ROV潛水器及水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭愛(ài)龍 柏星江 金永芳 王莉 李蘊(yùn)博

摘? 要：文章對(duì)ROV潛水器水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了一次創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先介紹了各類潛水器的研究情況，說(shuō)明了潛水器的研究?jī)r(jià)值。再對(duì)無(wú)人潛水器外形、耐壓、相關(guān)材料力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，然后對(duì)內(nèi)部處理器、傳感器的相關(guān)配置進(jìn)行了分析，最后對(duì)各功能模塊應(yīng)用程序進(jìn)行了相關(guān)程序設(shè)計(jì)，開發(fā)出了適用于小型湖泊、魚塘等環(huán)境的ROV潛水器檢測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人潛水器;耐壓殼;水質(zhì)分析;傳感器;功能模塊

中圖分類號(hào)：P754.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）03-0164-03

Abstract：This article is an innovative design of the small unmanned underwater vehicle （ROV） water quality detection system. First of all，this paper introduces the research situation of various types of submersibles，and explain the research value of the submersibles. Then，the shape，pressure and mechanical properties of related materials are analyzed mathematically，and then the configuration of internal processor and sensor is analyzed. Finally，the application program of each functional module is designed，and the ROV detection system suitable for small lakes，fish ponds and other environments is developed.

Keywords：remote operated vehicle;pressure shell;water quality analysis;sensor;function module

0? 引? 言

在我國(guó)，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及湖泊的水質(zhì)檢測(cè)方面存在大量的人力物力浪費(fèi)現(xiàn)象，且由于使用人工檢測(cè)，使得檢測(cè)成果存在較大誤差，無(wú)法使相關(guān)人員及時(shí)有效地對(duì)環(huán)境進(jìn)行處理。

20世紀(jì)70年代，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家將電氣工程、管理學(xué)等多種學(xué)科相結(jié)合，開發(fā)出了現(xiàn)代信息化檢測(cè)系統(tǒng)，大大提高了水質(zhì)檢測(cè)準(zhǔn)確性以及效率，降低了人力支出，同時(shí)，因?yàn)闄C(jī)器的高效性，研究人員甚至也可獲知水中每一類元素的含量。

而我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的檢測(cè)主要采用傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)法，即由人工采集水體樣本并進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)來(lái)劃分水體等級(jí)，而不同湖泊等水體元素以及用途差異大，不能以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)界定，故該檢測(cè)方法仍處于落后狀態(tài)。

探索湖泊、海洋、管理魚塘生態(tài)等都需要高效率、高精確度的檢測(cè)系統(tǒng)，而無(wú)人潛水器檢測(cè)系統(tǒng)作為信息時(shí)代的產(chǎn)物，必能接替人工檢測(cè)，大幅提高檢測(cè)效率。

為此，我們以“高效率、可持續(xù)發(fā)展”為理念，利用自身的電氣、自動(dòng)化、通信專業(yè)知識(shí)作為骨架、現(xiàn)代軟硬件技術(shù)為血肉，設(shè)計(jì)這款ROV潛水器以及水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，用以提高各類水體檢測(cè)的效率。該潛水器可實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)檢測(cè)并實(shí)時(shí)反饋水體數(shù)據(jù)以及可下潛至不同水層探測(cè)相關(guān)水體數(shù)據(jù)。能大幅度省去投入在檢測(cè)方面的人力物力，提高資源利用效率。

1? 潛水器及母船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1? 國(guó)內(nèi)外無(wú)人潛水器結(jié)構(gòu)研究概況

目前來(lái)說(shuō)，全世界的潛水器主要分為兩種：載人潛水器（HOV）與無(wú)人潛水器（UUV）;在此處主要介紹無(wú)人潛水器。

1.1.1? 國(guó)外潛水器結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

目前無(wú)人潛水器可以分成三個(gè)類型：水下滑翔機(jī)（UG）、遙控?zé)o人潛水器（ROV）以及自治式無(wú)人潛水器（AUV）。

其中，水下滑翔機(jī)是一種較為先進(jìn)的無(wú)人潛水器，它可以利用調(diào)節(jié)浮力的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)其在水中的上浮和下降，并借助滑翔翼姿態(tài)角的調(diào)整獲得較好的推進(jìn)力來(lái)使其在水底進(jìn)行長(zhǎng)距滑翔。美國(guó)、澳大利亞以及歐洲部分國(guó)家的水下滑翔機(jī)技術(shù)是暫時(shí)領(lǐng)先于全球的。美國(guó)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了最早的水下滑翔機(jī)Spray Glider。而后，日本等國(guó)也相繼研發(fā)出了本國(guó)的UG技術(shù)。UG技術(shù)也變得越發(fā)成熟起來(lái)。

