基于Arduino Mega 2560的水下探測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

汪淑賢，李 明，王 旬

(桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

水下探測儀也稱為無人水下潛水器，是一種在水下作業(yè)最具潛力的開發(fā)工具，具有運(yùn)動控制、通信導(dǎo)航、實(shí)時(shí)反饋水下環(huán)境等功能[1]。由于水下環(huán)境的不確定性，人的潛水深度有限，目前水下機(jī)器人已成為海洋開發(fā)的重要工具。國外從20世紀(jì)20年代 開始現(xiàn)代潛水器的研制，并不斷對其進(jìn)行改造，目前研制了更多功能的水下機(jī)器人，如法國的“逆戟鯨”號，日本的R2D4和“海鲀3K”號，美國的REMUS和“UUV”號等，且REMUS6000能達(dá)到25～6 000 m的工作深度，代表了自主式水下探測器的最高水平[1]。文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]探討分析了國內(nèi)外各種水下機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)，為現(xiàn)在的深入研究提供了一定的幫助。

國內(nèi)從2010年開始，水下機(jī)器人迅速發(fā)展，如“蛟龍”號載人潛水器、2014年青島世園會海洋館展覽的“小蛟龍”號模型、“潛龍一號”和“潛龍二號”等。目前，很多IT公司也逐漸關(guān)注水下機(jī)器人的研究，不斷增強(qiáng)水下機(jī)器人的娛樂功能和簡單便攜性，如2017年應(yīng)用最新科技的“小海鰩”可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖傳、誘魚功能、探測魚類等；在電影《功夫瑜伽》里也出現(xiàn)了小型便攜的水下探測機(jī)器人。結(jié)合國內(nèi)外水下機(jī)器人的研究進(jìn)展，有研究學(xué)者對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。文獻(xiàn)[4]為提升其低速航行時(shí)的機(jī)動性，提出了基于球面并聯(lián)結(jié)構(gòu)的無鰭舵矢量推進(jìn)水下機(jī)器人；文獻(xiàn)[5]為提高其機(jī)動性和可控性，構(gòu)建了矢量噴水推進(jìn)系統(tǒng)的多自由度水下機(jī)器人；同時(shí)，文獻(xiàn)[6]也證明了矢量推進(jìn)方式能有效提升水下機(jī)器人的定位能力；在文獻(xiàn)[7]中，通過6路PWM信號對電機(jī)調(diào)速控制和12路正反轉(zhuǎn)信號驅(qū)動改善了推進(jìn)器的控制效果，并采用三子樣優(yōu)化算法完成水下探測儀的導(dǎo)航定位功能。根據(jù)已有對水下機(jī)器人推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，本文將螺旋槳通過無刷電機(jī)和無刷電調(diào)相結(jié)合形成推進(jìn)器，并以Arduino Mega 2560最小系統(tǒng)為控制核心設(shè)計(jì)水下探測儀，有效實(shí)現(xiàn)了相關(guān)功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理

水下探測儀旨在實(shí)現(xiàn)水下的自由移動，實(shí)時(shí)傳輸水下狀況至電子顯示設(shè)備上，并能照明和誘魚。本文首先通過DC-DC可調(diào)降壓模塊對水上和水下的設(shè)備供電，并能根據(jù)電路的需要進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓；然后采用脈沖調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的不同轉(zhuǎn)速來供給動力?？紤]到水下不同的環(huán)境，本文通過云臺舵機(jī)攝像頭觀察水下狀況以完成自由調(diào)節(jié)角度，并由Arduino串口通信實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離指令的發(fā)送與接收，繼而通過傳輸穩(wěn)定、效率高的電力載波通信模塊，加以發(fā)射端和接收端的雙絞線連接，構(gòu)成整個水下探測儀控制流程圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

水下探測儀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括Arduino Mega 2560最小系統(tǒng)、DC-DC可調(diào)降壓模塊、電力載波模塊、繼電器模塊、有源雙絞線傳輸器、推進(jìn)器模塊、攝像頭云臺、誘魚燈模塊等。

