基于樹莓派的小型水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

熊超 付佳偉 李海翔 葛增元 王文森 胡玉甫

摘?要：設(shè)計(jì)了一款基于樹莓派的小型水下機(jī)器人，并開發(fā)了上位機(jī)軟件，在上位機(jī)發(fā)送指令能控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、參數(shù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，能極大方便用戶對養(yǎng)殖池的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人;水質(zhì)監(jiān)測

中國是水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國，養(yǎng)殖總量占全世界70%以上[1]。在養(yǎng)殖過程中，經(jīng)常需要控制水體的溫度、PH值和含氧量等，使之適合魚類的生長，傳統(tǒng)方法是對水體樣本進(jìn)行采集然后檢測，不僅不方便，而且檢測不具實(shí)時(shí)性。本文針對上述問題，開展對水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成研究，開發(fā)出了一款較為實(shí)用的水下機(jī)器人。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和耦合。硬件系統(tǒng)包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)和電路組成，軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)與機(jī)器人通過WiFi通信，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令后，機(jī)器人解析指令，然后執(zhí)行相關(guān)操作。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮安全性和實(shí)用性，要根據(jù)元器件的形狀、重量等因素，進(jìn)行精確計(jì)算和合理布置，使重心位于浮心下方以保證機(jī)器人有一定自平衡能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括對密封艙和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

密封艙是設(shè)備的搭載倉，應(yīng)保證其剛度并設(shè)計(jì)成流線型以減少阻力。密封艙還是主要的浮力材料，為保證氣密性和安全性，在接線孔處使用膠水灌封，在接口處采用密封圈密封，以實(shí)現(xiàn)防水效果[3]。

推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定推進(jìn)器的數(shù)量及排布方式，這會(huì)使機(jī)器人具有不同的自由度及機(jī)動(dòng)性能[4]。本設(shè)計(jì)使用4個(gè)推進(jìn)器，在水平面雙推進(jìn)器平行布置，垂直面雙推進(jìn)器對稱分布，使其具有良好的穩(wěn)定性，外型結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2.2 硬件電路

硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證穩(wěn)定性和抗干擾性，對元件的選擇主要包括：主控板、電源、推進(jìn)器、信號接收裝置和各類傳感器。

主控板：選用Raspberry Pi 3B+，它能通過SSH、遠(yuǎn)程桌面或者顯示器連接顯示界面，能直接在界面進(jìn)行編程，對GPIO口進(jìn)行操作，還可調(diào)用強(qiáng)大的Wring Pi庫函數(shù)，其輸出穩(wěn)定、調(diào)試方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足本設(shè)計(jì)需求。

電源：選用20000mAh電源，續(xù)航時(shí)間長且充電方便，通過升壓模塊能滿足主控板、推進(jìn)器和各類傳感器不同的供電需求。

推進(jìn)器：選用無刷直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小，制動(dòng)特性好，電機(jī)使用無刷電調(diào)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡娬{(diào)可以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和改變其旋轉(zhuǎn)方向。在電調(diào)信號線與樹莓派GPIO口接線時(shí)應(yīng)加入光耦隔離器，防止電源不穩(wěn)定損壞樹莓派，也能抑制電調(diào)電流對樹莓派產(chǎn)生信號干擾。

信號接收裝置：樹莓派自帶WiFi模塊，但電磁波在水中會(huì)被削弱，機(jī)器人只能在很小范圍接收到信號，搭載2.4G信號浮標(biāo)，能使機(jī)器人及時(shí)接收到指令。

傳感器：搭載PH、溫度、濁度等傳感器，使機(jī)器人具備水質(zhì)檢測的能力;搭載深度傳感器，便于對不同深度水質(zhì)進(jìn)行記錄;搭載MPU6050傳感器，對自身姿態(tài)信息采集，通過PID算法調(diào)整姿態(tài)，防止偏移和側(cè)翻。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)

上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和預(yù)警功能。設(shè)定上位機(jī)為服務(wù)器端，使用Labview為開發(fā)工具，通過主機(jī)名或者IP地址與端口號建立偵聽，等待客戶端連接。

界面中設(shè)置自主模式和遙控模式，在自主模式下，機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)行并采集數(shù)據(jù)，在遙控模式下，機(jī)器人通過接收指令來完成一系列操作;當(dāng)數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)時(shí)，將顯示在頁面并存入數(shù)據(jù)庫，經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算分析，參數(shù)若超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則預(yù)警。

3.2 下位機(jī)

下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸功能。下位機(jī)為客戶端，首先建立socket套接字，然后用bind函數(shù)綁定服務(wù)端IP地址，調(diào)用connect函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)送連接請求，當(dāng)服務(wù)器端接收并連接成功后，就可雙向通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

機(jī)器人接到上位機(jī)指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后改變輸出PWM，從而改變速度和方向，當(dāng)不確定因素導(dǎo)致機(jī)器人不穩(wěn)定時(shí)，機(jī)器人可以根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)應(yīng)用PID算法進(jìn)行自動(dòng)偏航矯正;機(jī)器人收到下潛指令后，每下潛均勻深度時(shí)檢測水質(zhì)水質(zhì)檢測，然后按程序中設(shè)定的規(guī)則將所處的深度和各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)，下潛一定深度或一段時(shí)間后自動(dòng)上浮;機(jī)器人還能對電量進(jìn)行監(jiān)測，電量不足15%則自動(dòng)上浮。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于樹莓派的小型水下機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，從總體設(shè)計(jì)、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了闡述，分析了設(shè)計(jì)關(guān)鍵和設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的相關(guān)問題，機(jī)器人性能良好，滿足水質(zhì)檢測要求，設(shè)計(jì)方法可供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉世祿.關(guān)于推進(jìn)我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)穩(wěn)步、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思考[A].中國水產(chǎn)學(xué)會(huì)、四川省水產(chǎn)學(xué)會(huì).2016年中國水產(chǎn)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集.

[2]金碧霞，方勇.用于水下安保的ROV總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，27（02）：141-144+147.

[3]黎柱坤，王慧，林冰勝，張宇航，吳華宇，黃光煒，陳春雷，王驥.用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作[J].電子世界，2017（15）：36-39.

[4]高芬.一種小型消費(fèi)級水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法[J].機(jī)電信息，2019（20）：115-116.