一種網(wǎng)箱清理水下機(jī)器人設(shè)計(jì)*

林 廣 ， 李偉洪 ， 肖景強(qiáng) ， 麥家偉 ， 劉孝賢

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 ，廣東 湛江 524088）

深海網(wǎng)箱指的是設(shè)置在較深海域，利用新材料、防海水腐蝕等技術(shù)建造的抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、集約化程度高、養(yǎng)殖容量大的圓形雙浮管式大型網(wǎng)箱[1]。但由于網(wǎng)箱長期浸泡在水下區(qū)域，易受海洋污損及生物侵害，大量藻類往往附著在網(wǎng)箱外圍，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)目阻塞，阻礙水體交換，從而造成魚類缺氧死亡，甚至?xí)?dǎo)致網(wǎng)箱破裂和魚類出逃，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此，需要相關(guān)設(shè)備定期對(duì)網(wǎng)箱進(jìn)行清洗。但目前我國深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)配套設(shè)備研發(fā)相對(duì)滯后，網(wǎng)箱自動(dòng)化清洗設(shè)備較為缺乏[2-3]。

水下機(jī)器人是開展海洋探索所需的重要工具，早在16 世紀(jì)就有科學(xué)家對(duì)水下潛器進(jìn)行研究[4]。但我國引進(jìn)大型深海網(wǎng)箱時(shí)間較晚，對(duì)網(wǎng)衣清洗設(shè)備的研究也不多[2]?；诖?，課題組根據(jù)水下網(wǎng)箱的清理需求，設(shè)計(jì)出一種網(wǎng)箱清理機(jī)器人。該機(jī)器人可高效地清理水下網(wǎng)箱，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化程度，為養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展（即保護(hù)養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)環(huán)境、合理利用資源和提高經(jīng)濟(jì)效益）奠定基礎(chǔ)[5]。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

網(wǎng)箱清理水下機(jī)器人主要應(yīng)用于深海水下養(yǎng)殖網(wǎng)箱的清洗，由螺旋槳運(yùn)動(dòng)裝置、清洗裝置、檢測(cè)裝置、主控裝置、機(jī)架等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作人員將機(jī)器人放入水中，位于機(jī)身四角的水深傳感器檢測(cè)水深反饋數(shù)據(jù)為小值，通過STM32控制舵機(jī)的電機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)身下潛。位于機(jī)身前方的超聲波傳感器檢測(cè)機(jī)器人與網(wǎng)箱的距離，并回傳模擬信號(hào)。STM32通過程序算法計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，通過改變舵機(jī)的角度使機(jī)器人進(jìn)入工作區(qū)域。到達(dá)工作區(qū)域后，機(jī)器人開啟清洗裝置，進(jìn)行網(wǎng)箱的清理。期間，超聲波傳感器與STM32時(shí)刻保持通信，保持網(wǎng)箱與機(jī)身的距離。在清洗過程中，機(jī)身會(huì)出現(xiàn)振蕩搖晃，位于內(nèi)部的六軸傳感器將機(jī)身偏移數(shù)據(jù)反饋給STM32處理，利用pwn控制調(diào)整舵機(jī)角度，使機(jī)器人保持平穩(wěn)。當(dāng)機(jī)器人下降到箱子底部時(shí)，位于機(jī)身底部的水下測(cè)距模塊超出了檢測(cè)的有效范圍，機(jī)器人向左移動(dòng)，舵機(jī)控制調(diào)整電機(jī)角度上浮，重新開始清洗運(yùn)動(dòng)。在完成一次網(wǎng)箱清洗后，機(jī)器人上浮回到水面，表面的4個(gè)傳感器將自身檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后反饋給STM32，機(jī)器人又開始下潛，重復(fù)清洗運(yùn)動(dòng)。清洗工作完成后，機(jī)器人自動(dòng)上浮，工作人員通過漁船將機(jī)器人回收。

圖1 網(wǎng)箱清理水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 主要結(jié)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