2.1 Arduino Mega 2560最小系統(tǒng)

Arduino系統(tǒng)采用的是AVR單片機(jī)，最大的特點(diǎn)是具有54路數(shù)字輸入輸出(其中16路可作為PWM輸出)、16路模擬輸入和4個串口，且串口通信功能強(qiáng)大，能快速地與下一個Arduino端接通以進(jìn)行串口通信[8-9]，完成信息的傳遞。由于水下探測儀需要通過水下推進(jìn)系統(tǒng)獲得移動動力，才能完成自由移動，水上和水下設(shè)備間的距離相對較遠(yuǎn)。為了更好地遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)水下移動和傳輸水下設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇4路脈沖寬度調(diào)制PWM輸出分別進(jìn)行左推、右推、垂推、垂推，以完成方向的控制；同時(shí)選擇Arduino串口進(jìn)行通信，4個串口對交叉相連設(shè)備的發(fā)送端(TX)和接收端(RX)有特定選擇，如表1所示。其中電腦與Arduino Mega 2560的USB接口相連，默認(rèn)串口0，并選擇串口3完成本設(shè)計(jì)所需的串口通信，通過相應(yīng)函數(shù)即可完成串口的通信設(shè)置。

表1 Arduino Mega 2560的4個串口設(shè)置

2.2 DC-DC可調(diào)降壓模塊

DC-DC可調(diào)降壓模塊旨在調(diào)整各模塊的工作電壓以保護(hù)芯片正常運(yùn)作，考慮到LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器具有線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，LM可以在輸入電壓和輸出負(fù)載給定的情況下，將誤差降低為4%范圍內(nèi)，自我保護(hù)功能強(qiáng)。因此，本系統(tǒng)選擇LM2596S DC-DC可調(diào)降壓模塊，輸入電壓要求3 V～40 V之間，輸出電壓直流1.5 V～35 V且電壓連續(xù)可調(diào)，高效率最大輸出3 A，可以在各個設(shè)備無對應(yīng)電壓電源時(shí)，調(diào)節(jié)出適合電路所需的電壓。

2.3 電力載波模塊

本系統(tǒng)采用基于移頻鍵控方式的第四代電力載波模塊，一方面可以通過電纜線以載波的形式對電路模擬信號進(jìn)行打包并傳輸，且無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，另一方面在系統(tǒng)正常工作時(shí)，能通過電阻值控制輸出電流，達(dá)到電壓保護(hù)和限制電流的效果，是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x模塊。

2.4 推進(jìn)器模塊

推進(jìn)器是水下探測儀在水下移動的重要組成部分，其包括浮力調(diào)整的載鐵、防水的殼體、驅(qū)動電機(jī)、水上動力裝置及設(shè)備、傳動系統(tǒng)裝置、螺旋槳等。其中浮力裝置需要與配重之間達(dá)到平衡才能保證零浮力，以保證探測儀能在水下不同地方懸?。凰聞恿ρb置由蓄電池供電，其好壞決定推進(jìn)器的動能和水下工作時(shí)間，而水下控制設(shè)備需要根據(jù)推進(jìn)器的運(yùn)動方向和速度才能進(jìn)行調(diào)節(jié)。故本文考慮將螺旋槳結(jié)合無刷電機(jī)和無刷電調(diào)形成推進(jìn)器，能夠更好地控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

2.5 視頻傳輸模塊

實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像是水下探測儀最重要的功能之一。考慮到水下探測儀的工作環(huán)境，加之雙絞線本身擁有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸質(zhì)量好等優(yōu)勢，本文采用有源雙絞線傳輸器作為視頻圖像傳輸?shù)闹匾考?。通過輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的接入完成相應(yīng)的視頻傳輸線路，如圖2所示。

圖2 視頻傳輸線路

在圖2中，由攝像機(jī)采集視頻圖像信息，根據(jù)差分傳輸原理，將該視頻信號轉(zhuǎn)換為幅度相等相位相反的信號，并連接到接收設(shè)備中，將兩個信號的差值還原為不平衡信號，進(jìn)而通過顯示器設(shè)備加以顯示。

2.6 系統(tǒng)發(fā)射端和接收端

通過上述硬件結(jié)構(gòu)的組合，可以完成整個系統(tǒng)硬件形式的發(fā)射端和接收端，發(fā)射端輸出的串口數(shù)據(jù)，經(jīng)過雙絞線傳輸，可在接收端打印出來。其中發(fā)射端由Arduino Mega 2560、電壓檢測模塊、LM2596S DC-DC降壓模塊、電力載波通信模塊、有源雙絞線傳輸器模塊、顯示器等組成，如圖3所示。接收端包括Arduino Mega 2560、LM2596S DC-DC降壓模塊、電力載波通信模塊、有源雙絞線傳輸器模塊、推進(jìn)器和攝像頭等，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)發(fā)射端原理框圖

圖4 系統(tǒng)接收端原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)

