基于鋼架網(wǎng)箱清理控制系統(tǒng)的研究

張 浩 崔新忠 丁樹兵 尹 杰 盧佳樂 王雋屹 張津?qū)?/p>

大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院 遼寧大連 116023

隨著智慧海洋牧場的發(fā)展，網(wǎng)箱養(yǎng)殖在世界各地得到了迅速而持續(xù)的發(fā)展。伴隨著養(yǎng)殖網(wǎng)箱的發(fā)展，網(wǎng)箱長期浸泡在海水中，易受其他海洋生物的侵害，會有很多的海洋生物如大量的藻類、貝類往往會附著在養(yǎng)殖網(wǎng)外圍。目前，國內(nèi)網(wǎng)衣清洗方式包括定期換網(wǎng)法、人工清洗法、升降下沉法、生物澄清法和機(jī)械清洗法等，存在清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低等問題。

基于目前清理方式所出現(xiàn)的缺點，我們將網(wǎng)箱清理裝置與水下機(jī)器人相結(jié)合，通過STM32系統(tǒng)來建立其控制系統(tǒng)，對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，到達(dá)指定位置控制其清理裝置對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行清理，來達(dá)到自主清理的目的。

1 系統(tǒng)概述

鋼架網(wǎng)箱清理控制系統(tǒng)整體包括硬件部分和控制部分，硬件部分包括供電模塊、運(yùn)動模塊、感知模塊、通信模塊?？刂撇糠钟缮衔粰C(jī)進(jìn)行控制。其系統(tǒng)概述如圖1所示。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計

鋼架網(wǎng)箱清理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括充氣倉(提供浮力)、密封艙、推進(jìn)器、攝像頭、履帶、電磁鐵(提供吸附力)空化射流裝置。供電模塊：我們采用岸上供電，可以提供更長時間的續(xù)航能力，能夠長時間進(jìn)行工作。運(yùn)動模塊：利用STM32進(jìn)行控制8個推進(jìn)器提供推力控制其在網(wǎng)箱上各個方向的運(yùn)動，底部的履帶提供動力，控制其前行。感知模塊和通信模塊處于密封艙之中，提供良好的密閉空間，保證電器系統(tǒng)安全運(yùn)行。感知模塊通過傳感器進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，深度傳感器、姿態(tài)傳感器、漏水傳感器、攝像頭通過飛控進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，同時飛控控制推進(jìn)器進(jìn)行方向上的改變。通信模塊：飛控與樹莓派相互連接到RS485有線通信進(jìn)行與上位機(jī)的通信?？栈淞餮b置在其底部，實現(xiàn)對網(wǎng)箱的清理。結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

水下清理機(jī)器人總體控制方案是設(shè)計的核心所在，控制系統(tǒng)主要包括水上控制器、姿態(tài)控制系統(tǒng)、圖像控制系統(tǒng)、清理控制系統(tǒng)四部分。

1.2.1 水上控制器包括遙控器和上位機(jī)

通過QgroundControl設(shè)置器控制方式，GPS獲取運(yùn)動空間坐標(biāo)。控制器作為整個水下機(jī)器人的控制中心，一方面對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取水下機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，在外界干擾條件下做出控制指令維持水下機(jī)器人機(jī)身自平衡；另一方面通過接收遙控器指令響應(yīng)相應(yīng)的動作[1]。通過線纜與水下控制系統(tǒng)相連接。

1.2.2 姿態(tài)控制系統(tǒng)

感知模塊與主控制器STM32構(gòu)成姿態(tài)控制系統(tǒng)，感知模塊包括姿態(tài)傳感器、深度傳感器、漏水傳感器，水上部分包括STM32單片機(jī)、控制器、上位機(jī)控制軟件。如圖4所示。

姿態(tài)傳感器：在水中我們需要了解水下機(jī)器人是否保持平衡，我們需要利用MPU6050自帶的結(jié)算算法對機(jī)器人在水中的位置姿態(tài)信息進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對水下機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整保證機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行。如圖3所示。

深度傳感器：MS5837壓力傳感器擁有IIC通信接口和SPI通信接口，內(nèi)部集成壓力傳感器和溫度傳感器具有良好的防水性，可測量范圍水下100米范圍，廣泛應(yīng)用在水下機(jī)器人中。

1.2.3 圖像控制系統(tǒng)

圖像采集的主控板選擇樹莓派，樹莓派通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動從而控制小型云臺的位置，改變攝像頭位置。攝像頭則通過SCI接口直接連接到樹莓派，通過遠(yuǎn)程連接將電腦和樹莓派相連，控制攝像頭完成響應(yīng)的動作。

1.2.4 清理控制系統(tǒng)如圖4所示。

2 空化射流清理技術(shù)

