養(yǎng)殖工船作業(yè)型水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

張佳奇，謝永和，李德堂，高煒鵬，陳 卿，王 君，王云杰，洪永強

1. 浙江海洋大學(xué) a. 海洋工程裝備學(xué)院，b. 船舶與海運學(xué)院，浙江 舟山316022

2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092

占地球表面積71% 的海洋蘊藏著豐富的生物、礦物和能源等資源，是人類繁衍生息和持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1-2]。我國是海洋大國，豐富的海洋資源為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了天然的資源基礎(chǔ)[3]。樹立大食物觀，建設(shè)海洋牧場，是推進我國糧食安全戰(zhàn)略的重要保障。近年來，我國重視發(fā)展深遠(yuǎn)海綠色養(yǎng)殖，鼓勵深遠(yuǎn)海大型智能化養(yǎng)殖平臺建設(shè)，使深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖逐漸朝機械化、自動化、信息化方向發(fā)展[4-5]。其中，最具代表性的是養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖裝備的設(shè)計與研發(fā)。養(yǎng)殖艙內(nèi)的水質(zhì)檢測是養(yǎng)殖工船作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水質(zhì)環(huán)境中溫度、pH、溶解氧(DO)、氨氮等是影響魚類生長的重要因素[6-8]，實時水質(zhì)監(jiān)測可控制養(yǎng)殖艙的水環(huán)境，降低水產(chǎn)養(yǎng)殖風(fēng)險，提高養(yǎng)殖效益。

水下機器人又稱無人遙控潛水器，是一種在水下作業(yè)的機器人，它可在常規(guī)技術(shù)不能到達的深度或區(qū)域進行綜合考察和研究，能自主完成多種作業(yè)使命，成為探索、開發(fā)和利用海洋的重要手段之一[9-10]。目前，水下機器人已應(yīng)用于多場景海洋作業(yè)中，如水下礦物、礦石和水下考古觀測[11]，海底電纜鋪設(shè)[12]，石油和天然氣工業(yè)[13]，在軍事、漁業(yè)等領(lǐng)域也占據(jù)舉足輕重的地位[14-16]。在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，利用水下機器人進行水質(zhì)監(jiān)測，可明顯提升監(jiān)測的靈活性、效率和范圍。王懿偲等[17]設(shè)計了一款監(jiān)測水質(zhì)與魚群活動的機械魚機器人，搭建了機器魚三維路徑跟蹤控制系統(tǒng)和誤差模型，以及控制精度高和魯棒性強的模糊滑模控制器，但鑒于實際試驗環(huán)境中干擾更加復(fù)雜，需進一步優(yōu)化算法。劉寧等[18]開發(fā)了一款用于定期水質(zhì)監(jiān)測的新型蛇形機器人，采用仿生蛇形和沉浮結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析和模擬了蛇形機器人的穩(wěn)定性，為水下機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了全新的思路，但其無法滿足定點懸停采樣以及實時監(jiān)測。李翔飛和戴逸飛[19]構(gòu)建了一款用于監(jiān)測水下環(huán)境的六足水下機器人，其控制系統(tǒng)使用Python 程序?qū)Σ綉B(tài)進行控制，采用仿生結(jié)構(gòu)將水底行走與水中游動相結(jié)合，可代替人工水下作業(yè)，但其作業(yè)深度受限。Ravalli 等[20]開發(fā)了一種用于水質(zhì)監(jiān)測和預(yù)警的多傳感器仿生魚機器人，在結(jié)構(gòu)上將pH 傳感器與改良后的聚苯胺傳感器同水下機器人相結(jié)合，將采集的信號轉(zhuǎn)換為電子信號控制水下機器人，利用多傳感器平臺對環(huán)境中的氫離子 (H+) 濃度進行檢測，但檢測的參數(shù)較少。Jo 等[21]提出了一種新的、完全開源、低成本、小型無人水面飛行器 (Unmanned Surface Vessel, USV)，用于實時測量近地表水質(zhì)，USV 設(shè)計的硬件和軟件均為開源，開發(fā)Android 程序通過藍牙控制USV，可實現(xiàn)自主導(dǎo)航并顯示傳感器和GPS 數(shù)據(jù)，但其使用場景受限。Huang 等[22]設(shè)計了一種用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)檢測的機器人，采用開放式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、三螺旋槳推進方式，機器人配備水質(zhì)檢測模塊，采集定點位置的淡水水溫、pH、DO 等參數(shù)，但實際作業(yè)中無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。

