned char dat = 0。 // 給脈沖信號(hào) dat=1。 } return(dat)。 i) { DQ = 0。 DQ = 1。 unsigned int b=0。 // 跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0x44)。 //跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0xBE)。 t=a+b。由于現(xiàn)階段類(lèi)似于該系統(tǒng) 水下平臺(tái) 的設(shè)計(jì)較少，所以本設(shè)計(jì)以方案假設(shè)和 試驗(yàn)驗(yàn)證為主，主要測(cè)試多個(gè)實(shí)施方案，確認(rèn)方案的可行性。 2. 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比出各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以為進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供參考。 助推器建議采用，渦輪推動(dòng)的方式，行走速度更快。 19 [5] 梁建宏 ,王田苗 ,魏洪興 . 水下仿生機(jī)器魚(yú)的研究進(jìn)展 I魚(yú)類(lèi)推進(jìn)機(jī)理 [B]. 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所 ,北京 ,100083:12. [6] 喻俊志 , 陳爾奎 , 王 碩等 . 仿 生 機(jī) 器魚(yú) 研 究 的 進(jìn) 展與 分 析 [J]. 控 制 理論 與 應(yīng)用 ,2020,20(4):485491. [7] Stommel H. The slocum mission[J]. Oceanography, 1989, 2(1): 2225. [8]戴坡 .仿生機(jī)器魚(yú)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究 [D]. 哈爾濱 :哈爾濱 工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,2020. [9] 聶勇軍 , 廖啟征 .新型仿魚(yú)推進(jìn)器的設(shè)計(jì) [A]. 廣州 :廣州 航海高等?？茖W(xué)校輪機(jī)系 , 廣東廣州 :510725。感謝在百忙之中抽出時(shí)間參加論文審閱和答辯 的各位老師！再次向所有 關(guān)心我、愛(ài)護(hù)我、幫助我的人表示衷心的感謝 ！ 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(jì)（論文） 33 附錄 試驗(yàn)時(shí)照片 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(jì)（論文） 34 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(jì)（論文） 35