摘 要：在現(xiàn)代的的科技不斷發(fā)展的背景下，人們對(duì)于交通有著更大的需求，特別是現(xiàn)代水下作業(yè)存在著困難，阻礙了我們對(duì)海上的運(yùn)輸與探究的發(fā)展情況，讓機(jī)器人代替人力完成水下作業(yè)是一個(gè)趨勢(shì)，所以對(duì)對(duì)水下無人機(jī)的研究是有必要性的。無人水下航行器可以分為遙控式航行器、自主水下航行器和水下滑翔機(jī)。而遙控式航行器能夠更大地滿足于人們的要求，使用范圍也更具自主性，而且遙控式的水下無人機(jī)還能為航道軌道的采集、輪船底部的觀察等海底勘探工作和幫助我們探尋水下世界，幫助我們?cè)谒逻M(jìn)行攝影藝術(shù)的創(chuàng)作，是人類探索海洋和開發(fā)利用海洋資源的重要工具。我們現(xiàn)以小型化、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并制作了一款能夠接受人的手動(dòng)控制，進(jìn)行水下畫面?zhèn)鬏?，?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下情況。

1 研究背景

海洋蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)、生物和海洋能等資源。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展以及人口的急劇增加，陸地上資源迅速減少、生態(tài)環(huán)境日益惡化，我國(guó)開始加強(qiáng)對(duì)海洋資源的探測(cè)、開發(fā)和利用。合理開發(fā)、利用海洋資源是我國(guó)21世紀(jì)發(fā)展的需要。發(fā)展海洋環(huán)境偵查、探測(cè)技術(shù)對(duì)于保護(hù)、開發(fā)和利用海洋資源、維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益、進(jìn)行海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)和發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面具有重大意義。此外，海洋環(huán)境偵查和探測(cè)技術(shù)在保護(hù)國(guó)土安全、防止外敵入侵等軍事方面也有至關(guān)重要的作用。

目前，通常所見的水下無人機(jī)都是由4個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器組成，驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量多且每個(gè)驅(qū)動(dòng)器頻率非常大，需要耗費(fèi)相當(dāng)大的電量且拍攝時(shí)攝像頭普遍為固定狀態(tài)而無法轉(zhuǎn)動(dòng)，加之水流的影響使得無人機(jī)在水下拍攝的時(shí)候不能拍出用戶想要的效果；且市面上的水下無人機(jī)大多忽略了流體力學(xué)的研究，導(dǎo)致在水下行駛緩慢且耗電量大；因此市面上的水下無人機(jī)工作效率普遍不高。

圖1 無人機(jī)的設(shè)計(jì)圖

1、外觀；2、3、游行推進(jìn)器；4、垂直推進(jìn)器

無人水下航行器通過通信方式傳遞數(shù)據(jù)、指令、聲音、圖像等信息。ROV使用有線通信方式，通信技術(shù)除了在通信線纜的材料上要考慮海水環(huán)境和同時(shí)跟動(dòng)力電源在一根線纜上的抗干擾問題，跟在地上的有線通信技術(shù)差別不大。AUV跟UWG使用無線通信方式，跟在空氣中的無線通信方式不同，水下環(huán)境對(duì)電磁波和光波的傳遞產(chǎn)生了限制。在水下無線通信方面還有很多問題需要解決。隨著協(xié)同導(dǎo)航控制、組合導(dǎo)航控制技術(shù)的發(fā)展和水下聯(lián)合行動(dòng)的發(fā)展，無人水下航行器的無線通信從之前的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，逐漸發(fā)展成網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)傳輸速度傳輸距離等的需求在也增加。

2 研究?jī)?nèi)容 2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1.1 模型外觀

本文介紹水下無人機(jī)外形呈圓弧形的機(jī)身和圓滑的流線型機(jī)翼，主要用于減小機(jī)翼兩側(cè)螺旋槳啟動(dòng)時(shí)所帶來的水流的沖擊以及機(jī)身在前進(jìn)時(shí)所帶來的流水的阻力。外殼所使用的材料主要是碳釬維加樹脂，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高和可塑性好，具有耐腐蝕，耐疲勞耐高溫，比性能高，能讓外殼承受水壓和易于成型。同時(shí)由于樹脂擁有了防水性，易于我們后面的防水的處理。防水性用將環(huán)氧樹脂與固化劑按比例調(diào)配后涂在碳纖維上，再防水膠將上模與下模拼合，環(huán)氧樹脂具有較好的密封性和流動(dòng)性，更易于填補(bǔ)碳纖維的孔洞?？傮w設(shè)計(jì)如圖1。

2.1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人機(jī)在前進(jìn)時(shí)的水流用大箭頭表示，與無人機(jī)的機(jī)身進(jìn)行沖擊后，因機(jī)身的外形為橢圓形的，水流會(huì)沿機(jī)身的上下模面流去，使機(jī)身的上下面負(fù)壓受力，上表面受力F1，下表面受力F2，因F1=F2，所以機(jī)身在受到水流的沖擊時(shí)依然可以保持平衡。如圖2和圖3所示。