目前，水質(zhì)檢測技術(shù)正向多元化、智能化、信息化方向發(fā)展[23-24]，但存在技術(shù)不成熟、運營成本高、普及范圍小、水質(zhì)污染嚴(yán)重等問題[25]?，F(xiàn)今水質(zhì)監(jiān)測主要靠人工采集，再進行儀器檢測，雖然準(zhǔn)確度高，但效率低且周期長；另一種方式是采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在檢測區(qū)域布置各類水質(zhì)監(jiān)測傳感器，可以實現(xiàn)實時檢測，卻無法實現(xiàn)水質(zhì)分層監(jiān)測，而且傳感器費用較高，作業(yè)區(qū)域也受限?；谏鲜鰡栴}，本研究設(shè)計了一款流線型作業(yè)型纜控水下機器人 (Remotely operated vehicle, ROV)，將ROV 和多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器組結(jié)合，搭建了一套完整的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，通過抽水方式將采集水樣輸送到采樣桶，然后由多參數(shù)傳感器組和上位機軟件實時監(jiān)測水溫、pH、DO 及鹽度參數(shù)，可解決水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)檢測結(jié)果的片面性、局部性等問題，且能實現(xiàn)5 自由度靈活運動，可在不同深度下完成分層水質(zhì)抽樣檢測；利用多參數(shù)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測，同時具有觀察魚類生長環(huán)境和監(jiān)控作業(yè)的功能，可提升養(yǎng)殖成效，助力海洋牧場建設(shè)。

1 ROV 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 ROV 水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計

ROV 整體水質(zhì)檢測系統(tǒng)由多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器組和水下機器人組成，多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器組檢測采樣的水質(zhì)，水下機器人 (ROV) 為采樣的載體。該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)過程為：在養(yǎng)殖艙甲板或岸上安裝多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測傳感器組，用水管搭載到機器人載體上，依靠機器人的高機動性通過手柄操控在養(yǎng)殖艙內(nèi)到達不同的水層，經(jīng)自吸泵吸水輸送到傳感器組，對水質(zhì)的DO、溫度、pH、鹽度進行監(jiān)測，利用上位機軟件實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)分析、記錄和儲存功能。整體水質(zhì)檢測系統(tǒng)流程見圖1-a。根據(jù)3 種傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計對應(yīng)的固定結(jié)構(gòu)，將傳感器組固定在同一水平線上，保證水質(zhì)參數(shù)采集數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，將3 個傳感器通過螺栓和螺母固定在空隙位置，可以根據(jù)水位高低調(diào)節(jié)傳感器組的位置，可以更換不同類型水質(zhì)傳感器獲取不同的水質(zhì)參數(shù)。整體傳感器組見圖1-b。

圖1 ROV 水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計Fig. 1 Design of ROV water quality detection system

1.2 ROV 系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 ROV 設(shè)計參數(shù)指標(biāo)

ROV 整體采用流線型外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，由6 個推進器、2k 分辨率的攝像頭和可調(diào)節(jié)亮度的照明燈等組成。根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，要求ROV 可以滿足多自由度運動包括升潛、轉(zhuǎn)舵、進退、回轉(zhuǎn)和橫搖等5 個自由度；可以實現(xiàn)在指定位置懸停并配合水管進行抽水作業(yè)；能夠拍攝水下視頻并傳輸記錄水底場景，同時記錄ROV 水下姿態(tài)角、水下深度等信息。具體設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 ROV 整體設(shè)計參數(shù)指標(biāo)Table 1 Parameter indicators of ROV overall design

