小型海洋環境監測平臺設計

韓旭，呂良良，何昆鵬

1.海軍湛江航保廠，廣東湛江524002

2.哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱150001

目前傳統的海洋監測系統主要有水面浮標、潛標、水面調查船以及水下機器人等[1]，但是由于海洋環境的多樣性，這些傳統的監測方案無法滿足各種各樣的需求。比如：水面浮標與潛標在使用過程中位置往往比較固定，在監測大范圍海洋環境時無法靈活移動；水面調查船在工作時其機動性很好，可以滿足靈活監測大范圍海洋環境的任務，但是調查船在工作的過程中需要耗費大量的人力和物力，監測費用比較昂貴；水下機器人在海洋環境中比較靈活，監測范圍大，但由于它在水下活動，對通訊、能源供應方面要求比較高，無法長時間工作，并且完成遠距離通信比較困難。因此這些傳統的監測方案存在諸多弊端。無法滿足多個領域的海洋環境監測需求。

本設計針對海洋監測系統實時性高、靈活性強、成本低、通訊方便等要求[2]，設計了一款以水面浮臺為中轉中心，通過光纖電纜連接水下機器人共同作業的海洋環境監測設備。解決當前傳統的監測設備使用復雜、無法遠距離通信、作業昂貴、無法長時間工作等問題。

1 海洋環境檢測平臺總體設計

監測平臺主要任務有：1）水下機器人通過模擬攝像頭采集水下視頻監控信號，并通過光纖收發器傳輸至水面浮臺；2）水面浮臺通過光纖收發器與水下機器人之間進行通信，傳輸控制指令以及水下參數；3）水面浮臺通過無線模塊與地面控制站進行通信，接收控制站發送的控制信號，并將水下傳回的視頻信號與數據發送至地面控制站；4）水下機器人通過深度計采集水下機器人深度信息，并通過光纖收發器傳回水面浮臺。

根據任務要求。按照結構可將系統分為水面浮臺、水下機器人、地面控制站3個部分，系統總體設計如圖1所示。

圖1 海洋監測系統整體構成

2 水面浮臺設計

2.1 水面浮臺總體設計

水面浮臺由浮臺主體、供電單元、通信單元構成。

1）浮臺主體：工作于水面，主要用于安裝水面浮臺供電單元以及通信電路板，并為水面浮臺提供浮力；2）供電單元：為水面浮臺與水下機器人進行能源供應；3）通信單元：作為中轉機構，連接地面控制站與水下機器人端，進行實時數據互換[3]。以下詳細說明。

2.1.1 水面浮臺主體設計

水面浮臺工作于水面，在水面的穩定十分重要。考慮到水面浮臺受到的浮力必須滿足載體自身重量與供電系統重量。并且還要考慮到波浪的干擾，需要提高浮臺的隨波性。水面浮臺外形結構最終決定設計成直徑為800mm的圓球形狀[4]。平臺主體采用碳纖維和玻璃纖維復合制成，相比于傳統的浮塔采用的金屬材料，具有重量輕、抗腐蝕能力強、隨波性好等特點。圖2為水面浮臺三維結構。

2.1.2 水面浮臺供電系統

監測系統中水面浮臺與水下機器人分別在水面和水下工作，水下機器人的能源供應尤為重要，本系統中能源供應全部由水面浮臺提供，它使用蓄電池加太陽能的方式為整個監測系統供電。蓄電池組安裝在浮臺中心底部，在夜里為監測系統提供電能；當系統工作在陽光充裕的場景下時，太陽能起主導作用，太陽能電池板安裝在水面浮臺六棱臺上，上邊的蓋罩選用透明材料，使得太陽能板光照充足。其為整個監測系統提供電能的同時，并為蓄電池進行充電，使整個監測系統無論是白天或者夜晚都可正常工作，提高了設備的工作效率。圖3為監測平臺整體供電設計。

圖3 水面浮臺供電系統

圖2 水面浮臺三維結構

本系統的電池采用2個12V·200Ah串聯組成24V·200Ah的電池組，太陽能選用6塊12V·20W板組成太陽能組[5]，聯合使用構成整個供電系統。根據太陽能的轉換效率，按照單獨使用太陽能計算，每天光照8h左右，產能為：

監測系統使用平均功耗在200W左右，每天按24h使用，每天耗能為：

當監測系統能源供應全部采用蓄電池供給時，在蓄電池組一次完全充電的情況下，系統可以使用的時長為：

在正常條件下，可以使平臺工作達到連續2d左右。

2.1.3 水面浮臺通信單元

水面浮臺通信單元主要包括光纖收發器、無線通訊模塊以及傳感器等。無線模塊用于水面浮臺和地面控制站之間的通信；光纖收發器將無線模塊接收到的控制信號轉換為光信號傳輸給水下機器人，同時將機器人回傳的光信號轉換給無線模塊發給移動控制端；傳感器用于采集檢測信息。圖4為水面浮臺信號走向。

