【正文】 了一篇題為“TheSlocum Mission”的論文[1]，開啟了水下滑翔機(jī)的平臺(tái)。1998年，又推出一種仿黃鰭金槍魚的水下行走機(jī)器人，長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)生渦流控制推進(jìn)的自主運(yùn)行的水下機(jī)器人[3] 。魚類行為學(xué)家的研究表明，大多數(shù)魚類把身體當(dāng)作推進(jìn)器, 身體左右擺動(dòng)擊水，利用其產(chǎn)生的反作用力使魚體向前推進(jìn)[5]。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。 噴水推進(jìn)的效率主要取決于推進(jìn)泵效率和噴水系統(tǒng)效率[7]。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(jī)器魚樣機(jī)， 2006年他們又研制了一條仿生機(jī)器魚樣機(jī)“HRF—I”[9]。研究內(nèi)容：1．設(shè)計(jì)水下行走機(jī)械結(jié)構(gòu)。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)。在水下平臺(tái)內(nèi)部設(shè)計(jì)完成相關(guān)單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及其外部輔助電路的設(shè)計(jì)。 3．設(shè)計(jì)通訊及控制軟件。并與上位機(jī)位機(jī)進(jìn)行調(diào)試完成控制代碼及參數(shù)代碼的轉(zhuǎn)換工作。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)。3方案及論證方案一：采用STC公司的STC89C52RC系列的單片機(jī)最小系統(tǒng)板作為控制單元。方案二：采用意法半導(dǎo)體的STM32F103作為控制單元。方案比較：方案一中STC89C52系列單片機(jī)是一種8位單片機(jī)，在低端應(yīng)用方面,8位單片機(jī)是滿足絕大多數(shù)的對(duì)象控制要求的最佳選擇。在絕大多數(shù)場合，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)完全可以解決問題。并且STC89C52系列單片機(jī)能量消耗低、相對(duì)于其他低價(jià)格的單片機(jī)，性價(jià)比比較高。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。方案一：采用SGS公司的L298N作為渦輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)渦輪推動(dòng)水下平臺(tái)行走。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。此芯片采用的是標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平作為控制信號(hào)；它具有兩個(gè)使能控制端，使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。而且價(jià)格相對(duì)便宜，基本符合設(shè)計(jì)要求。因此該系統(tǒng)水下平臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要選擇方案一作為主要實(shí)施方案。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。通過吸排水改變水下平臺(tái)自身密度實(shí)現(xiàn)上下浮動(dòng)。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。通過機(jī)翼傾斜的角度，在水下平臺(tái)前進(jìn)過程中，由于水的反作用力而下潛。 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，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)提供足夠的扭矩來推動(dòng)水下平臺(tái)下潛，且電機(jī)消耗過大導(dǎo)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(tái)的潛浮模塊選擇方案二和方案三作為主要實(shí)施方案。在水下平臺(tái)內(nèi)部填充配重物體，以改變水下平臺(tái)自身密度，從而達(dá)到改變水下平臺(tái)在水中的臨界位置。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。但在不同水質(zhì)環(huán)境下，水的浮力不同在改變自身密度方面較為復(fù)雜。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。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(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的通訊工作。鑒于系統(tǒng)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)能夠正常運(yùn)行，SRWF1系列無線模塊有長達(dá)15cm左右的外置天線，可以通過導(dǎo)線接到水下平臺(tái)外部減少了水對(duì)信號(hào)的干擾和屏蔽作用，傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到2000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(tái)下后方安裝12*10的矩形板，利用矩形板的方向的偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反方向的作用力，同時(shí)配合水下平臺(tái)主渦輪助推器，推動(dòng)水下平臺(tái)方向偏轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)向的動(dòng)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。在水下平臺(tái)內(nèi)部安裝水泵通過吸水以及排水產(chǎn)生的反作用力，配合水下平臺(tái)主渦輪助推器完成轉(zhuǎn)向的動(dòng)作。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。10系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)水下平臺(tái)內(nèi)部電路由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)，帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)水下平臺(tái)前進(jìn)。系統(tǒng)電路總體原理圖如圖31所示：圖31系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)原理圖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）圖 32系統(tǒng)總體控制設(shè)計(jì)圖首先由上位機(jī)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(jī)通過串口無線模塊接收到數(shù)據(jù)指令，下位機(jī)的單片機(jī)接收到指令后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，分析SBUF的數(shù)值，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作指令，完成水下行進(jìn)以及數(shù)據(jù)采集等動(dòng)作。渦輪正尾翼左初始化判斷是否有中斷產(chǎn)生掃描SBUF判斷鍵值是否前進(jìn)指令后退指令上浮指令下潛指令讀取參數(shù)渦輪反側(cè)翼下側(cè)翼上信息右轉(zhuǎn)指令左轉(zhuǎn)指令尾翼右圖 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。系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計(jì)因水中阻力較大，舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向舵板轉(zhuǎn)動(dòng)受到較大阻力，需要穩(wěn)定的電壓以保證舵機(jī)能夠正常運(yùn)行。電路原理圖及實(shí)物如圖41所示：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)。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。并通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過SRWF1無線模塊發(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)。其電路原理圖如圖43所示：圖 43 DS18B20模塊原理圖采用STC公司的STC89C52RC系列的單片機(jī)最小系統(tǒng)板作為控制單元主要用于接收和發(fā)送無線模塊數(shù)據(jù)指令，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的控制參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，完成水下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)要求。其電路原理圖如圖44所示：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2000米，且為串口通信方式，編寫程序方便使用簡單，使用的I/O僅有TXD和RXD，操作方便。無線串口通訊模塊的系統(tǒng)原理圖如圖45所示： 圖 45無線模塊原理圖及實(shí)物圖。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。位置，其工作流程圖如圖4