【正文】 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。wirelessmunication青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(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 不得不加強水資源的進一步開發(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 進行更深入的開發(fā)拓展和創(chuàng)新利用。通過水下試驗，證明本設(shè)計可以進行水中基本移動功能。以 STC 公司的 STC89C52 單片機為核心控制單元，實現(xiàn)了對水下行走平臺的直線、轉(zhuǎn)向、潛浮等的運動控制。本文進行了水下移動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過無線模塊接收到上位機指令控制 L298N 驅(qū)動電機帶動渦輪推動 水下平臺 在水下行走， 水下平臺 下方舵機帶動尾翼控制 水下平臺 轉(zhuǎn)向， 水下平臺 左側(cè)及右側(cè) 舵機分別帶動左右翼控制 水下平臺 下潛與上浮。 actuator。水下機器人的形 式有仿生魚式、潛水艇式、動物行走的方式等多種形式。 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)定的水下機器人主要有仿生魚 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 的水下行走機器人 ，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)出一種能夠利用機械結(jié)構(gòu)的渦輪推動產(chǎn)生渦青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 流控制推進的自主運行的水下機器人 [3] 。 還有另外一種推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。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器魚樣機， 2020 年他們又研制了一條仿生機器魚樣機“HRF—I”[9]。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。 3．設(shè)計通訊及控制軟件。 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 。 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 位單片機完全可以解決問題。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。 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。 而且 價格相對便宜，基本符合設(shè)計要求。 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 。 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 。 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， 且 水下平臺 采用內(nèi)置 電池供電，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(dǎo)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 致系統(tǒng)不能正常工作。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。在外 部下側(cè)夾帶負(fù)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。 但外部負(fù)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。 圖 26 RWF1無線模塊 方案二： 采用 NRF2401 無線模塊進行上位機與下位機的通訊工作。因此采用方案一。 在 水下平臺 前方左右兩側(cè)安裝可以正反轉(zhuǎn)的渦輪，通過渦輪轉(zhuǎn)動推動水流，產(chǎn)生反作用力從而推動 水下平臺 配合主渦輪助推器完成水下平臺 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)行機構(gòu)，帶動渦輪轉(zhuǎn)動，推動 水下平臺 前進 。 SRWF108無線模塊 STC89C52單片機控制系統(tǒng) L298N電機驅(qū)動 轉(zhuǎn)向舵機 大功率電池 上位機（ PC） 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 33系統(tǒng)總體程序流程圖 系統(tǒng)首先在上位機軟件控制界面點擊對應(yīng)的 按鈕發(fā)送相關(guān)指令，在接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)指令后單片機最小系統(tǒng)會產(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)向舵機及 CPU 提供穩(wěn)定電壓 ， 以保證系統(tǒng)正常運行 。電路原理圖如圖 42 所示： 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 12P112P212345678P?Header 8EN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U?L298NVCCD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D8VCCAA+BB+L2L4L1L310KR110KR2 圖 42 L298N驅(qū)動模塊原理圖 在完成水下運動 平臺 的運動部分的控制 的前提下， 需要進行 對 水下信息 的 采集，其中最基本的水下環(huán)境的檢測參數(shù)是溫度，鑒于其他環(huán)境參數(shù)的檢測傳感器，例如： PH 值，渾濁度，氨基酸，磷含量等 成本 相對 較高 ，因此優(yōu)先測量水下溫度參數(shù) 。 該 芯片是比較常用的 8 位單片機 ，可以采用 C 語言編寫程序，使用 簡單， 最小系統(tǒng)原理圖較為 簡單。此方式是根據(jù)現(xiàn)代潛水艇的工作原理通過吸排水改變 水下平臺 密度從而實現(xiàn)上下浮動以及停留在水下某個位置，采集對應(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 測量得到 水下平臺 長度為 40cm，直徑為 11cm，氣囊的長度為 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） 則對應(yīng)的水的重量為： ????? ? 公式（ 42） 則在初始階段完全排出空氣時，忽略氣囊自身體積， 氣囊 體積減小 785cm3，此時 水下平臺 密度不變，當(dāng)氣囊通過齒輪式水泵吸水 后密度變大，在配重達到漂浮在水面的臨界水平條件下，水下平臺 下潛，到達某個臨界位置，具體的吸水程度與下潛程度對應(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?。▎挝?cm3） 下潛深度（單位 cm） 續(xù)航時間（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)場試驗情況估測 上位機發(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)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 試驗相關(guān)圖片如圖 47 所示： 圖 47氣囊式潛浮下潛過程圖 。位置 舵板轉(zhuǎn)動至 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)場試驗情況估測 試驗相關(guān)圖片如圖 410 所示： 圖 410舵板式潛浮下潛過程圖 由試驗數(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 為上位機發(fā)送至下位機的數(shù)據(jù)以確保能夠觀察上位機發(fā)送正確， “ 接收數(shù)據(jù) ”窗口 為下位機在接收到數(shù)據(jù)后 再 發(fā)送至上位機，以 便于觀察 下位機正常接收到數(shù)據(jù)。其整體由腔體外殼、渦輪推動機構(gòu)、側(cè)翼轉(zhuǎn)向板機構(gòu)、尾翼轉(zhuǎn)向板機構(gòu)等外部助力行進機構(gòu)組成。 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 系統(tǒng)各部分軟件設(shè)計 為了 保證 無線模塊傳送距離較遠 且信號穩(wěn)定 ， 選用 SRWF1 無線串口通訊模塊 。 NRF2401 無線模塊具有 更高的優(yōu)勢。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。 水下行走平臺采用 STC89C52 系列單片機作為舵機控制的信號來源， 由于單片機具有性能穩(wěn)定、編程靈活、精度較高、價格低廉等特點，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。 //加 1 計數(shù)器低 8 位 TH0 賦初值 i++。// 使得左側(cè)部的轉(zhuǎn)向舵機信號端為高電平 } 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)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 */ bit Init_DS18B20(void) { bit dat=0。 //單片機將 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 dat=1。 } return(dat)。 i) { DQ = 0。 DQ = 1。 unsigned int b=0。 // 跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0x44)。 //跳過讀序號列號的操作 WriteOneChar(0xBE)。 t=a+b。由于現(xiàn)階段類似于該系統(tǒng) 水下平臺 的設(shè)計較少，所以本設(shè)計以方案假設(shè)和 試驗驗證為主，主要測試多個實施方案，確認(rèn)方案的可行性。 2. 通過試驗對比出各種方案的優(yōu)缺點，以為進一步設(shè)計提供參考。 助推器建議采用，渦輪推動的方式，行走速度更快。 19 [5] 梁建宏 ,王田苗 ,魏洪興 . 水下仿生機器魚的研究進展 I魚類推進機理 [B]. 北京航空航天大學(xué)機器人研究所 ,北京 ,100083:12. [6] 喻俊志 , 陳爾奎 , 王 碩等 . 仿 生 機 器魚 研 究 的 進 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 .仿生機器魚的控制系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究 [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 .新型仿魚推進器的設(shè)計 [A]. 廣州 :廣州 航海高等?？茖W(xué)校輪機系 , 廣東廣州 :510725。感謝在百忙之中抽出時間參加論文審閱和答辯 的各位老師！再次向所有 關(guān)心我、愛護我、幫助我的人表示衷心的感謝 ！ 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 附錄 試驗時照片 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 35