1.2.2 ROV 系統(tǒng)組成

ROV 通過內(nèi)部蓄電池為其供電，通過線纜為上位機發(fā)送信號指令并將收集的圖像、傳感器信號以及位置等信息傳送給上位機，通過人機交互界面直觀、清楚、準(zhǔn)確地反映水下環(huán)境。ROV主要由水下機器人本體、線纜以及PC 端上位機組成。ROV 系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)、觀測及照明系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、外殼結(jié)構(gòu)和抽水檢測結(jié)構(gòu)等組成。ROV 具體系統(tǒng)組成及系統(tǒng)設(shè)計流程圖分別見圖2、圖3。

圖2 ROV 系統(tǒng)組成Fig. 2 ROV system composition

圖3 ROV 系統(tǒng)設(shè)計流程圖Fig. 3 Flowchart of ROV system design

2 ROV 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外殼設(shè)計

小型水下機器人具有運動速度敏捷、機動性高等特點，外殼作為水下機器人的重要載體與水直接接觸，流線型外殼設(shè)計更好地滿足了運動要求。由于本研究設(shè)計的外殼模型呈現(xiàn)不規(guī)則形狀較多，且對水下壓力要求較小，結(jié)合實際需求，選擇采用高強度ABS[26-27]作為外殼材料，參數(shù)見表2。采用Solidworks 軟件從美觀、性能、實用性等角度出發(fā)設(shè)計外殼，外殼的主體結(jié)構(gòu)包含攝像頭和照明燈外殼、抽水外殼、推進器的外殼和固定結(jié)構(gòu)。采用光固化3D 打印技術(shù)制造外殼 (圖4)。

表2 ABS 物理參數(shù)Table 2 ABS physical parameters

圖4 ROV 外殼Fig. 4 Housing of ROV

為驗證外殼設(shè)計是否滿足強度要求，對ROV外殼進行應(yīng)力仿真分析。利用Solidworks 軟件進行建模并保存為IGES 格式導(dǎo)入Ansys 中；將上、下外殼定義為剛體，并定義材料屬性為ABS 材料，參數(shù)設(shè)置見表2；采用自動網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格；施加壓力載荷，需滿足水下機器人極限作業(yè)深度50 m，經(jīng)計算施加載荷壓力為0.5 MPa；將上、下蓋兩端的接口處添加固定支撐進行求解。求解后上、下外殼等效應(yīng)力和總變形見圖5。

仿真分析表明，水下機器人的上、下外殼最大總變形分別為0.061 382 和0.022 448 mm (圖5-a, 5-b)，屬于微小變形，可忽略不計；上、下外殼最大等效應(yīng)力 (MPa) 分別為 11.01≤σs=46和4.192 3 ≤σs=46(圖5-c, 5-d)，可滿足ABS 材料屈服強度要求。根據(jù)數(shù)值模擬可知，外殼設(shè)計滿足應(yīng)力要求，說明整體外殼能滿足水下50 m 的強度和壓力要求。

2.2 動力系統(tǒng)設(shè)計

ROV 動力系統(tǒng)組主要由電機、推進器、供電系統(tǒng)組成，通過蓄電池為電機提供動能帶動推進器運動，為ROV 提供在水中推進和移動的動力支持。ROV 整體布局采用6 個推進器總體設(shè)計，4 個在豎直方向和2 個在水平方向，在水平和豎直方向上的2 個推進器螺旋槳轉(zhuǎn)速不同，還能夠產(chǎn)生一定的力矩[28]，豎直方向4 個推進器提供浮潛、縱傾、俯仰和轉(zhuǎn)舵4 個自由度和水平方向2 個推進器為機器人提供進退自由度。為滿足ROV 水下工作條件，采用一正一反6 個推進器，6 個推進器布置在同一軸線上，利用板材將6 個推進器固定在耐壓艙兩端，推進器的工作的平均功率在270 W，最大推力為700 N。

