黄少鑫 唐宇星 蔡彦乐 关思华 梁楚贤
摘 要：在现代的的科技不断发展的背景下,人们对于交通有着更大的需求,特别是现代水下作业存在着困难,阻碍了我们对海上的运输与探究的发展情况,让机器人代替人力完成水下作业是一个趋势,所以对对水下无人机的研究是有必要性的。无人水下航行器可以分为遥控式航行器、自主水下航行器和水下滑翔机。而遥控式航行器能够更大地满足于人们的要求,使用范围也更具自主性,而且遥控式的水下无人机还能为航道轨道的采集、轮船底部的观察等海底勘探工作和帮助我们探寻水下世界,帮助我们在水下进行摄影艺术的创作,是人类探索海洋和开发利用海洋资源的重要工具。我们现以小型化、经济性和稳定性为目标,设计并制作了一款能够接受人的手动控制,进行水下画面传输,实时监测水下情况。
1 研究背景
海洋蕴含着丰富的矿产、生物和海洋能等资源。随着我国经济持续、快速发展以及人口的急剧增加,陆地上资源迅速减少、生态环境日益恶化,我国开始加强对海洋资源的探测、开发和利用。合理开发、利用海洋资源是我国21世纪发展的需要。发展海洋环境侦查、探测技术对于保护、开发和利用海洋资源、维护国家海洋权益、进行海洋灾害预报和发展国民经济等方面具有重大意义。此外,海洋环境侦查和探测技术在保护国土安全、防止外敌入侵等军事方面也有至关重要的作用。
目前,通常所见的水下无人机都是由4个以上的驱动器组成,驱动器的数量多且每个驱动器频率非常大,需要耗费相当大的电量且拍摄时摄像头普遍为固定状态而无法转动,加之水流的影响使得无人机在水下拍摄的时候不能拍出用户想要的效果；且市面上的水下无人机大多忽略了流体力学的研究,导致在水下行驶缓慢且耗电量大；因此市面上的水下无人机工作效率普遍不高。
图1 无人机的设计图
1、外观；2、3、游行推进器；4、垂直推进器
无人水下航行器通过通信方式传递数据、指令、声音、图像等信息。ROV使用有线通信方式,通信技术除了在通信线缆的材料上要考虑海水环境和同时跟动力电源在一根线缆上的抗干扰问题,跟在地上的有线通信技术差别不大。AUV跟UWG使用无线通信方式,跟在空气中的无线通信方式不同,水下环境对电磁波和光波的传递产生了限制。在水下无线通信方面还有很多问题需要解决。随着协同导航控制、组合导航控制技术的发展和水下联合行动的发展,无人水下航行器的无线通信从之前的点对点通信,逐渐发展成网络通信,数据传输速度传输距离等的需求在也增加。
2 研究内容 2.1 机械设计
2.1.1 模型外观
本文介绍水下无人机外形呈圆弧形的机身和圆滑的流线型机翼,主要用于减小机翼两侧螺旋桨启动时所带来的水流的冲击以及机身在前进时所带来的流水的阻力。外壳所使用的材料主要是碳钎维加树脂,其特点是强度高和可塑性好,具有耐腐蚀,耐疲劳耐高温,比性能高,能让外壳承受水压和易于成型。同时由于树脂拥有了防水性,易于我们后面的防水的处理。防水性用将环氧树脂与固化剂按比例调配后涂在碳纤维上,再防水胶将上模与下模拼合,环氧树脂具有较好的密封性和流动性,更易于填补碳纤维的孔洞。总体设计如图1。
2.1.2 机构设计
无人机在前进时的水流用大箭头表示,与无人机的机身进行冲击后,因机身的外形为椭圆形的,水流会沿机身的上下模面流去,使机身的上下面负压受力,上表面受力F1,下表面受力F2,因F1=F2,所以机身在受到水流的冲击时依然可以保持平衡。如图2和图3所示。
图2 无人机的流体分析图
图3 无人机的运动受力分析图
无人机是由3个水下推进器组成的,两个游动推进器和一个垂直推进器,当无人机放在水面时,会呈现水平的状态。需要下潜时,开启垂直推进器,使电机的推力大于水的张力,使整个机身进平衡下潜,下潜的越深,所受到的水的浮力越大。当无人机需要进行左转时,开启3号的游动的推进器,左右的游动推进器存在着速度的差值,所以速度快的会产生转向。当无人机需要进行右转时,开启2号的游动的推进器,左右的游动推进器存在着速度的差值,所以速度快的会产生转向。当2号和3号的推进器不存在差速时,无人机进行直线前进。
2.2 控制系统设计
2.2.1 控制概况
本项目的控制原理通过手柄发送信号,通过串口STM32单片机读取并接收数据,并控制水下无人机垂直推进器的正反转从而来控制上升下降,通过机身两侧的水平推进器控制的正反转无人机的前进后退以及转弯,通过控制云台的电机旋转改变云台的位置。
2.2.2 控制原理及应用
采用无刷电机作为水下无人机的动力源,无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运行的,所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载突变时产生振荡和失步。且无刷电机相比有刷电机而言,寿命更长,且耗电低。无刷电机通常是数字变频控制,可控性强,从每分钟几转,到每分钟几万转都可以很容易实现。
STM32F103作为下位机的控制芯片,使用了单片机上的定时器、串口通信和PWM。下位机一通电,首先通过定时器模拟出1ms的PWM对无刷电机进行解锁,当解锁完毕后驱动电机进入等待手柄的开始信号,如果获得启动信号,水下航行器将会按照手柄控制的要求进行上浮下潜、前进后退和左转右转的运动。当无控制信号输入时,无人机保持悬浮在水中。当手柄摇杆的模拟量改变时,下位机重新读取模拟值对PWM的数值进行更改,从而改变电机的转速,达到控制无人机的上下左右运动。在图像传输方面,通过两个电机带动摄像头进行多角度拍摄,当手柄给予控制信号,下位机对手柄信号进行相应的转换,从而控制电机的旋转,进而改变云台的工作位置,使得无人机在水下可以更加平稳的操控,进行多角度拍摄。再通过WIFI模块采集水下视频信息并传送到电脑显示,从而对水下环境实时监测。
通过上述方案,水下无人机可实现在水下人为操控行走,并且通过机翼两侧电机旋转差速,来实现无人机的转弯；云台的架设使得水下无人机能够上下垂直拍摄,拍摄范围广。并通过图传模块,对水下的情况进行实时拍摄。
3 结语
无人水下航行器在军用如反潜、猎雷、水下情报侦察等和民用如海洋水文环境观测、海底油气管线安放检修、水下考古等领域有广泛应用,随着海洋开发步伐的加快,无人水下航行器将向着多航行器协同工作、相比陆上通信而言,水对无线电波衰减能力远大于空气,何况海水导电能力比水强,对无线电波衰减能力更强,所以要实现水下无人机的水下通信问题；无刷电机虽然相对有刷电机而言,对电源消耗低,但想长时间在水中悬浮还需解决无人机在水下的能源问题。在水下不确定的工作环境下,还待需要解决水下无人机的高速率的通信,高精度的传感等问题。
参考文献
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