圖2 無人機(jī)的流體分析圖

圖3 無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)受力分析圖

無人機(jī)是由3個(gè)水下推進(jìn)器組成的，兩個(gè)游動(dòng)推進(jìn)器和一個(gè)垂直推進(jìn)器，當(dāng)無人機(jī)放在水面時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)水平的狀態(tài)。需要下潛時(shí)，開啟垂直推進(jìn)器，使電機(jī)的推力大于水的張力，使整個(gè)機(jī)身進(jìn)平衡下潛，下潛的越深，所受到的水的浮力越大。當(dāng)無人機(jī)需要進(jìn)行左轉(zhuǎn)時(shí)，開啟3號(hào)的游動(dòng)的推進(jìn)器，左右的游動(dòng)推進(jìn)器存在著速度的差值，所以速度快的會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。當(dāng)無人機(jī)需要進(jìn)行右轉(zhuǎn)時(shí)，開啟2號(hào)的游動(dòng)的推進(jìn)器，左右的游動(dòng)推進(jìn)器存在著速度的差值，所以速度快的會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向。當(dāng)2號(hào)和3號(hào)的推進(jìn)器不存在差速時(shí)，無人機(jī)進(jìn)行直線前進(jìn)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 控制概況

本項(xiàng)目的控制原理通過手柄發(fā)送信號(hào)，通過串口STM32單片機(jī)讀取并接收數(shù)據(jù)，并控制水下無人機(jī)垂直推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)從而來控制上升下降，通過機(jī)身兩側(cè)的水平推進(jìn)器控制的正反轉(zhuǎn)無人機(jī)的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)彎，通過控制云臺(tái)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)改變?cè)婆_(tái)的位置。

2.2.2 控制原理及應(yīng)用

采用無刷電機(jī)作為水下無人機(jī)的動(dòng)力源，無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。且無刷電機(jī)相比有刷電機(jī)而言，壽命更長(zhǎng)，且耗電低。無刷電機(jī)通常是數(shù)字變頻控制，可控性強(qiáng)，從每分鐘幾轉(zhuǎn)，到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)都可以很容易實(shí)現(xiàn)。

STM32F103作為下位機(jī)的控制芯片，使用了單片機(jī)上的定時(shí)器、串口通信和PWM。下位機(jī)一通電，首先通過定時(shí)器模擬出1ms的PWM對(duì)無刷電機(jī)進(jìn)行解鎖，當(dāng)解鎖完畢后驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入等待手柄的開始信號(hào)，如果獲得啟動(dòng)信號(hào)，水下航行器將會(huì)按照手柄控制的要求進(jìn)行上浮下潛、前進(jìn)后退和左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)無控制信號(hào)輸入時(shí)，無人機(jī)保持懸浮在水中。當(dāng)手柄搖桿的模擬量改變時(shí)，下位機(jī)重新讀取模擬值對(duì)PWM的數(shù)值進(jìn)行更改，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制無人機(jī)的上下左右運(yùn)動(dòng)。在圖像傳輸方面，通過兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)攝像頭進(jìn)行多角度拍攝，當(dāng)手柄給予控制信號(hào)，下位機(jī)對(duì)手柄信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，從而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變?cè)婆_(tái)的工作位置，使得無人機(jī)在水下可以更加平穩(wěn)的操控，進(jìn)行多角度拍攝。再通過WIFI模塊采集水下視頻信息并傳送到電腦顯示，從而對(duì)水下環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

通過上述方案，水下無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)在水下人為操控行走，并且通過機(jī)翼兩側(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)差速，來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎；云臺(tái)的架設(shè)使得水下無人機(jī)能夠上下垂直拍攝，拍攝范圍廣。并通過圖傳模塊，對(duì)水下的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。

3 結(jié)語

無人水下航行器在軍用如反潛、獵雷、水下情報(bào)偵察等和民用如海洋水文環(huán)境觀測(cè)、海底油氣管線安放檢修、水下考古等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，隨著海洋開發(fā)步伐的加快，無人水下航行器將向著多航行器協(xié)同工作、相比陸上通信而言，水對(duì)無線電波衰減能力遠(yuǎn)大于空氣，何況海水導(dǎo)電能力比水強(qiáng)，對(duì)無線電波衰減能力更強(qiáng)，所以要實(shí)現(xiàn)水下無人機(jī)的水下通信問題；無刷電機(jī)雖然相對(duì)有刷電機(jī)而言，對(duì)電源消耗低，但想長(zhǎng)時(shí)間在水中懸浮還需解決無人機(jī)在水下的能源問題。在水下不確定的工作環(huán)境下，還待需要解決水下無人機(jī)的高速率的通信，高精度的傳感等問題。

來源：搜狐