遙控式無(wú)人潛水器是一種由操作人員在地面或母船上通過(guò)無(wú)線技術(shù)或線纜對(duì)潛水器進(jìn)行控制的無(wú)人潛水器。它在水質(zhì)檢測(cè)、礦物資源勘查、無(wú)人打撈等深海作業(yè)、軍事活動(dòng)等領(lǐng)域均有應(yīng)用。在二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)成功研發(fā)出世界第一臺(tái)ROV-CURV1，并成功打撈西班牙外海約900 m深度處的一顆氫彈。

而自治式無(wú)人潛水器則是一種可以無(wú)人員、無(wú)線纜的無(wú)人潛水器，它擁有自主性高、機(jī)動(dòng)性良好等優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)各國(guó)海洋研究、軍事等領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。

1.1.2? 國(guó)內(nèi)潛水器結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的水下滑翔機(jī)UG技術(shù)研究開始于21世紀(jì)初。在2017年，由中科院自主研制的“海翼”號(hào)水下滑翔機(jī)在世界最深海溝馬里亞納海溝完成了6 329 m大深度下潛探測(cè)挑戰(zhàn);在2018年初，由天津大學(xué)研制的“海燕”號(hào)水下滑翔機(jī)挑戰(zhàn)成功并創(chuàng)造了8 213 m的深潛世界紀(jì)錄，成為續(xù)航里程最遠(yuǎn)、測(cè)量坡面最多、連續(xù)工作時(shí)間最長(zhǎng)的國(guó)產(chǎn)水下滑翔機(jī)。

1.2? 耐壓殼設(shè)計(jì)

1.2.1? 常見(jiàn)耐壓殼結(jié)構(gòu)

截至目前，常見(jiàn)的耐壓殼結(jié)構(gòu)通常為球形、蛋形、錐形、圓柱形、藕節(jié)形及其組合形狀等。

無(wú)人潛水器的耐壓艙主要是用來(lái)保護(hù)微型計(jì)算機(jī)、各類型的傳感器和供電電源等重要組成模塊，同時(shí)，因?yàn)樗畡?dòng)力的原因，耐壓殼以及其外部框架等的外形也是需要好好思考的問(wèn)題;載人潛水器的大部分外形被設(shè)計(jì)為類似于導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)，其耐壓殼形狀為帶半球形封蓋的圓柱體的組合結(jié)構(gòu)。遙控式無(wú)人潛水器分為流線型耐壓殼體和開架式耐壓殼體，遙控式無(wú)人潛水器的耐壓殼形狀主要為球殼或球殼和圓柱殼的組合結(jié)構(gòu)。

1.2.2? 本潛水器體耐壓殼結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

在上述幾種耐壓殼結(jié)構(gòu)中，球形可以獲得最小的重排比，在相同容積中，球形的受力分布最為勻稱，而此優(yōu)勢(shì)在下潛越深時(shí)，越能體現(xiàn)。最為重要的是，球殼抗壓力強(qiáng)，最為安全，現(xiàn)有的絕大部分ROV，都會(huì)或多或少采用球體結(jié)構(gòu)。而我們團(tuán)隊(duì)在對(duì)比了多類ROV后，決定使用圓柱體與球體相結(jié)合的耐壓殼，相關(guān)分析如下。

耐壓殼的強(qiáng)度計(jì)算。由于我們選用了圓柱形耐壓殼作為潛水器殼身，出于對(duì)材料的節(jié)省，先分析在下潛極限為100 m時(shí)普通圓柱形殼身（長(zhǎng)300 mm，內(nèi)徑110 mm，外徑118 mm）是否可用：

（1）驗(yàn)證壁厚是否合理。我們使用了亞克力有機(jī)塑料（PMMA）材料來(lái)完成該潛水器耐壓殼，該材料的一些參數(shù)如下：

1）屈服極限σn=75 MPa。

2）且由于亞克力材料為可塑性材料，n為1.5～2.5之間，為考慮實(shí)際意外情況，取較差情況1.7來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

