吳海洲 王慧 黃瑞桂 鄒子?xùn)| 楊華鑫 嚴(yán)謹(jǐn) 陳春雷

摘? ?要：文章結(jié)合四軸飛行器運動模型，設(shè)計制作了一種對網(wǎng)箱養(yǎng)殖動態(tài)監(jiān)測的十字式球形網(wǎng)箱機器人系統(tǒng)。該網(wǎng)箱機器人監(jiān)測系統(tǒng)由Web網(wǎng)頁上位機、通信中繼和水下球形機器人構(gòu)成。用戶可隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)登錄Web網(wǎng)頁上位機遠程操控機器人，可通過數(shù)據(jù)平臺獲得水下實時高清視頻和各個水質(zhì)數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)人工網(wǎng)箱水質(zhì)檢測，該機器人不僅操作簡單、水下運動靈活、優(yōu)化結(jié)構(gòu)和性能，而且可以動態(tài)、實時地監(jiān)測到水下養(yǎng)殖環(huán)境的變化，制作成本低廉。還可用于海洋科考或軍事領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：十字式運動系統(tǒng);球形水下機器人;實時傳輸;深水網(wǎng)箱;PID控制

隨著海洋資源開發(fā)的深入，水下機器人的應(yīng)用越來越廣泛。水下機器人作為人類探索深海環(huán)境的主要工具，具有機動性能好、可操作性強、無人員傷亡風(fēng)險等優(yōu)點，一直以來受到各國的重視，近年在海洋資源開發(fā)、深海探測等方面發(fā)揮了重要作用[1-2]。而深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖資源開發(fā)正是水下機器人大放光彩的舞臺，深水型網(wǎng)箱（圍網(wǎng)）養(yǎng)殖是我國對深遠海水體資源利用的重要途徑，同時，也是實現(xiàn)海洋漁業(yè)均衡可持續(xù)發(fā)展的方向[3]。深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖不僅節(jié)約了養(yǎng)殖資源，還獲得了較高的產(chǎn)出[4]，但由于多變的海洋氣候，使得網(wǎng)箱動態(tài)監(jiān)測和實時數(shù)據(jù)采集尤為重要。

雖然海洋資源開發(fā)領(lǐng)域越來越受到重視，但事實上，目前，市場上一些水下機器人，大多都是經(jīng)過簡單的機械加工與防水工藝的處理組裝而成，不僅使用場合受限、可拓展性不強，而且功能單一，只能進行一些簡單的水下任務(wù)[5]。而本球型水下機器人（Spherical Underwater Robot，SUR）創(chuàng)新性地采用ARM框架下Cortex-M3芯片的STM32單片機和Cortex-A5系列的Raspberry 3B+（樹莓派3B+）單片機將機器人計算模塊和運動模塊分開，同時采用了十字式球形運動系統(tǒng)使得機器人運動更為靈活。機器人的運動簡單化、操作簡單化，使其適應(yīng)水下環(huán)境的能力大大增加，為網(wǎng)箱養(yǎng)殖作業(yè)打下便捷、適用的基礎(chǔ)。機器人的運動信號和視頻推流通過通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)，通過手機瀏覽器或PC網(wǎng)頁端直接登錄Web網(wǎng)頁上位機遠程顯示。數(shù)據(jù)實時化、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示使得網(wǎng)箱管理者可直接觀察水下環(huán)境，大大降低人員操作復(fù)雜度、方便養(yǎng)殖管理。

1? ? 系統(tǒng)框架設(shè)計

如圖1所示，該球形水下機器人按其功能結(jié)構(gòu)可劃分為上層的Web網(wǎng)頁上位機（也可發(fā)布至云端或數(shù)據(jù)發(fā)布平臺）、指令信號和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)模塊—通信中繼、網(wǎng)箱內(nèi)部作業(yè)的球形水下機器人。這3個部分共同組成整個養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測的水下機器人作業(yè)系統(tǒng)框架。

