【正文】 想漂浮效果 。而方案二中使用的 NRF2401 無(wú)線模塊傳送距離為 200 米，且須在無(wú)遮擋物的狀態(tài)下， 并 且對(duì)NRF2401 的控制需要 8 個(gè) I/O，占用的 I/O 口較多，并且傳輸距離較短信號(hào)較弱，不 符合系統(tǒng) 水下平臺(tái) 的設(shè)計(jì)要求。 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） 10 圖 210水泵吸水口及排水口圖 方案比較 :上述方案一中船舵的方式較易安裝和調(diào)試，也可及時(shí)觀察其 運(yùn)行過(guò)程中 狀態(tài) ，方案二中的渦輪推動(dòng)的方式作用效果明顯，動(dòng)力充足，但是由于 水下平臺(tái) 是在水下運(yùn)行，須做好防水方式措施，經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)該方案中需采用大功率特種防水電機(jī)，其成本相對(duì)本設(shè)計(jì)的要求較高，且體積較大 。 由于水下阻力較大，因此需要采用大功率電池以保證電源有較大電流輸出，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。 由于阻力較大，需采用 光電耦合器 進(jìn)行電氣隔離，以保護(hù)電路正常運(yùn)行 而不被燒壞 。 無(wú)線串口通訊模塊的系統(tǒng)原理圖如圖 45 所示： TXDRXDVCCGND天線*SRWF1VCC12P3天線無(wú)線模塊 圖 45 無(wú)線模塊原理圖及實(shí)物圖 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） 17 。為基準(zhǔn)） 下潛 15cm 所需時(shí)間（單位 s） 下潛 30cm 所需時(shí)間（單位 s） 續(xù)航時(shí)間 5176。 上位機(jī)控制界面應(yīng)用 VB 語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，并且通過(guò)串口通訊將要發(fā)送的指令發(fā)送到無(wú)線模塊 SRWF1，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī) 水下平臺(tái) 的運(yùn)動(dòng)控制以及水下環(huán)境參數(shù)的采集 處理和存儲(chǔ)。 該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部分的防水 主要是通過(guò)固體潤(rùn)滑油 進(jìn)行 內(nèi)部填充，使系統(tǒng) 水下平臺(tái) 在低水壓下不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)水 現(xiàn)象 ，同時(shí)對(duì) 水下平臺(tái) 的運(yùn) 動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立的封閉，使得舵機(jī)以及減速器等的單獨(dú)密封，即使進(jìn)水也只損壞動(dòng)力傳動(dòng)部分，不會(huì)影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行狀態(tài)。 TTL 電平接口 /RS232 接口 /RS485 接口，用戶(hù)可根據(jù)自己的需求選擇。 SM1=1。 //標(biāo)志位清零 T=SBUF。//加 1 計(jì)數(shù)器高 8 位 TH0 賦初值 TL0=(65536100)%256。// 使得右側(cè)部的轉(zhuǎn)向舵機(jī)信號(hào)端為低電平 } if(i==200) //計(jì)數(shù)滿(mǎn) 200 則歸零 ， 用于舵機(jī) 20ms 周期累計(jì) {i=0。 //稍做延時(shí) DQ = 0。 } /* 讀取一個(gè)字節(jié) */ unsigned char ReadOneChar(void) { unsigned char i=0。 DelayUs2x(25)。 DelayUs2x(25)。 WriteOneChar(0xCC)。 //高位 b=8。 理，改變水下行走平臺(tái)的潛水方式，突破了以往內(nèi)置腔體式的潛水方式，這樣的方式潛水效果更明顯效率更高。AnAl F,eta1. swimming experiment of micro mobile robot in water. 1994,IEEE Im Conf on Robotics and Automation York:IEEE Press。 2. 北京 :郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 , 1009 8526( 2020) 01 0010 05. [10]高衛(wèi)東 . 51單片機(jī)原理與實(shí)踐 (C 語(yǔ)言版 ) [M]。 在水下行走平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)多種可行性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，確定最符合自身設(shè)計(jì)的要求的設(shè)計(jì)方案。 return(t)。 // 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 DelayMs(1000)。 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） 26 dat=1。 } /* 寫(xiě)入一個(gè)字節(jié) */ void WriteOneChar(unsigned char dat) { unsigned char i=0。 for (i=8。 //精確延時(shí) 大于 480us 小于 960us DelayUs2x(200)。 } DS18B20溫度檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì) 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，磷含量等相對(duì) 成本比較高 。 //計(jì)數(shù) ,每執(zhí)行一次加 1， 用于 PWM 波 20ms 周期累計(jì) if(i=j) { PWM_level=1。 //把值輸出到 P1 口，用于觀察 } if(TI) //如果是發(fā)送標(biāo)志位，清零 TI=0。 } void SendByte(unsigned char dat) //發(fā)送一個(gè)字節(jié) { ES=0。 ，編程簡(jiǎn)單靈活用戶(hù)使用方便。SRWF1 系列無(wú)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(xiě)程序方便使用簡(jiǎn)單，使用的 I/O 也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，方便操作。上位機(jī)串口通訊 設(shè)計(jì)框圖 及控制界面如圖 411 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） 20 圖 411 系統(tǒng) 上位機(jī)整體框圖和 上位機(jī)操作界面 水下平臺(tái) 外觀經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得知需要采用圓筒形的外殼，其外形圓滑， 且在水下行走平臺(tái)前端改為錐形， 能夠在水中極大程度的減小行進(jìn)過(guò)程中的阻力，從而確保 水下平臺(tái) 運(yùn)行流暢 。 