在豎直方向推進器的推力和扭矩表達式為：

在水平方向推進器的推力和扭矩表達式為：

由公式(1)、(2)可知，整體ROV 的推力和扭矩表達式為：

式中：T1和T2為x軸上推進器空間推力；T3、T4、T5和T6為z軸上推進器空間推力；T為表示空間推力；M為力矩。

ROV 進退自由的推力為T1+T2，浮潛推力為T3+T4+T5+T6，縱傾力矩為b(T3?T4+T5?T6)，俯仰力矩為a(T1?T2) 和轉(zhuǎn)舵力矩為a(T1?T2)。總體的分布見圖6。

圖6 推進器分布圖Fig. 6 Thruster setup diagram

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

ROV 控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的心臟，控制ROV 的執(zhí)行作業(yè)?？刂朴布饕兄骺刂破鱌ixhawk、樹莓派、電力載波模塊、線纜和地面基站等組成。ROV 整體控制系統(tǒng)需要使用3.3、5、12 V 3 種電壓，通過內(nèi)置的24 V 可充電鋰電池，經(jīng)由多路DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換模塊分壓即可獲得相應(yīng)電源。其中，5 V 電壓供電給主控制器、樹莓派和電力載波模塊，推進器電機總功率需要在額定電壓24 V 下，3.3 V 為整體的航姿參考系統(tǒng)供電；主控制器Pixhawk 由兩片芯片STM32F427 和STM32F100 組成，STM32F427 為主芯片負(fù)責(zé)各類傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，負(fù)責(zé)視頻傳輸和通信；ROV 的加速度計負(fù)責(zé)采集各坐標(biāo)軸角度、角速度及角加速度；深度信息利用深度計通過壓力信息解析獲取，同時可以獲取海水溫度，實現(xiàn)溫度計的功能。推進器采用差速P75 推進器，使用直流無刷電機并集成了電子調(diào)速器，經(jīng)由控制器STM32F100產(chǎn)生PWM 信號對水下6 個推進器進行控制，實現(xiàn)推進器正反轉(zhuǎn)的控制和調(diào)速功能；主控制器和樹莓派通過USB 連接進行通信并傳遞相應(yīng)控制信息，樹莓派3B (Raspberry Pi 3B)微型計算機搭載有1.2 Ghz 64 位ARM Cortex-A53 四核處理器，通過線纜連接到水下電力載波模塊Fathom X，F(xiàn)athom X 以太網(wǎng)通訊板可利用雙絞線完成長距離的以太網(wǎng)通訊，其中一個布置于水下機器人本體，另一個布置于地面操作系統(tǒng)內(nèi)，二者均用于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通訊與雙絞線以太網(wǎng)通訊的轉(zhuǎn)化，水下電力載波模塊將樹莓派的視頻信號轉(zhuǎn)換到兩根電力線上進行通信，水面電力載波模塊將從電力線上傳輸過來的視頻信號轉(zhuǎn)換回網(wǎng)線接口連接至路由器上，以完成高清視頻數(shù)據(jù)的采集發(fā)送以及以太網(wǎng)接口下的數(shù)據(jù)傳輸。整體的控制原理見圖7。