該機器人可實現(xiàn)信息采集、處理和反饋以及接收并運行Web網(wǎng)頁上位機發(fā)來的控制指令，實時進行視頻。水下機器人使用Raspberry 3B+負責(zé)實時上傳傳感器數(shù)據(jù)信息，視頻推流和機器人運動反饋的狀態(tài)信息。通信中繼負責(zé)接收水下機器人上傳的數(shù)據(jù)并將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)頁上位機。其中控制指令信號通過無線路由局域網(wǎng)傳輸給Raspberry 3B+（樹莓派3B+），樹莓派接收指令，整合傳感器信息，然后通過串口通信對STM32單片機發(fā)布運動指令，STM32接收到指令信息后，直接通過TTL電平來驅(qū)動底層電機運動。

2? ? 十字式球形運動系統(tǒng)設(shè)計

球形水下機器人是一種將控制系統(tǒng)和電源模塊等都包含在一個球形殼內(nèi)的水下機器人系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)特殊，相比其他機器人有很大的優(yōu)勢：（l）耐壓性能好，相比起其他形狀的機器人，球體完美的圓形設(shè)計能均勻地承受水下巨大的壓力。（2）流體動力學(xué)計算無耦合，其外形的對稱性使其進行流體動力學(xué)建模時沒有耦合項。（3）外殼全封閉，易于密封防水。所有控制電路電源設(shè)備均封閉于球殼內(nèi)部，能夠來去自如，不會發(fā)生短路或?qū)Ь€掛擦等問題。（4）其運動不會破壞網(wǎng)衣，不會傷害水中生物體。因此，相比傳統(tǒng)水下機器人，十字式水下球形機器人更適合深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖作業(yè)的機器人，它的運動靈活、運行效率高、節(jié)約能源，具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力，作業(yè)范圍廣泛，容易布放與回收，還可以充當(dāng)偵察設(shè)備與通信系統(tǒng)的載體，執(zhí)行人類無法完成的近海域多種作業(yè)任務(wù)。

（1）設(shè)計的“十字式”球形機器人結(jié)構(gòu)如圖2所示，機器人的機體是呈現(xiàn)“十”字，4個螺旋槳固定在機器人機身上，4個電機使用同類型同型號，但螺旋槳不同。電機1號和3號為一對相同的正漿，逆時針方向轉(zhuǎn)動，電機2號和4號是一對相同的反漿，順時針轉(zhuǎn)動，這種正反漿相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，抵消了螺旋槳相互產(chǎn)生的反扭力，很大程度上簡化了機械結(jié)構(gòu)，加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于這樣的十字式結(jié)構(gòu)可以提供更多的上浮下沉的推動力，非常符合深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖的需求，相對其他類型機器人，這種類型機器人更適用于深水網(wǎng)箱的養(yǎng)殖環(huán)境。

（2）水下機器人通過運用4個電機的速度差來改變位置、姿態(tài)等，是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)，通過輸入一個上升力和3個扭矩實現(xiàn)。球形機器人在空間中具有6個自由度，可以在3個坐標(biāo)軸方向上做直線運動，也可以進行坐標(biāo)軸方向角運動[6]。

（3）如圖2所示，機器人機身和外殼設(shè)計均采用SolidWorks2016軟件進行三維視圖建模繪，使用高精度的3D打印機聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）環(huán)保材料制作。PLA的生產(chǎn)過程無污染，而且產(chǎn)品可以生物降解，實現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，是理想的綠色高分子材料[7]。

由于考慮到球形機器人應(yīng)用在深水網(wǎng)箱中的優(yōu)勢，設(shè)計的機器人機身球形結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示。

（4）比例、積分、微分（Proportion， Integral， Differential，PID）閉環(huán)姿勢調(diào)整。比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時，系統(tǒng)的輸出存在誤差。積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比，在控制器中引入積分環(huán)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在補償誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。原因是存在較大慣性環(huán)節(jié)（如水波影響）或滯后單元（如通信設(shè)備的延遲），它們具有抑制誤差的作用，即變化總是落后于誤差的變化，而解決的辦法是提前抑制誤差的變化。