空化射流清洗技術(shù)是將空化引入水射流技術(shù)而形成的一種新型水下設(shè)施清洗技術(shù)。通過控制壓力、流速等參數(shù)，在水流通過空化噴嘴時產(chǎn)生大量的空化氣泡，利用空化氣泡在材料表面的狹窄區(qū)域內(nèi)潰滅產(chǎn)生高達(dá)140～170MPa的微射流沖擊，從而達(dá)到清潔設(shè)施表面附著物和污垢層的目的。與其他清洗技術(shù)相比，該技術(shù)不僅具有高效、節(jié)能、環(huán)保、安全等優(yōu)點，而且具有不傷害設(shè)施基材、很少或完全不傷害完整防腐層的顯著優(yōu)點。

2.1 吸附結(jié)構(gòu)

如圖5所示。

要實現(xiàn)網(wǎng)箱的清理工作，需要電磁鐵的吸附作用將水下機(jī)器人固定在網(wǎng)箱之上。為了保證在穩(wěn)態(tài)下提供足夠的保持力，并降低功耗，在電磁鐵兩端加了若干圓柱形的永磁；為了增大磁場吸力，在銜鐵兩端增加了端片，以增大銜鐵極面面積。如圖6為電磁鐵結(jié)構(gòu)圖[2]。

2.2 清理方式

采用空化射流技術(shù)，通過增壓泵進(jìn)行加壓，與水下機(jī)器人進(jìn)水口相連接通過空化射流噴嘴噴出?？栈怯捎谝毫飨到y(tǒng)中的局部低壓(低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸氣壓力)使液體蒸發(fā)而引起的微氣泡(或稱為氣核)爆發(fā)性生長[3]、發(fā)展和潰滅的現(xiàn)象。收縮管道內(nèi)水流流動產(chǎn)生的空化現(xiàn)象如圖7所示。圖中表示一段收縮管道內(nèi)的水流，上游壓力為P1，下游壓力為P2，收縮段壓力為Pc，水流速度為u，當(dāng)?shù)亟^對壓力P[4]。

3 清理過程模擬演示

如圖8所示，清理裝置下潛到水中，T200推進(jìn)器提供動力確保其在水中各個方向上移動，到達(dá)網(wǎng)箱附近，吸附于網(wǎng)箱之上，內(nèi)部傳動裝置帶動履帶運(yùn)動實現(xiàn)其在網(wǎng)箱上的運(yùn)動。電磁鐵工作，吸附于網(wǎng)箱之上，通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)使其能夠在正常移動情況下實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。利用空化射流來進(jìn)行清理，加壓的水通過空化射流噴嘴實現(xiàn)清理功能。

4 網(wǎng)箱清理技術(shù)在漁業(yè)發(fā)展的應(yīng)用

水產(chǎn)網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)是近些年來發(fā)展的一種新型的養(yǎng)殖方式，在我國，海水網(wǎng)箱大量集中于港灣內(nèi)，養(yǎng)殖密度高于海區(qū)的環(huán)境容量，在這種高密度的養(yǎng)殖條件下，安全有效的網(wǎng)箱清理可以減少寄生生物對網(wǎng)箱網(wǎng)衣的附著。缺乏安全有效的網(wǎng)箱清理方式會使魚類的生長受到影響，養(yǎng)殖環(huán)境自身污染嚴(yán)重，網(wǎng)箱內(nèi)外水流不暢，引起魚病頻發(fā)，養(yǎng)殖魚種品質(zhì)下降。目前國內(nèi)網(wǎng)衣清洗方法有定期換網(wǎng)法、人工清洗法、升降下沉法、生物去除法和機(jī)械清洗法等，清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低。

通過水下網(wǎng)箱清理機(jī)器人代替人工，降低勞動強(qiáng)度，提高安全系數(shù)。利用空化射流清理技術(shù)，可以更好地對網(wǎng)箱進(jìn)行清理；能長時間工作在水下，提高工作效率，清理更加可靠。這種水下網(wǎng)箱清理機(jī)器人能夠在深海進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控，必然會發(fā)揮不可代替的作用。

結(jié)語

本文主要介紹了基于鋼架網(wǎng)箱清理控制系統(tǒng)的研究，將空化射流技術(shù)與水下機(jī)器人相結(jié)合，形成一個完整的清理裝置，通過控制器來控制其運(yùn)行，QgroundControl設(shè)置器控制方式，GPS獲取運(yùn)動空間坐標(biāo)，利用姿態(tài)傳感器MPU6050來調(diào)整平衡狀態(tài)，深度傳感器MS5837對其深度進(jìn)行實時監(jiān)測，圖像采集的主控板選擇樹莓派，樹莓派通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，從而控制小型云臺的位置，改變攝像頭位置。攝像頭則通過SCI接口直接連接到樹莓派，進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，將電腦和樹莓派相連，控制攝像頭完成響應(yīng)的動作。利用PID算法設(shè)計器控制程序，控制水下機(jī)器人運(yùn)行。到達(dá)目的地后，電磁鐵會吸附于網(wǎng)箱之上，空化射流裝置進(jìn)行工作，通過空化射流噴嘴實現(xiàn)對于網(wǎng)箱的清理。網(wǎng)箱清理技術(shù)能夠更好地服務(wù)于現(xiàn)代化海洋牧場，推動中國海洋漁業(yè)的發(fā)展。