圖7 ROV 控制系統(tǒng)原理圖Fig. 7 Schematic diagram of ROV control system

姿態(tài)和深度控制是ROV 運動控制系統(tǒng)的重點和難點，其控制效果直接影響機器人的性能。ROV的控制從全局上可以理解為對電機進行控制，控制電機力矩的輸入和輸出。本研究采用非集中控制方式，通過4 個獨立的控制器來對ROV 的姿態(tài)和深度進行控制，其由艏向角控制器、縱傾角控制器、橫傾角控制器和深度控制器組成 (圖8)。其中，艏向角控制器用于控制機器人在水中艏向角的平衡，它的輸出量分別等量且相反控制機器人兩側(cè)2 個垂直推進電機；縱傾角控制器用于控制機器人在水中縱傾角的平衡；橫傾角控制器用于控制機器人的偏航角；深度控制器用于控制下潛深度。4 個姿態(tài)控制器均采用PD 控制器。4 個姿態(tài)和深度控制器的輸入分別為姿態(tài)角和深度的期望值，由解算得到的姿態(tài)角和深度實際值的比較偏差，通過上位機軟件顯示再進行調(diào)整。當(dāng)需要定深時，以深度期望值與壓力傳感器測量計算得到的深度實際值比較得到的偏差，作為深度控制器的輸入量。深度控制器輸出深度控制量為PWM 信號控制電調(diào)增量，電調(diào)控制水平方向的4 個推進器進而控制ROV 的下潛深度。

圖8 ROV 姿態(tài)和深度控制原理圖Fig. 8 Schematic diagram of ROV attitude and depth control

2.4 抽水檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計

在ROV 外殼中端位置上采用拋物線線型設(shè)計3 口轉(zhuǎn)換吸水管口，通過轉(zhuǎn)換頭1 連接水管，2 和3 為吸水口。整體抽水采用拋物線線型設(shè)計有利于減輕流體阻力，管口整體尺寸偏小長度為30 mm，寬度為60 mm，高度為45 mm，3 個管口半徑為10 mm 見 (圖9)。

圖9 抽水外殼Fig. 9 Drawing of pumping housing

2.5 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.5.1 固定結(jié)構(gòu)設(shè)計

ROV 的固定結(jié)構(gòu)主要包括整體耐壓艙的固定、6 個推進器同軸線固定、攝像機和照明燈固定(圖10)。其中攝像機和照明燈采用環(huán)形夾具和卡扣配合螺母固定；耐壓艙艙體采用密封艙安裝座、安裝座固定環(huán)和安裝座支撐桿組成的固定環(huán)形柱固定，防止機器人在運動時耐壓艙移位，頂端位置與外殼通過螺母固定；推進器采用板材固定，板材一端和固定環(huán)形柱通過螺絲固定，另一端等距對稱固定6 個推進器。

圖10 ROV 的主要的固定結(jié)構(gòu)Fig. 10 Main fixed structures of ROV

對上述固定部件進行有限元分析，判斷是否滿足設(shè)計應(yīng)力要求。耐壓艙的固定部件材料為鋁合金，攝像機和照明燈的固定部件材料為結(jié)構(gòu)鋼，推進器固定板材采用膠木材料。3 種材料的參數(shù)見表3。

表3 3 種材料參數(shù)Table 3 Parameters of three materials

對所有固定部件進行前處理，網(wǎng)格劃分及外部載荷施加，施加壓力為0.5 MPa，進行求解。求解后數(shù)值模擬云圖見圖11。

圖11 各個固定部件數(shù)值模擬云圖Fig. 11 Numerical simulation of each fixed part

由固定部件的仿真結(jié)果可知，圖11-a—11-b照明燈固定部件的最大變形度為0.019 449 mm，變形度較小，可忽略不計，等效應(yīng)力為171.44 MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度 (250 MPa)，滿足50 m 的壓力要求；圖11-c—11-d 攝像機的固定部件的最大變形度為0.057 932 mm，變形度較小，等效應(yīng)力為228.71 MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度 (250 MPa)，滿足50 m 的壓力要求；圖11-e—11-f 耐壓艙的固定部件的最大變形度為0.268 74 mm，變形度較小，等效應(yīng)力為235.28 MPa，小于鋁合金的屈服強度 (280 MPa)，滿足50 m的壓力要求；圖11-g—11-h 6 個螺旋槳固定部件的最大變形度為0.009 344 6，變形度較小，等效應(yīng)力為44.274 MPa，小于膠木的垂直層向彎曲強度和屈服強度(100 MPa)，滿足50 m 的壓力要求。綜上所述，ROV 所有的固定部件的強度和設(shè)計均滿足水下50 m 的要求。