目前，市面上的水下機(jī)器人大多使用電機(jī)搭配螺旋槳來為水下運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，保證水下機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)特性[6]。本設(shè)計(jì)則在機(jī)器人四周布置4個(gè)防水電機(jī)，由電機(jī)提供動(dòng)力。電機(jī)與螺旋槳之間采用聯(lián)軸器連接、頂絲固定的安裝方式，以保持運(yùn)動(dòng)中螺旋槳結(jié)構(gòu)的緊湊。在電機(jī)上方空腔內(nèi)設(shè)有軸承和軸套，減少電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)與機(jī)體內(nèi)壁的摩擦。電機(jī)外殼的向外伸出桿與舵機(jī)采用螺栓連接，使電機(jī)螺旋槳整體傾斜角度由舵機(jī)控制，通過PID程序輸出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。4個(gè)舵機(jī)角度相互配合，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下沉浮。在靠近外殼縫隙連接處設(shè)有橡膠防水圈，防止因水體進(jìn)入而導(dǎo)致零件損壞。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)裝置如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)裝置內(nèi)部圖

2.2 清洗裝置設(shè)計(jì)

機(jī)器人清洗裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由清洗盤、聯(lián)軸器、執(zhí)行電機(jī)、橡膠圈、固定件等組成。清洗盤為一種圓形殼體，尾部設(shè)有連接口，由螺栓與聯(lián)軸器固定相連，盤上設(shè)有多個(gè)毛刷孔，每個(gè)孔位都裝有一定硬度的尼龍毛。另外，清洗盤上還設(shè)有多根硬質(zhì)針狀釘子，可輔助清理附著在網(wǎng)箱上的貝類。電機(jī)則由STM32控制開啟。當(dāng)機(jī)器人開始清理時(shí)，直流減速電機(jī)啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)聯(lián)軸器傳遞扭矩帶動(dòng)清洗盤旋轉(zhuǎn)，清理網(wǎng)箱中的藻類和貝類寄生物。用戶可以根據(jù)自身需求，更換毛刷類型，以達(dá)到更好的清理效果。

圖3 清洗裝置結(jié)構(gòu)圖

3 主要控制原理設(shè)計(jì)

3.1 固定位距控制原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)方面的清理機(jī)制，本裝置采用水下超聲波測(cè)距模塊采集信息。水下超聲波測(cè)距模塊的測(cè)量距離為3 cm～450 cm，該模塊的測(cè)量精度和距離能夠滿足設(shè)備正常清理水下養(yǎng)殖網(wǎng)箱的要求。水下超聲波測(cè)距模塊主要用于測(cè)量設(shè)備與網(wǎng)箱的距離，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給STM32主控板，主控板通過程序上設(shè)定的卡爾曼濾波算法及PID算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。STM32控制板根據(jù)此數(shù)據(jù)調(diào)用程序上的函數(shù)指令，控制舵機(jī)的執(zhí)行角度和直流減速電機(jī)的開啟、停止及正反轉(zhuǎn)等相關(guān)操作，進(jìn)而控制設(shè)備與網(wǎng)箱的距離。設(shè)備與網(wǎng)箱固定距離控制原理如圖4所示。

圖4 設(shè)備與網(wǎng)箱固定距離控制原理圖

3.2 姿態(tài)調(diào)整原理

由于自身運(yùn)動(dòng)以及浪潮對(duì)表層水流動(dòng)的影響，機(jī)器人在水體的沉浮平衡會(huì)因?yàn)樯鲜鲈虺霈F(xiàn)一定的波動(dòng)。為了使其處于理想的工作姿態(tài)，課題組為機(jī)器人裝配了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控自身位置歐拉角的MPU6050六軸傳感器模塊，并通過Mahony互補(bǔ)濾波算法得到比較準(zhǔn)確的歐拉角。設(shè)備頂部四角裝備的水深傳感器測(cè)得機(jī)器人自身各方向的水深數(shù)據(jù)后，將其傳送給STM32中控板進(jìn)行PID算法處理，計(jì)算出機(jī)器人在各方向傳感器之間的誤差值，將得到的誤差值換算成相應(yīng)的PWM占空比信號(hào)，反饋給電機(jī)調(diào)速，從而控制自身姿態(tài)。MPU6050模塊測(cè)得的六軸姿態(tài)信號(hào)和貼網(wǎng)壓力信號(hào)能夠使機(jī)器人維持良好的貼附狀態(tài)[7]，能夠更好地保障設(shè)備在運(yùn)動(dòng)方向上不會(huì)出現(xiàn)脫離清理網(wǎng)面軌跡的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)更好的清理效果。姿態(tài)調(diào)節(jié)控制原理如圖5所示。