水下探測儀軟件設(shè)計(jì)的整體流程圖如圖5所示。在啟動機(jī)器人之后，需要對推進(jìn)器、串口及LED燈進(jìn)行設(shè)置。首先是對控制系統(tǒng)的初始化。若使得推進(jìn)器控制搖桿工作，則在Arduino Mega 2560發(fā)送指令數(shù)據(jù)之前，需要對舵機(jī)的精確度、電調(diào)歸零、串口的讀取等進(jìn)行初始化，且在開始讀取旋轉(zhuǎn)角度之時(shí)，經(jīng)過Arduino上位機(jī)發(fā)送指令，接收到指令之后再回復(fù)一個應(yīng)答信號。若Arduino上位機(jī)接收到該應(yīng)答信號，則代表舵機(jī)的角度初始化實(shí)現(xiàn)，即可工作，并在再次接收信號時(shí)讀取搖桿的位置，以驅(qū)動無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動。

圖5 軟件設(shè)計(jì)整體流程圖

在初始化控制系統(tǒng)之后，將串口讀數(shù)據(jù)設(shè)為bit，值為9 600，并將串口數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端，接收端再從串口讀取有效存儲在串行緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。若接收的指令信息無法執(zhí)行，則需檢查線路并重新接收新的指令信息。

4 運(yùn)行調(diào)試與分析

在將各個模塊進(jìn)行裝配之后，通過軟硬件調(diào)試形成完整的水下探測儀，如圖6所示。首先在電池量充滿的情況下，將水下系統(tǒng)放入耐壓倉并檢測密封性，用連接線將水下探測儀接在控制板臍帶纜接口，串口與電腦相連接。啟動電源、顯示屏、探測儀和照明的開關(guān)，調(diào)整攝像頭的最佳位置，完成云臺轉(zhuǎn)動角度和攝像頭的測試。

圖6 完整的水下探測儀模擬系統(tǒng)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，以學(xué)校內(nèi)部湖水為測試場景，完成了如下功能調(diào)試：(1)根據(jù)最后接收串口信息記錄的搖桿位置，以控制中心為起點(diǎn)，輸出脈沖信號，通過控制線發(fā)送脈沖寬度調(diào)制(PWM)的電脈沖控制舵機(jī)，不斷的PWM波使得舵機(jī)在某個角度有扭矩，以推動探測儀移動。同時(shí)測試得出電調(diào)歸零值為1 470，由調(diào)速控制數(shù)值大小作用于舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的快慢，向前行進(jìn)指令電壓映射值若大于560，則向右前方行駛，若小于440，則向左前方行駛，否則直行。最終實(shí)現(xiàn)探測儀在1～5 m的水下探測和自由移動。由于直接拍攝水下探測儀前后、上浮下沉、加減速的照片效果不明顯，本次調(diào)試以拍攝其移動視頻為主，在此只展示了水下探測儀的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，如圖7所示。在移動的過程中，考慮到水下的阻力作用，長時(shí)間工作的螺旋槳有可能會脫落，運(yùn)行方向會產(chǎn)生部分偏移。(2)Arduino串口通信由攝像頭采集信息，充分利用有源雙絞線傳輸器的差分傳輸原理，將發(fā)射端信號轉(zhuǎn)換成等幅度、極性相反的視頻信號，傳輸至接收端中，原信號與之相減后的視頻信號傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備顯示屏上，即可完成實(shí)時(shí)的視頻圖像傳輸。(3)由繼電器控制LED燈和誘魚燈，且將誘魚燈設(shè)置為藍(lán)色光源，實(shí)現(xiàn)了水下照明和對魚群的引誘呼喚，如圖8所示。

圖7 水下探測儀的移動

圖8 照明與誘魚功能

5 結(jié)論

本文基于Arduino Mega 2560最小系統(tǒng)，通過LM2596S DC-DC可調(diào)降壓模塊給系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓，將螺旋槳與無刷電機(jī)和無刷電調(diào)相結(jié)合形成推進(jìn)器，并結(jié)合電力載波模塊、攝像頭等，共同構(gòu)建了一款水下智能探測儀，實(shí)驗(yàn)證明該探測儀能夠有效地進(jìn)行1～5 m水下移動，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖傳、照明誘魚功能。本設(shè)計(jì)能與當(dāng)前的前沿科技緊密聯(lián)系，具有重要的現(xiàn)實(shí)研究意義。但本設(shè)計(jì)仍屬于實(shí)驗(yàn)成品，對于探測的水下深度、機(jī)器工作續(xù)航時(shí)間、推進(jìn)器螺旋槳的穩(wěn)固、電調(diào)歸零值的精確度等問題仍需要深入研究和改進(jìn)。