水下無人機開發(fā)及應(yīng)用

黃少鑫 唐宇星 蔡彥樂 關(guān)思華 梁楚賢

摘 要：在現(xiàn)代的的科技不斷發(fā)展的背景下，人們對于交通有著更大的需求，特別是現(xiàn)代水下作業(yè)存在著困難，阻礙了我們對海上的運輸與探究的發(fā)展情況，讓機器人代替人力完成水下作業(yè)是一個趨勢，所以對對水下無人機的研究是有必要性的。無人水下航行器可以分為遙控式航行器、自主水下航行器和水下滑翔機。而遙控式航行器能夠更大地滿足于人們的要求，使用范圍也更具自主性，而且遙控式的水下無人機還能為航道軌道的采集、輪船底部的觀察等海底勘探工作和幫助我們探尋水下世界，幫助我們在水下進行攝影藝術(shù)的創(chuàng)作，是人類探索海洋和開發(fā)利用海洋資源的重要工具。我們現(xiàn)以小型化、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性為目標，設(shè)計并制作了一款能夠接受人的手動控制，進行水下畫面?zhèn)鬏?，實時監(jiān)測水下情況。

關(guān)鍵詞：無人水下航行器;ROV;機器人;多推進器

中圖分類號：TV21-39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0067-02

1 研究背景

海洋蘊含著豐富的礦產(chǎn)、生物和海洋能等資源。隨著我國經(jīng)濟持續(xù)、快速發(fā)展以及人口的急劇增加，陸地上資源迅速減少、生態(tài)環(huán)境日益惡化，我國開始加強對海洋資源的探測、開發(fā)和利用。合理開發(fā)、利用海洋資源是我國21世紀發(fā)展的需要。發(fā)展海洋環(huán)境偵查、探測技術(shù)對于保護、開發(fā)和利用海洋資源、維護國家海洋權(quán)益、進行海洋災(zāi)害預(yù)報和發(fā)展國民經(jīng)濟等方面具有重大意義。此外，海洋環(huán)境偵查和探測技術(shù)在保護國土安全、防止外敵入侵等軍事方面也有至關(guān)重要的作用。

目前，通常所見的水下無人機都是由4個以上的驅(qū)動器組成，驅(qū)動器的數(shù)量多且每個驅(qū)動器頻率非常大，需要耗費相當大的電量且拍攝時攝像頭普遍為固定狀態(tài)而無法轉(zhuǎn)動，加之水流的影響使得無人機在水下拍攝的時候不能拍出用戶想要的效果;且市面上的水下無人機大多忽略了流體力學的研究，導(dǎo)致在水下行駛緩慢且耗電量大;因此市面上的水下無人機工作效率普遍不高。

無人水下航行器通過通信方式傳遞數(shù)據(jù)、指令、聲音、圖像等信息。ROV使用有線通信方式，通信技術(shù)除了在通信線纜的材料上要考慮海水環(huán)境和同時跟動力電源在一根線纜上的抗干擾問題，跟在地上的有線通信技術(shù)差別不大。AUV跟UWG使用無線通信方式，跟在空氣中的無線通信方式不同，水下環(huán)境對電磁波和光波的傳遞產(chǎn)生了限制。在水下無線通信方面還有很多問題需要解決。隨著協(xié)同導(dǎo)航控制、組合導(dǎo)航控制技術(shù)的發(fā)展和水下聯(lián)合行動的發(fā)展，無人水下航行器的無線通信從之前的點對點通信，逐漸發(fā)展成網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)傳輸速度傳輸距離等的需求在也增加。

2 研究內(nèi)容

2.1 機械設(shè)計

2.1.1 模型外觀

本文介紹水下無人機外形呈圓弧形的機身和圓滑的流線型機翼，主要用于減小機翼兩側(cè)螺旋槳啟動時所帶來的水流的沖擊以及機身在前進時所帶來的流水的阻力。外殼所使用的材料主要是碳釬維加樹脂，其特點是強度高和可塑性好，具有耐腐蝕，耐疲勞耐高溫，比性能高，能讓外殼承受水壓和易于成型。同時由于樹脂擁有了防水性，易于我們后面的防水的處理。防水性用將環(huán)氧樹脂與固化劑按比例調(diào)配后涂在碳纖維上，再防水膠將上模與下模拼合，環(huán)氧樹脂具有較好的密封性和流動性，更易于填補碳纖維的孔洞?？傮w設(shè)計如圖1。