2.5.2 耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

耐壓艙內(nèi)裝載了ROV 核心部件，包括控制板、電源板、電子羅盤、水下攝像機、照明器(LED等)、深度傳感器、溫度傳感器和各類連接線等。耐壓艙需具備密封保護電子元件的作用，基于流線型的外殼將耐壓艙設(shè)計為圓柱形狀，采用了亞克力材料(PMMA)，具體參數(shù)見表4。首先對整個耐壓艙艙體強度、安全系數(shù)等進行理論計算[29-30]，然后通過Ansys 軟件的靜應(yīng)力分析判斷艙體應(yīng)力、應(yīng)變及安全系數(shù)是否滿足在水中的強度和剛度要求。

表4 亞克力材料屬性Table 4 Properties of acrylic material

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，壓強的計算公式為:

式中：ρ為海水密度 (kg·m—3)；g為重力加速度 (9.8 N·kg—1)；h為作業(yè)深度 (m)。

由勞氏規(guī)范安全系數(shù)知，PMMA 材料的安全系數(shù)最小為2.5[31]，目前設(shè)計的耐壓艙的厚度為5 mm，長度L= 280 mm，直徑D= 100 mm，ROV 潛水深度介于1～50 m，取ξ= 5 mm，計算臨界壓力PC為：

安全系數(shù)為：

由于n= 3.268 ＞ 2.5，故安全系數(shù)能滿足水下50 m 的設(shè)計要求。

強度計算要求判斷耐壓艙所受外力分類，主要有長圓筒、短圓筒兩種，由公式判斷為：

耐壓艙的長度L= 270 (mm) ＜LC=523.224(mm)，故判斷為短圓筒。利用米塞斯 (Mises) 公式簡化后，計算最小臨界應(yīng)力的公式為：

取安全系數(shù)n=2.5，則：

耐壓艙殼體的壓力σn為6.561 28 MPa，小于PMMA 許用應(yīng)力的值 (22.5 MPa)，即耐壓艙殼體能滿足50 m 的強度要求。

在理論計算的基礎(chǔ)上，利用Ansys 有限元仿真軟件對耐壓艙殼體進行靜應(yīng)力仿真分析，求解后的等效應(yīng)力、合位移、等效應(yīng)變、安全系數(shù)云圖等仿真結(jié)果如圖12 所示。

圖12 耐壓艙數(shù)值模擬Fig. 12 Numerical simulation of pressure-resistant chamber

耐壓艙外殼的最大總變形為0.108 73 mm，最大等效彈性應(yīng)為0.001 51，屬于微小變形，可忽略不計；最大等效應(yīng)力為 9.24 MPa ≤σs=45 MPa，滿足PMMA 材料的物理特性，在理論計算和靜應(yīng)力仿真上均滿足設(shè)計要求，說明耐壓艙艙體可以滿足水深50 m 的設(shè)計要求。

3 試驗測試

對ROV 試驗測試包括水下性能測試和水質(zhì)檢測試驗。在浙江海洋大學(xué)拖曳水池對ROV 的自由度、穩(wěn)定性、密封性以及上位機軟件控制性能等進行試驗，驗證ROV 設(shè)計的合理性與科學(xué)性。試驗器材包括：試驗水池，ROV 整體，傳感器組(DO 傳感器、鹽度傳感器、pH 傳感器)，傳感器固定支架，采樣桶，自吸泵，水管及浮力材料等 (圖13)。