如圖5所示，通過PID閉環(huán)控制來調(diào)整球形機器人。本設(shè)計利用水深傳感器，MPU6050姿勢傳感器等進行PID閉環(huán)控制，達到調(diào)整水下機器人平衡目的。以樹莓派為服務(wù)器，網(wǎng)頁控制命令通過樹莓派串口轉(zhuǎn)發(fā)至STM32，STM32接收命令后，通過指令控制基本運動過程。STM32讀取水深傳感器、姿勢傳感器等數(shù)據(jù)，通過處理后，再調(diào)整機器人機身運動，保證機器人的平衡。

3? ? 主艙控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計球型機器人機身中間部分為控制主艙系統(tǒng)，是機器人的核心位置，放置著控制電路板，系統(tǒng)內(nèi)核芯片方面選用了Raspberry 3B+和STM32這兩款A(yù)RM芯片系列。Raspberry，內(nèi)核：ARM系列Cortex-A5，最高工作頻率為1.2 GHz，STM32為ARM32位Cortex-M3，最高工作頻率為72 MHz。如此設(shè)計將機器人計算模塊和運動模塊分開，樹莓派負責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、視頻推流、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化處理、LAMP服務(wù)器搭建和串口發(fā)送，保證了機器人數(shù)據(jù)信息采集，視頻推流，遠程登錄。STM32負責(zé)串口接收、驅(qū)動電機、舵機和云臺、保證機器人底層運動的平穩(wěn)、可靠、靈活度高、成本低。如圖6所示，兩款單片機緊密結(jié)合，各有分工，發(fā)揮出優(yōu)越的性能。

由于主艙是水下機器人的主體部分，考慮電路防水問題，該設(shè)計采用亞克力管和防水膠結(jié)合使用，該設(shè)計保證能夠達到防水功能。并且為了盡量減少球形體積，用4個螺旋槳通水管道對亞克力管進行固定。

4? ? 視頻推流和傳感器數(shù)據(jù)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境的信息采集包括視頻圖像和傳感器數(shù)據(jù)的采集，視頻圖像數(shù)據(jù)采集采用高清Logitch攝像頭，如圖7和圖8所示。結(jié)合高清亞克力板和舵機云臺，舵機云臺可以實現(xiàn)180°的角度變換，調(diào)節(jié)機器人自身6個自由度變換，基本滿足水下180°全方位攝像需求。機器人通過攝像頭進行水下拍攝，再通過有線方式實時地把信號傳輸?shù)酵ㄐ胖欣^。能夠在攝像頭拍攝水下養(yǎng)殖生物的生長情況的同時，進行圖像處理，使得用戶可實時對水下環(huán)境和水下養(yǎng)殖生物進行觀察。

水下機器人搭載了多種傳感器，例如水深、姿勢調(diào)整等傳感器。此類傳感器經(jīng)過STM32單片機系列芯片處理后，使用485通信技術(shù)配合串口通信和Socket通信，把實時的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至上位機。通過使用Python圖像處理后，可直接在網(wǎng)頁顯示動態(tài)數(shù)據(jù)圖像，避免了以往的簡單數(shù)據(jù)上傳，并可直觀看到水下環(huán)境參數(shù)的變化，方便管理者對水下環(huán)境進行判斷和管理。

5? ? 通信中繼

深海網(wǎng)箱是隔離海岸，不適合水下機器人遠距離長線控制，但是視頻信號由于水層的隔絕很難通過局域網(wǎng)方式進行傳輸，所以使用了通信中繼，實現(xiàn)了水下有線連接，水上無線傳輸數(shù)據(jù)的方式，既實現(xiàn)了遠距離傳輸，又保證了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量，特別是高清水下圖像的質(zhì)量。