再利用公式對(duì)壁厚是否合理進(jìn)行驗(yàn)證：

式中，δmin為最小壁厚;p為水深100 m時(shí)的估算壓力1 MPa;D為潛水器圓柱形耐壓殼外徑118 mm;δ=== 44.12 MPa。

由上式計(jì)算得，最小壁厚為1.353 mm，而我們壁厚為8 mm，故該壁厚是完全可靠的。

（2）耐壓殼臨界壓力計(jì)算。已知在100 m深度下，勞氏安全系數(shù)為2.400，為保證殼體在承受水下壓力時(shí)能夠保持穩(wěn)定，對(duì)殼體臨界壓力以及下潛100 m時(shí)的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

式中：E為亞克力塑料的彈性模量：3 000 MPa;δ為耐壓殼壁厚8 mm。

再對(duì)此情況下的安全系數(shù)n進(jìn)行計(jì)算：

由上可知，3.658>2.400，所以該耐壓殼可直接使用普通圓柱形耐壓殼而不使用加裝了環(huán)形肋骨的圓柱形耐壓殼。

1.2.3? 材料選取

（1）力學(xué)性能。聚甲基丙烯酸甲酯具有優(yōu)良的力學(xué)性能，拉伸、彎曲等強(qiáng)度均高于大多數(shù)材料，雖然它的沖擊韌性較差，但是也能稍微優(yōu)于聚苯乙烯這種材料。在正常的情況下，它的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到55 MPa～75 MPa。而聚甲基丙烯酸甲酯的斷裂伸長(zhǎng)率只有2%～3%，所以聚甲基丙烯酸甲酯的力學(xué)性能特征大體是硬而且脆的塑料。

（2）燃燒性：

1）球形亞克力透明罩：

尺寸：外徑110 mm，厚度5 mm。

2）亞克力密封艙管：

尺寸：壁厚5 mm，外徑110 mm，內(nèi)徑80 mm，長(zhǎng)度300 mm。

3）密封艙法蘭：密封艙法蘭底部有兩圈O型圈槽，頂部一個(gè)O型圈槽，兩端均有6個(gè)螺紋孔用來(lái)固定內(nèi)部器件和壓緊艙蓋。

4）密封艙艙蓋：

尺寸：外徑110 mm，9孔;激光切割面光滑平整，表面貼紙保護(hù)。

5）密封艙穿線螺絲。水下接線防水的解決方案是密封艙空心螺栓法，這是一種比較可靠的方法。O型圈具有極高的耐酸堿和耐腐蝕性，O型圈端面可以在任何光滑表面上密封，螺栓內(nèi)多個(gè)內(nèi)徑，留有足夠灌封空間。并在學(xué)院實(shí)驗(yàn)室作了進(jìn)一步驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中該方法表現(xiàn)良好，艙體無(wú)漏水現(xiàn)象，可滿足此潛水器長(zhǎng)期檢測(cè)的需求。

6）直流無(wú)刷電機(jī)。綜合考慮無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，涵蓋兩種電機(jī)的適用范圍、使用壽命、使用效果、節(jié)能方面、日后維修方面等因素，發(fā)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)符合我們的各項(xiàng)要求。更為重要的是，無(wú)刷電機(jī)能在水中工作，而有刷電機(jī)則需要防水保護(hù)殼。

7）無(wú)刷電調(diào)。電調(diào)，簡(jiǎn)稱ESC，對(duì)于不同的電機(jī)，可分為有刷電調(diào)和無(wú)刷電調(diào)。電調(diào)能夠按照控制信號(hào)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。要是通電后電機(jī)反轉(zhuǎn)，則反接電調(diào)任意兩根電線即可。

8）可充電鋰電池。我們選用可充電鋰電池給電機(jī)供電（中間通過(guò)電調(diào)），電池組安放在母船上，并且為了可以讓用戶隨時(shí)隨地地了解電池的工作狀態(tài)，避免電池過(guò)放或過(guò)充造成的傷害，我們給電池安裝了低壓報(bào)警器（后續(xù)有關(guān)于低壓報(bào)警器的說(shuō)明）。

9）BB響低壓報(bào)警器。低壓報(bào)警器用于自動(dòng)檢測(cè)鋰電池每個(gè)電芯的電壓和總電壓，支持反向連接保護(hù)。倘若電壓低于設(shè)定值，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲音警報(bào)。

值得說(shuō)明的是，接收器的供電由電調(diào)直接供給，我們上述選用的電調(diào)輸出電壓是5 V。也即通過(guò)遙控裝置將信號(hào)發(fā)送給接收器，接收器收到信號(hào)后通過(guò)電調(diào)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，詳情可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

2? 軟件部分

本章主要介紹了潛水器水質(zhì)分析系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，又分若干模塊介紹該系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)。