3.1 ROV 軟件調(diào)試

上位機軟件調(diào)試包括ROV 控制系統(tǒng)軟件和多參數(shù)傳感器組數(shù)據(jù)采集軟件。ROV 上位機軟件采用開源的QGround Control (QGC)，通過QGC 調(diào)試ROV 推進器推力、各類傳感器作業(yè)參數(shù)、照明和觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，為水下試驗提供作業(yè)前提。多參數(shù)傳感器組數(shù)據(jù)采集軟件由pH 傳感器、DO 傳感器、鹽度傳感器組成。調(diào)試方法為將傳感器組調(diào)平后放到水中采集10 min，采集速率為1 s，通過軟件觀察曲線變化。兩者調(diào)試試驗見圖14。

圖14 ROV 控制系統(tǒng)軟件和傳感器數(shù)據(jù)采集軟件調(diào)試Fig. 14 ROV control system software and sensor data acquisition software commissioning

3.2 ROV 性能測試

通過X-BOX 控制ROV 到達指定的深度，采用定深懸停命令在指定的位置懸停，通過自吸泵吸水輸送到傳感器組，對水質(zhì)DO、溫度、pH 和鹽度進行監(jiān)測；在光線暗淡或水質(zhì)較差的作業(yè)環(huán)境下，可調(diào)節(jié)ROV 的照明系統(tǒng)，以滿足水下高清視頻、圖片要求?，F(xiàn)場抽水及觀測試驗見圖15。

圖15 抽水及觀測試驗Fig. 15 Pumping and observation experiment

3.3 ROV 自由度測試

ROV 是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其中水下自由度為其重要組成部分。為進一步驗證ROV 在不同水深下正常作業(yè)的可行性，于水池中進行了潛水試驗。測試中，ROV 的目標(biāo)下潛深度設(shè)定為4 m，通過X-BOX 控制，驗證ROV 是否滿足設(shè)計要求，ROV 自由度測試見圖16。經(jīng)過試驗驗證，ROV 的水下自由度能滿足設(shè)計要求。

圖16 ROV 自由度測試Fig. 16 Freedom test of ROV degrees

3.4 水質(zhì)檢測測試

在本次測試中，ROV 測試的下潛深度為0～4 m，并在池中保持定深狀態(tài)，通過自吸泵吸入采樣桶中，30 min 內(nèi)定點采集水池的水樣，經(jīng)傳感器組檢測，通過上位機軟件實時監(jiān)測水溫、pH、DO 和鹽度4 個水質(zhì)指標(biāo)隨時間的變化情況。ROV在指定1 m 位置懸停的4 個參數(shù)變化見圖17，在1、2、3 m 的變化見圖18。

圖17 ROV 在水深1 m 的溫度、溶解氧、pH 和鹽度變化Fig. 17 Changes of temperature, DO, pH and salinity of ROV at water depth of 1 m

圖18 ROV 在不同水深的溫度、溶解氧、pH 和鹽度變化Fig. 18 Changes of temperature, DO, pH and salinity of ROV at different water depths

4 小結(jié)

目前國內(nèi)外針對水質(zhì)檢測的ROV 設(shè)計與研究報道較少，水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水質(zhì)檢測仍存在監(jiān)測片面性、局部性、作業(yè)區(qū)域受限以及監(jiān)測周期長等問題，尚未得到有效解決?；趪鴥?nèi)外的研究現(xiàn)狀，本研究設(shè)計了一種小型作業(yè)型ROV，用于監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水質(zhì)。樣機的性能測試和水質(zhì)參數(shù)測試結(jié)果顯示，ROV 的性能可滿足工作要求；在水質(zhì)參數(shù)測試中，ROV 可以達到指定位置進行分層和定點水質(zhì)采樣。此外，還可以更換不同傳感器，如氨氮傳感器、氧化還原電位傳感器(ORP)、濁度傳感器等進行抽水測試，以滿足不同的水質(zhì)檢測需要。