圖4 水面浮臺信號走向

2.2 水面浮臺硬件設計

水面浮臺主要完成任務有3個：一是接收無線WIFI信號發送的控制指令，并解析出來，發送給水下機器人；二是接受水下機器人的監測數據并通過WIFI信號發送出去；三是通過音視頻發射機將水下機器人拍攝的視頻發送出去[6]。水面浮臺硬件組成如圖5所示，主要包括主控最小系統電路、WIFI模塊等。

圖5 水面浮臺硬件組成

2.2.1 主控最小系統設計

本系統主控采用意法半導體公司（ST）發布的STM32F407VET6，基于Cortex-M4的RISC微處理器，主頻可以達到168MHz，該內核是ARM公司設計的一個處理器架構。最小系統主要包含主控芯片、供電單元、晶振單元、復位單元以及仿真接口等。

2.2.2 無線傳輸電路設計

水面浮臺與地面控制站之間的無線信號傳輸采用的模塊為ESP8266，通過自帶的TTL串口與主控系統進行通信，控制信號與電源信號只需要與主控芯片進行簡單的互聯即可使用。如圖6所示。

圖6 ESP8266模塊電路

2.3 水面浮臺軟件設計

2.3.1 水面浮臺主控程序設計

水面浮臺主要完成整個系統供電任務以及中轉通信任務，程序設計是在Keil集成環境下使用C語言編寫，編譯、調試后下載至水面浮臺主控板中，水面浮臺軟件工作流程如圖7所示。

圖7 水面浮臺軟件執行流程

水面浮臺根據所需完成的任務在軟件中設計。首先單片機檢測無線模塊串口數據，如果檢測到控制信號后，將控制信號進行解析發送給光纖收發器，并傳輸到水下機器人端進行電機控制；其次要檢測光纖收發器是否接收到水下機器人傳輸的傳感器信息，當檢測到有數據接收時，將其轉發至無線單元，并發送至地面控制站實時顯示。

2.3.2 無線模塊配置

水面浮臺需要完成的一個主要功能是采集移動控制端發送的控制指令并將其解析發送至水下機器人。系統使用ATK?ESP8266模塊進行無線通信，其配置流程如圖8所示。

圖8 wifi配置流程

3 水下機器人設計

3.1 水下機器人總體設計

水下機器人系統主要構成有水下機器人骨架、密封艙體、控制單元以及推進器[7]。各模塊功能如下。

水下機器人骨架用于固定密封艙，推進器以及其他水下信息采集模塊；密封艙體主要用于保護電子元器件；控制單元其中包括光纖收發器、模擬攝像頭模塊、主控板、電機驅動板、傳感器信息采集板等，主要是用于解析控制端的控制指令，驅動推進器動作，采集視頻、傳感器信號等；推進器用于機器人上下、左右、橫搖、縱搖控制，拖動水面浮臺運動。

3.1.1 水下機器人骨架設計

水下機器人骨架主要是用來固定密封艙體、推進器等部件[8]。為了給水下機器人提供浮力，骨架上預留開口，在調節浮力過程中安裝浮力塊與配重塊。為了使水下機器人本體設計更加輕巧，水下機器人本體選用耐腐蝕性的聚丙烯材料，多余的部分采用鏤空設計，使得本體重量更輕。設計過程中，專門預留了傳感器安裝孔，并為電纜走線預設了空間。機器人框架如圖9所示。

圖9 水下機器人框架

3.1.2 密封艙設計

密封艙設計是機械設計過程中最重要的主題之一，因為密封艙是水下機器人的核心，其內部的電子元件必須得到很好的保護。主要電子元器件安裝在外徑為110mm、長度為300mm的丙烯酸管中。前端做成半球狀端蓋減少水下機器人運動的阻力，并為相機拍攝提供空間；另外一端端蓋由鋁合金材料制成，它有8個直徑為10mm、深度為10mm的孔，用于安裝水密接插件，所有內部電子元器件與推進器以及電源之間的連接都通過這些水密接插件完成。

關于密封艙的防水采用硅膠片和O型圈一起使用來進行端蓋防水處理[9]，在電子倉與端蓋之間形成緊密密封。

3.1.3 推進器布局

在水下機器人控制過程中，有多個自由度的控制，根據水下機器人自由度要求不同，所選用的推進器數量也不同[10]。所設水下機器人以升潛為主，在浮臺工作時穩定平臺位置；在移動過程中，利用水平配置的推進器使平臺快速到達指定目標區域。所設機器人采用6個推進器推動其運動，其中4個負責垂直運動，另外2個負責水平運動。這種配置使ROV具有進退、轉向、潛伏3個自由度。推進器布局如圖10所示。

圖10 推進器布局

3.1.4 控制單元設計

水下機器人控制單元控制芯片同樣采用STM32F407VET6[11]，其主頻可達168MHz，具有豐富的存儲單元和外設接口資源、基于寄存器的讀寫操作、精簡指令集和浮點運算單元、片內高速A/D轉換器等眾多資源，可以完成快速實時通信等。主要完成任務如下：1）解析水面浮臺發送的控制信號，將其轉換為推進器驅動模塊可識別的信號；2）采集深度計反饋的壓力信息并將其轉換為深度信號。圖11所示為水下機器人信號流程。