8 20 2025 15176。該方式是根據(jù)飛機(jī)機(jī)翼的原理，采用舵機(jī)連接 水下平臺(tái) 左右兩側(cè)的舵板，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度改變受力方向， 而使 水下平臺(tái) 完成下潛的動(dòng)作。 并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò) SRWF1 無(wú)線模塊發(fā)送至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行存儲(chǔ) 。 在串口中斷產(chǎn)生后，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū) SBUF的值賦給臨時(shí)變量 Temp 將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之后繼續(xù)等待下一次中斷產(chǎn)生，同時(shí)開(kāi)始掃描 Temp 的值，判斷是什么數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的指令， 執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作 ，完成整個(gè)系統(tǒng)工作流程。因此需采用方案一中的船舵的轉(zhuǎn)向方式較為合適。 轉(zhuǎn)向 部分設(shè)計(jì) 方案一 :水下平臺(tái) 轉(zhuǎn)向采用船舵的方式 。所以采用方案一較為合 適。 方案一 :采用內(nèi)部負(fù)重 的方式 。 方案三： 采用 水下平臺(tái) 左右兩側(cè)安裝舵板的方式 。方案二中 BTN7960 驅(qū)動(dòng)能力較 L298N 強(qiáng)，但是控制直流電機(jī)的正反方向轉(zhuǎn)時(shí)需用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器才能完成，并且成本相對(duì) L298N 來(lái)說(shuō)較高。因此選擇方案一。 主要用于接收采集無(wú)線模塊數(shù)據(jù)指令，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算數(shù)據(jù)處理計(jì)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(dòng)作 ， 完成 水下平臺(tái) 運(yùn)動(dòng)要求。選擇較為合適的無(wú)線通信模塊，并完成上下位機(jī)的通訊 。 但是目前國(guó)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(jià)成本都很高，對(duì)于普通的水產(chǎn)養(yǎng)殖、水庫(kù)環(huán)境 觀測(cè)的小型的應(yīng)用來(lái)說(shuō)難以去購(gòu)買(mǎi)和應(yīng)用這些設(shè)備，因此需要設(shè)計(jì)一款成本相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，能夠在水下行走，能夠檢測(cè)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)。 日本， 20世紀(jì) 90年代初，名古屋大學(xué) Toshio Fukuda教授開(kāi)始了微型仿 生 魚(yú)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(dòng)的微型身體波動(dòng)式水下推進(jìn)器和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的雙鰭微型機(jī)器魚(yú) [4]。 本 設(shè)計(jì)是以潛水艇的機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)， 通過(guò)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(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。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。本文進(jìn)行了水下移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 actuator。 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。 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。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)。 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) 。 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。 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 。 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。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。 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。 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。 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) 。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 。 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。位置 舵板轉(zhuǎn)動(dòng)至 75176。 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。 NRF2401 無(wú)線模塊具有 更高的優(yōu)勢(shì)。 TL1=0XFD。 TI = 0。 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]。// 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。 //15~60us 后 接收 60240us 的存在脈沖 dat=DQ。 // 給脈沖信號(hào) dat=1。 i) { DQ = 0。 unsigned int b=0。 //跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作 WriteOneChar(0xBE)。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。 助推器建議采用，渦輪推動(dòng)的方式，行走速度更快。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