圖5 姿態(tài)調(diào)節(jié)控制原理圖

3.3 自動(dòng)化清潔軌跡部分

設(shè)備上搭載了多種傳感器，頂部有4個(gè)水深傳感器，底部有1個(gè)射向網(wǎng)箱方向的水下紅外測(cè)距傳感器。由于設(shè)備清理的網(wǎng)箱通常是圓柱形，可通過比較精確的傳感器之間相互配合來實(shí)現(xiàn)清理軌跡的邏輯，設(shè)備用到的傳感器有效范圍如下：水深傳感器0.002 m～300 m、水下激光測(cè)距傳感器0.03 m～40 m。清理軌跡的邏輯如下。

首先，設(shè)備頂部的4個(gè)水深傳感器可檢測(cè)設(shè)備目前的在水深度，當(dāng)4個(gè)水深傳感器測(cè)量到目前設(shè)備的水深數(shù)據(jù)在0～0.04 m的范圍，同時(shí)水下激光測(cè)距模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)在0.03 m～40 m之內(nèi)，默認(rèn)設(shè)備漂浮在水面上，機(jī)體尚未下潛；當(dāng)4個(gè)水深傳感器測(cè)量到目前設(shè)備的水深數(shù)據(jù)在0.04 m～300 m范圍內(nèi)，同時(shí)水下激光測(cè)距模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)大于40 m時(shí)，默認(rèn)設(shè)備已經(jīng)到達(dá)網(wǎng)箱底部。

其次，程序上設(shè)置了兩種設(shè)備沉浮狀況的轉(zhuǎn)向信號(hào)。一種是設(shè)備的水深數(shù)據(jù)為0～0.04 m并且水下激光測(cè)距數(shù)據(jù)在0.03 m～40 m的情況；另一種是設(shè)備的水深數(shù)據(jù)為0.04 m～300 m并且水下激光測(cè)距數(shù)據(jù)大于40 m的情況。當(dāng)上述兩種情況發(fā)生其中一種時(shí)，設(shè)備將通過中斷程序、執(zhí)行轉(zhuǎn)向程序來驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)會(huì)使設(shè)備在網(wǎng)箱接觸點(diǎn)的切向方向朝該接觸點(diǎn)的x軸負(fù)方向移動(dòng)一個(gè)滾輪盤長度的橫向距離。

最后，經(jīng)過多次執(zhí)行上下沉浮和向左移動(dòng)的重復(fù)動(dòng)作后，網(wǎng)箱將會(huì)被清理干凈，機(jī)器人完成設(shè)定的工作任務(wù)。

3.4 整體電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備開啟，主控板進(jìn)行初始化，各傳感器進(jìn)行初始化。待機(jī)狀態(tài)可進(jìn)行藍(lán)牙遙控。藍(lán)牙斷開，處于自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給STM32主控單片機(jī)處理。主控板將相應(yīng)的信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)模塊以及舵機(jī)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)到數(shù)據(jù)設(shè)置值，驅(qū)動(dòng)模塊將主控的PWM微弱信號(hào)放大為驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)的PWM輸入電流，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中程序控制中斷優(yōu)先級(jí)如下：姿態(tài)調(diào)整＞固定位距調(diào)整＞自動(dòng)軌跡行走調(diào)整。電路模塊控制原理如圖6所示。

4 結(jié)論

海洋漁業(yè)的迅速發(fā)展，要求智能化的水下機(jī)器人隨之進(jìn)步，這也將是水下機(jī)器人的未來發(fā)展方向[8]。課題組從實(shí)際出發(fā)，綜合考慮了水下網(wǎng)箱養(yǎng)殖的工作場(chǎng)景和用途，分析機(jī)器人

的運(yùn)動(dòng)和清洗原理，設(shè)計(jì)了水下網(wǎng)箱機(jī)器人的結(jié)構(gòu)（清洗裝置、運(yùn)動(dòng)裝置）以及控制系統(tǒng)。該機(jī)器人能夠有效解決目前網(wǎng)箱養(yǎng)殖的清洗問題，提高運(yùn)營效率，節(jié)省時(shí)間并降低成本，對(duì)水下機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義，對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展也有比較重要的意義[9-10]。

圖6 電路模塊控制原理圖