2.1.2 機構(gòu)設(shè)計

無人機在前進時的水流用大箭頭表示，與無人機的機身進行沖擊后，因機身的外形為橢圓形的，水流會沿機身的上下模面流去，使機身的上下面負壓受力，上表面受力F1，下表面受力F2，因F1=F2，所以機身在受到水流的沖擊時依然可以保持平衡。如圖2和圖3所示。

無人機是由3個水下推進器組成的，兩個游動推進器和一個垂直推進器，當無人機放在水面時，會呈現(xiàn)水平的狀態(tài)。需要下潛時，開啟垂直推進器，使電機的推力大于水的張力，使整個機身進平衡下潛，下潛的越深，所受到的水的浮力越大。當無人機需要進行左轉(zhuǎn)時，開啟3號的游動的推進器，左右的游動推進器存在著速度的差值，所以速度快的會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。當無人機需要進行右轉(zhuǎn)時，開啟2號的游動的推進器，左右的游動推進器存在著速度的差值，所以速度快的會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。當2號和3號的推進器不存在差速時，無人機進行直線前進。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 控制概況

本項目的控制原理通過手柄發(fā)送信號，通過串口STM32單片機讀取并接收數(shù)據(jù)，并控制水下無人機垂直推進器的正反轉(zhuǎn)從而來控制上升下降，通過機身兩側(cè)的水平推進器控制的正反轉(zhuǎn)無人機的前進后退以及轉(zhuǎn)彎，通過控制云臺的電機旋轉(zhuǎn)改變云臺的位置。

2.2.2 控制原理及應(yīng)用

采用無刷電機作為水下無人機的動力源，無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。且無刷電機相比有刷電機而言，壽命更長，且耗電低。無刷電機通常是數(shù)字變頻控制，可控性強，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實現(xiàn)。

STM32F103作為下位機的控制芯片，使用了單片機上的定時器、串口通信和PWM。下位機一通電，首先通過定時器模擬出1ms的PWM對無刷電機進行解鎖，當解鎖完畢后驅(qū)動電機進入等待手柄的開始信號，如果獲得啟動信號，水下航行器將會按照手柄控制的要求進行上浮下潛、前進后退和左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的運動。當無控制信號輸入時，無人機保持懸浮在水中。當手柄搖桿的模擬量改變時，下位機重新讀取模擬值對PWM的數(shù)值進行更改，從而改變電機的轉(zhuǎn)速，達到控制無人機的上下左右運動。在圖像傳輸方面，通過兩個電機帶動攝像頭進行多角度拍攝，當手柄給予控制信號，下位機對手柄信號進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，從而控制電機的旋轉(zhuǎn)，進而改變云臺的工作位置，使得無人機在水下可以更加平穩(wěn)的操控，進行多角度拍攝。再通過WIFI模塊采集水下視頻信息并傳送到電腦顯示，從而對水下環(huán)境實時監(jiān)測。

通過上述方案，水下無人機可實現(xiàn)在水下人為操控行走，并且通過機翼兩側(cè)電機旋轉(zhuǎn)差速，來實現(xiàn)無人機的轉(zhuǎn)彎;云臺的架設(shè)使得水下無人機能夠上下垂直拍攝，拍攝范圍廣。并通過圖傳模塊，對水下的情況進行實時拍攝。

3 結(jié)語

無人水下航行器在軍用如反潛、獵雷、水下情報偵察等和民用如海洋水文環(huán)境觀測、海底油氣管線安放檢修、水下考古等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，隨著海洋開發(fā)步伐的加快，無人水下航行器將向著多航行器協(xié)同工作、相比陸上通信而言，水對無線電波衰減能力遠大于空氣，何況海水導(dǎo)電能力比水強，對無線電波衰減能力更強，所以要實現(xiàn)水下無人機的水下通信問題;無刷電機雖然相對有刷電機而言，對電源消耗低，但想長時間在水中懸浮還需解決無人機在水下的能源問題。在水下不確定的工作環(huán)境下，還待需要解決水下無人機的高速率的通信，高精度的傳感等問題。

參考文獻

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