【正文】 19 [5] 梁建宏 ,王田苗 ,魏洪興 . 水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展 I魚類推進(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 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。 2. 通過試驗(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。 t=a+b。 // 跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0x44)。 DQ = 1。 } return(dat)。 unsigned char dat = 0。 //單片機(jī)將 DQ 拉低 DelayUs2x(200)。}。 //加 1 計(jì)數(shù)器低 8 位 TH0 賦初值 i++。 //讀入緩沖區(qū)的值 P1= T。 EA=1。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。 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 無線模塊傳送距離較遠(yuǎn) 且信號(hào)穩(wěn)定 ， 選用 SRWF1 無線串口通訊模塊 。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)。 10 25 2025 10176。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(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?。▎挝?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氣囊式潛浮下潛過程圖 。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) 。 SRWF108無線模塊 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 。 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。因此采用方案一。 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。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。 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(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 。 而且 價(jià)格相對(duì)便宜，基本符合設(shè)計(jì)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(duì)來說花費(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。 方案二： 采用意法半導(dǎo)體的 STM32F103 作為控制單元 。 3．設(shè)計(jì)通訊及控制軟件。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]。1998 年， 又 推出 一種 仿黃鰭金槍魚 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] 。水下機(jī)器人的形 式有仿生魚式、潛水艇式、動(dòng)物行走的方式等多種形式。通過無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。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。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 隨著人類社會(huì)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(duì)水資源 進(jìn)行更深入的開發(fā)拓展和創(chuàng)新利用。 美國(guó)是最先發(fā)展水下機(jī)器人的國(guó)家，他們掌握著水下機(jī)器人較高的技術(shù)水平。 噴水推進(jìn)裝置的導(dǎo)管不僅起到了分割流場(chǎng)、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(chǎng)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。 2． 設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路。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(tái) 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(tái) 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(chǔ)數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)水下養(yǎng)殖與檢測(cè)設(shè)備研究奠定基礎(chǔ)。如采用高性能的 16 位機(jī)、 32 位機(jī) ， 不僅是一種資源浪費(fèi) ， 而且延長(zhǎng)了開發(fā)周期 ， 提高了成本 [10]。額定功率可以達(dá)到 25W 左右。 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(jì)（論文） 6 方案二： 采用 水下平臺(tái) 內(nèi)置氣囊 的方式。方案二中內(nèi)置氣囊通過吸排水改變 水下平臺(tái) 密度使 水下平臺(tái) 能夠穩(wěn)定在水下某個(gè)位置，效果較理想， 但是 通過試驗(yàn)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(dǎo)致 水下平臺(tái) 內(nèi)氣壓發(fā)生變化， 可能 造成 水下平臺(tái) 漏水，損壞控制電路，造成系統(tǒng)崩潰 。 圖 25外部配重方式圖 方案比較： 方案一中采用內(nèi)部負(fù)重的方式，既保持了 水下平臺(tái) 具有良好的平衡性，又青島農(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） 8 減少水中阻力，并且外表較為美觀 。 圖 27 NRF2401無線模塊 方案比較： 方案一中選用 SRWF1 無線串口通訊模塊 。 圖 29轉(zhuǎn)向渦輪 方案三 : 水下平臺(tái) 轉(zhuǎn)向采用水泵正反向吸 排水推動(dòng)水流的方式 。 SRWF1作為串口無線通訊模塊用于接收上位機(jī)（ PC）通過串口發(fā)送的指令，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)最小系統(tǒng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后執(zhí)行相應(yīng)指令動(dòng)作。 電路原理圖 及實(shí)物 如圖 41 所示： Vin1ON5GND3OUT2F4U1 LM2596Vin680uFC1D1220uFC230mHL1OUT100uFC3 圖 41穩(wěn)壓電源模塊原理圖及實(shí)物圖 由于水下阻力較大，渦輪推動(dòng) 水下平臺(tái) 前進(jìn)過程中，需要電機(jī)能夠提供充足動(dòng)力，且不能因轉(zhuǎn)速過快導(dǎo)致電流過大而燒壞電機(jī)以及驅(qū)動(dòng) 。其電路原理圖如圖 44 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） 16 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345(MOSI)6(MISO)7(SCK)8(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG30(TXD)11(RXD)10GND20VCC40U7AT89S51Y26MC1120PC1220P+5123456789JP2Header 9RESETS6R1110K+5C512345678H2H8C312345678H3H812345678H4H812345678H5H8 圖 44 STC89C52單片機(jī)原理圖 鑒于 水下平臺(tái)在水下運(yùn)行 ，信號(hào)的傳送需要非常穩(wěn)定以保證系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，SRWF1 系列無線模塊傳輸距離 最遠(yuǎn) 可以達(dá)到 2020 米，且為串口通信方式，編寫程序方便使用簡(jiǎn)單，使用的 I/O 僅有 TXD 和 RXD，操作 方便 。位置 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） 19 在助推器的