圖11 水下機器人信號流程

3.2 水下機器人硬件設計

3.2.1 數據采集板最小系統設計

采集電路需要具備可擴展性和豐富的外設資源等特點，所以本設計采集電路的主控芯片采用FPGA芯片。型號為EP3C10E144I7。

3.2.2 電機驅動板電路設計

電機驅動采用兩塊BTN7971芯片構成的全橋電路，如圖12所示。

圖12 H橋電機驅動電路

芯片的引腳INH為啟動引腳，當IN引腳為高電平時高邊MOS管導通，IN引腳為低電平時低邊MOS管導通。

3.2.3 水深檢測單元電路設計

MS8503?1BA傳感器模塊包括壓力傳感元件和低功耗的24位ADC壓力模塊，水深測量分辨率優達2mm，最高可測量300m水深。I2C通信協議與主控通信供電電壓1.5~3.6V。連接電路如圖13所示。

圖13 MS5803傳感器連接電路

3.3 水下機器人軟件設計

3.3.1 控制程序設計

水下機器人主要完成傳感器信息采集、解析控制指令、推進器控制以及視頻信號的采集等任務。其代碼也是在Keil環境下使用C語言編寫。編譯、調試后下載至水下機器人主控板中執行，水下機器人軟件執行流程圖如圖14所示。

圖14 水下機器人軟件執行流程

主控在定時器的作用下，間隔20ms讀取一次深度數據以及姿態信息，并通過串口2將采集到的傳感器數據發送給光纖收發器的485接口，發送給水面浮臺系統；同時通過串口1從光纖收發器485接口接收上位機發送過來的控制指令信息；然后將接收到的控制指令解析出來，根據控制指令來控制推進器進行前進、轉向、升潛等動作。視頻信號經過攝像頭采集后直接通過光纖收發器的模擬接口接到光纖收發器上，轉換成光信號后通過光纖通信發送之水面浮臺進行通信，不需要再編寫特定的解碼指令來傳輸視頻信號，便于進行視頻監控操作。

3.3.2 電機驅動程序設計

本設計的電機驅動方式是基于脈寬調制（PWM）調速方式控制來控制推進器，靈活方便，控制精度高。通過定時器設置，對方波的占空比進行調制解析。電機驅動的PWM控制原理是通過脈寬調制加上一些儲能元件組成一起使用。通過控制輸出電壓的幅值來起到控制電機速度的目的，它的調制方式是調幅。主要根據占空比大小來控制直流電機兩端的平均電壓值來控制電機。根據H橋電路模型，調節經過電機的電流方向來調節電機轉向。PWM初始化流程如圖15所示。

圖15 PWM初始化流程

根據串口接收到的控制指令，調節PWM占空比來調節電機的轉向與轉速，整個控制流程如圖16所示。

圖16 電機驅動控制流程

3.3.3 傳感器采集設計

深度計采集程序使用I2C接口進行數據采集，采集流程如圖17所示。

圖17 深度計采集流程

4 試驗驗證

為了檢驗監測系統的水下觀測、運動穩定性等性能，在水池對系統進行檢驗。實驗環境如圖18所示。水池長50m、寬30m，水深10m，水池內域情況良好。在完成水池試驗后，進行了海試實驗。

圖18 水下拍攝圖片

4.1 下潛拍攝實驗

為了驗證水下機器人水下監測的實時性，進行了水下潛伏拍攝實驗。通過上位機發送下潛指令，操控升降電機工作，使水下機器人進行下潛動作，在下潛的過程中進行拍攝任務。

4.2 擴展性實驗

為了驗證監測平臺監測數據類型的全面性，進行擴展性實驗。數據采集板通過搭載不同的傳感器，對海域相應信息進行監測。本次實驗通過水面浮臺擴展波浪測量儀器設備對某海域的波浪高度進行監測，監測現場如圖19所示。實驗用到的波浪測量儀器是一款基于石英陀螺與加速度計所設計的波浪運動參數測量系統，通過計算得到波浪高度數據，波浪測量儀器如圖20所示。

圖19 波浪監測現場

圖20 波浪測量儀器

圖21為實驗所取得的海浪參數數據，根據數據可知，該海域平均浪高在20cm左右。

圖21 波浪高度與頻譜分析

該實驗表明本課題所設計的小型海洋環境監測平臺具有較強的擴展性能，針對不同的監測領域，該設備可搭載不同的傳感器去進行監測工作，并將所需的監測數據實時發送給用戶。

5 結論

本文設計了一種以水面浮臺為中心，聯合水下機器人的海洋監測系統，實現局部海洋環境的信息監測功能，并具有以下優點：

1）所設計的供電系統解決了當前監測設備無法長時間工作的問題，使得系統具有長航時功能；

2）水面浮臺與水下機器人之間運用光纖收發器進行通信，降低了水下信號傳輸成本，解決了在水中信息傳輸不便的問題；

3）由于水下機器人的機動性，使得該監測設備可靈活的實施大范圍監測。