通信中繼工作在水面上或者固定在網(wǎng)箱支架上面，由電池、電力載波與路由中繼等模塊組成。主要完成網(wǎng)箱內(nèi)水下機器人和遠程網(wǎng)頁上位機間通信的信號中繼與數(shù)據(jù)傳輸。如圖9所示，水下機器人內(nèi)部的電力載波模塊將水下影像等信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過零浮力線連接到通信中繼中的電力載波模塊，電力載波模塊再次把電信號轉(zhuǎn)化成WiFi信號連接到路由器，路由器將信號轉(zhuǎn)發(fā)，然后讓遠程平臺無線連接到路由器或者通過外網(wǎng)進入到路由器內(nèi)網(wǎng)中，通過登錄網(wǎng)頁上位機，便可實現(xiàn)對機器人的通信控制，通過實驗測試證明，水下通信最大距離為20 m。

6? ? Web上位機設(shè)計

樹莓派中使用Web應(yīng)用軟件組合（Linux Apache MariaDB Python，LAMP）框架來搭載網(wǎng)頁上位機。LAMP框架較為簡單，可以直接在樹莓派中搭建，搭建完畢后，可使用樹莓派遠程登錄到網(wǎng)頁上位機，即可完成簡單的遠程登錄服務(wù)器的搭建。在網(wǎng)頁設(shè)計之前，需用樹莓派完成LAMP框架的搭建工作。

上位機終端采用網(wǎng)頁開發(fā)的形式，采用HTML與CSS前端布局搭建上位機界面，利用PHP進行調(diào)用樹莓派后臺及控制命令的發(fā)送，實時發(fā)送控制指令，完成水下機器人作業(yè)任務(wù)，利用Python進行圖像處理，將傳感數(shù)據(jù)以圖像形式直觀顯示，網(wǎng)頁上位機制作界面如圖10所示。

由于通信中繼的路由器將整個水下機器人系統(tǒng)都放置在同一個局域網(wǎng)內(nèi)部，因此才可以在水下機器內(nèi)部搭建服務(wù)器，上位機則作為一個客戶端，采用跨域的工作方式與水下機器人進行網(wǎng)內(nèi)通信。

7? ? 測試結(jié)果

測試結(jié)果從基本參數(shù)和運動參數(shù)兩個方面來分析。

7.1? 機器人基本參數(shù)

機器人基本參數(shù)如表1所示。

7.2? 運動參數(shù)

根據(jù)上述設(shè)計，實現(xiàn)了整個十字式球形水下機器人系統(tǒng)的多種運動功能。表2給出了該十字式球形水下機器人在水下作業(yè)時的參數(shù)。在上位機可以實時觀測到水下機器人采集到的視頻與水深等各參數(shù)，通過直接手動觸摸的形式，可以實現(xiàn)水上遠程控制機器人在水下作業(yè)的動作要求。水下機器人接受中繼浮標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的控制信號，能夠完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上浮、下沉、旋轉(zhuǎn)、懸浮等水下動作。

7.3? 水下影像

運動的水下機器人拍攝日間如圖11所示，夜間如圖12的清水下物體的視頻推流影像截圖，成像清晰。

8? ? 結(jié)語

隨著海洋養(yǎng)殖監(jiān)測和深海資源開發(fā)工程的推進，對水下養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集需求將會日益增大。相對傳統(tǒng)人工監(jiān)測和單一的靜態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，研發(fā)的十字式球形水下機器人采用PID控制算法結(jié)合姿勢傳感器模塊，可在水下平穩(wěn)靈活運動，同時具有視覺和數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，可完成水下水質(zhì)含氧量、含鹽量、pH、溫度、氨氮值等參數(shù)的監(jiān)測和水下生物體生活狀態(tài)的動態(tài)拍攝，并將數(shù)據(jù)和畫面直接上傳到網(wǎng)頁上位機。將計算模塊、視頻模塊、運動模塊等分開，通過模塊化處理與相應(yīng)系統(tǒng)對接協(xié)調(diào)配合的作業(yè)方式來完成水下動態(tài)監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境的任務(wù)。

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