【正文】 自動控制技術以及各方面的綜合應用開發(fā)出一種能夠利用機械結構的渦輪推動產生渦青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 流控制推進的自主運行的水下機器人 [3] 。 魚類行為學家的研究表明 ， 大多數魚類把身體 當作推進器 , 身體左右擺動擊水 ， 利用其產生的反作用力使魚體向前推進 [5]。 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。 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]。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， 2020 年他們又研制了一條仿生機器魚樣機“HRF—I”[9]。 研究內容： 1． 設計水下行走機械結構 。要求選擇合適的 水下平臺 材料，以及機構形狀 設計，并進行相關的實驗， 以 確定哪種材料是最合適的， 哪 種形狀結構式最可行的，確立具體的水下行走的整體的機構設計。在 水下平臺 內部設計完成相關單片機最小系統(tǒng)的設計，以及其外部輔助電路的設計 。 3．設計通訊及控制軟件。并與 上位機 位機進行調試完成控制代碼及參數代碼的轉換工作。 包括 水下平臺 外殼設計與內部硬件設計和內部電路設計 。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 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 。 方案二： 采用意法半導體的 STM32F103 作為控制單元 。 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的對象控制要求的最佳選擇。 在絕大多數場合 ， 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。 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。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，因此不適合本設計使用。 方案一： 采用 SGS 公司的 L298N 作為渦輪電機的驅動模塊，驅動渦輪推動 水下平臺行走。 方案比較： 方案一中 L298N 驅動是 ST 公司生產的一種電壓承受等級相比較高、電流相比較大的電機驅動芯片。此芯片采用的是標準邏輯電平作青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 為控制信號； 它具有兩個使能 控 制端，使用 L298N 芯片驅動電機可以同時驅動兩臺直流電機。 而且 價格相對便宜，基本符合設計要求。因此該系統(tǒng) 水下平臺 的電機驅動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 轉動的 反作用力推動 水下平臺 下潛 ， 其 實物如圖 21 所示 。 通過吸排水改變 水下平臺 自身密度實現(xiàn)上下浮動 。 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 。 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。 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 需要渦輪的驅動電機具有足夠的扭矩以及轉速，性能要求較高， 且 水下平臺 采用內置 電池供電，在實際的試驗中發(fā)現(xiàn)內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 消耗過大導青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 致系統(tǒng)不能正常工作。 但在防水工作做好的前提下優(yōu)先采用該方案 。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 水下平臺 內部填充配重物體，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。在外 部下側夾帶負重腔，可以隨時添加或 除去 配重物體，方便在調試階段，以及在不同水質不同密度下隨時改變自身密度，改變潛浮的初始位置。 但在不同水質環(huán)境下，水的浮力不同在改變自身密度方面較為復雜。 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。 方案一： 采用 SRWF1 無線串口通訊模塊 。 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。 鑒于系統(tǒng) 水下平臺 在水下運行，信號的傳送需要非常穩(wěn)定以保證系統(tǒng)能夠正常 運行， SRWF1 系列無線模塊有長達 15cm左右的外置天線，可以通過導線接到 水下平臺 外 部減少了水對信號的干擾和屏蔽作用，傳輸青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 距離 最遠 可以達到 2020 米，且為串口通信方式，使用簡單，使用的 I/O 也相 較少 。因此采用方案一。 在 水下平臺 下后方安裝 12*10 的矩形板 ， 利用矩形板的方向的偏轉 ， 產生反方向的作用力 ， 同時配合 水下平臺 主渦輪助推器， 推動 水下平臺 方向偏轉 ， 完成轉向的動作。 在 水下平臺 前方左右兩側安裝可以正反轉的渦輪，通過渦輪轉動推動水流，產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 轉向。 在 水下平臺 內部安裝水泵通過吸水以及排水產生的反作用力，配合 水下平臺 主渦輪助推器完成轉向的動作。 方案三中水泵吸水以及抽水產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。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 系統(tǒng)總體設計 硬件 電路 設計 系統(tǒng) 水下平臺 內部電路由電源模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、電機驅動模塊、 DS18B20溫度檢測模塊、 SRWF1 無線收 發(fā)模塊等組成 。 L298N 則作為執(zhí)行機構，帶動渦輪轉動，推動 水下平臺 前進 。系統(tǒng)電路總體原理圖如圖 31 所示： Vin1ON5GND3OUT2F4U1 LM2596Vin680uFC1D1220uFC230mHL1OUT100uFC3EA/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+5C512345678H2H8C312345678H3H812345678H4H812345678H5H812P112P212345678P?Header 8EN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U?L298NVCCD1 D2 D3 D4D5 D6 D7 D8VCCAA+BB+L2L4L1L310KR110KR2穩(wěn)壓電源STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng)L298N 電機驅動模塊TXDRXDVCCGND天線*SRWF1VCC12P3天線無線模塊DQ2GND1VCC3U6DS1820+5R1010K+5溫度DS18B20C1+1C13C2+4C25T1in11T2in10R1out12R2out9V+2V6T1out14T2out7R1in13R2in8VCC16GND15MAX232C6105C5105TXDRXDC7105C8105VCC1234567891110DB2D Connector 9R232_TXR232_RXTXD1DTR2RTS3VDD4RXD5RI_N6GND7NC8DSR_N9DCD_N10CTS_N11SHTD12E_CLK13E_DA14DP(D+)15DM(D)1617GND18NC19VCC20GND21TRI_S22LD_M23NC24GND_A25PLL_TE26OSC127OSC228U4PL2303R2627R2527C4Y112MC920PC1020PC14100uFVCC1D2D+3GND4U8USBC8VCCR272K 圖 31系統(tǒng)總體電路設計原理圖 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 12 軟件 設計 圖 32系統(tǒng)總體控制設計圖 首先由上位機通過軟件發(fā)送控制指令，并通過串口無線模塊發(fā)送，由下位機通過串口無線模塊接收到數據指令，下位機 的單片機 接收到指令后進行相應的數據處理，分析 SBUF的數值， 執(zhí)行相應的動作指令，完成水下行進以及數據采集等動作。 SRWF108無線模塊 STC89C52單片機控制系統(tǒng) L298N電機驅動 轉向舵機 大功率電池 上位機（ PC） 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（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的 按鈕發(fā)送相關指令，在接收到上位機發(fā)送的數據指令后單片機最小系統(tǒng)會產生串口中斷 。 初始化 判斷是否有中斷產生 掃描 SBUF 判斷鍵值 是 否 前進指令 后退指令 上浮指令 下潛指令 讀取參數 渦輪反 側翼下 側翼上 信息 右轉指令 左轉指令 尾翼右 渦輪 正 尾翼左 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 14 系統(tǒng) 各部分 硬件設計 設計 因水中阻力較大，舵機帶動轉向 舵 板轉動受到較大阻力，需要穩(wěn)定的電壓以保證舵機能夠正常運行 。該 穩(wěn)壓電源模塊 采用 LM2596 穩(wěn) 壓芯片經 電源轉換為 5V 穩(wěn)壓電源，主要為轉向舵機及 CPU 提供穩(wěn)定電壓 ， 以保證系統(tǒng)正常運行 。 因此采用 L298N 驅動模塊作為電極的驅動器來驅動直流電機，帶動渦輪，推動 水下平臺 行進 。電路原理圖如圖 42 所示： 青島