2.1? 潛水器與水質(zhì)分析系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計(jì)

2.1.1? 開發(fā)環(huán)境

整體開發(fā)都在MDK5.0的環(huán)境下完成，因?yàn)镸DK5.0是對(duì)ARM Cortex-M內(nèi)核優(yōu)化程度最好的開發(fā)環(huán)境之一。

2.1.2? 潛水器與水質(zhì)分析系統(tǒng)的功能分析

該系統(tǒng)的水質(zhì)參數(shù)測(cè)量與處理都是由STM32F103ZET6處理器完成。該水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)包含pH傳感器、溫度傳感器、深度傳感器等多種傳感器，它們將探測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大等處理后將其送至處理器，再由處理器處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為用戶可直接辨別的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口Wi-Fi模塊顯示于用戶手機(jī)上。

2.2? 各功能模塊應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

2.2.1? GPIO口工作模式配置

我們所使用的STM32處理器具有豐富的GPIO口資源，而且全部GPIO口均可單獨(dú)配置成不同的工作模式：開漏復(fù)用功能推挽式復(fù)用功能、開漏輸出、推挽輸出、浮空輸入、上拉輸入、模擬輸入、下拉輸入。

2.2.2? 數(shù)據(jù)采集模塊程序設(shè)計(jì)

本水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)主要為溫度值、pH值和濁度值。這些信號(hào)都由傳感器采集并生成數(shù)字信號(hào)后送入STM32處理器。在與處理器通信時(shí)需要使用軟件模擬時(shí)序進(jìn)行通信。而TDS信號(hào)是一種頻率信號(hào)，我們采用了STM32定時(shí)器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的辦法進(jìn)行對(duì)處理器-頻率的計(jì)算。本文測(cè)量方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。

2.2.3? 串口Wi-Fi通訊模塊程序設(shè)計(jì)

本水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)串口Wi-Fi模塊與處于同一局域網(wǎng)的用戶終端通訊，全部通訊都通過(guò)串口完成。

2.2.4? 校正程序設(shè)計(jì)

在測(cè)量過(guò)程中我們需要保證各類傳感器的測(cè)量精度，但是在長(zhǎng)期的水下環(huán)境中，傳感器必定會(huì)被腐蝕、老化，從而造成不可避免的誤差，使得測(cè)量數(shù)據(jù)不如以前精確。所以我們需要定時(shí)校正傳感器的數(shù)值，并將所校正的數(shù)據(jù)保存在處理器的Flash中，在之后的測(cè)量中直接使用Flash中的校 準(zhǔn)數(shù)據(jù)，保證其數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期精確性。我們?cè)谛Ｕ惺褂昧藘牲c(diǎn)校正法。

2.2.5? 測(cè)量結(jié)果溫度補(bǔ)償方法

由各水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的影響因素可知，pH值和溫度兩種水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果都與溫度有關(guān)，所以需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，本文的溫度補(bǔ)償采用的是擬合公式法。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，設(shè)計(jì)時(shí)未能對(duì)水樣的溫度進(jìn)行精確控制，因此在對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)采用的補(bǔ)償系數(shù)是通過(guò)查閱資料得出的一般性結(jié)論，因此對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度有一定的影響，在后期的工作中應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.6? Flash讀寫程序設(shè)計(jì)

在處理器中我們使用了Flash存儲(chǔ)器來(lái)讀寫程序，因?yàn)镕lash存儲(chǔ)器能夠使用最小的空間去發(fā)揮EEPROM的最大靈活性能。并且Flash存儲(chǔ)器能保證掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度快、容量大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并且我們所使用的STM32處理器內(nèi)部有著512 kB的Flash存儲(chǔ)器，可以保存大量的用戶數(shù)據(jù)。

3? 結(jié)? 論

本文主要介紹了多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，首先分析了系統(tǒng)的軟件整體框架;其次對(duì)各功能模塊的任務(wù)及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析;最后對(duì)潛水器水質(zhì)分析系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹并對(duì)各類傳感器工作情況進(jìn)行了分析。在學(xué)院電氣實(shí)驗(yàn)室完成了該潛水器以及檢測(cè)系統(tǒng)的樣機(jī)并成功下水收集數(shù)據(jù)，證明該設(shè)計(jì)是完全可行的。該潛水器體積小、功耗低、效率高，可長(zhǎng)期監(jiān)管水體數(shù)據(jù)，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展理念，隨著國(guó)家的發(fā)展，該類機(jī)器將對(duì)社會(huì)起到越來(lái)越重要的作用。

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