基于Arduino Mega 2560的水下探測儀設計與實現*

汪淑賢，李 明，王 旬

(桂林電子科技大學 信息科技學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

水下探測儀也稱為無人水下潛水器，是一種在水下作業最具潛力的開發工具，具有運動控制、通信導航、實時反饋水下環境等功能[1]。由于水下環境的不確定性，人的潛水深度有限，目前水下機器人已成為海洋開發的重要工具。國外從20世紀20年代 開始現代潛水器的研制，并不斷對其進行改造，目前研制了更多功能的水下機器人，如法國的“逆戟鯨”號，日本的R2D4和“海鲀3K”號，美國的REMUS和“UUV”號等，且REMUS6000能達到25～6 000 m的工作深度，代表了自主式水下探測器的最高水平[1]。文獻[2]和文獻[3]探討分析了國內外各種水下機器人的研究現狀和結構，為現在的深入研究提供了一定的幫助。

國內從2010年開始，水下機器人迅速發展，如“蛟龍”號載人潛水器、2014年青島世園會海洋館展覽的“小蛟龍”號模型、“潛龍一號”和“潛龍二號”等。目前，很多IT公司也逐漸關注水下機器人的研究，不斷增強水下機器人的娛樂功能和簡單便攜性，如2017年應用最新科技的“小海鰩”可以實現實時圖傳、誘魚功能、探測魚類等；在電影《功夫瑜伽》里也出現了小型便攜的水下探測機器人。結合國內外水下機器人的研究進展，有研究學者對其進行了結構的改進。文獻[4]為提升其低速航行時的機動性，提出了基于球面并聯結構的無鰭舵矢量推進水下機器人；文獻[5]為提高其機動性和可控性，構建了矢量噴水推進系統的多自由度水下機器人；同時，文獻[6]也證明了矢量推進方式能有效提升水下機器人的定位能力；在文獻[7]中，通過6路PWM信號對電機調速控制和12路正反轉信號驅動改善了推進器的控制效果，并采用三子樣優化算法完成水下探測儀的導航定位功能。根據已有對水下機器人推進器結構的改進，本文將螺旋槳通過無刷電機和無刷電調相結合形成推進器，并以Arduino Mega 2560最小系統為控制核心設計水下探測儀，有效實現了相關功能。

1 系統總體設計原理

水下探測儀旨在實現水下的自由移動，實時傳輸水下狀況至電子顯示設備上，并能照明和誘魚。本文首先通過DC-DC可調降壓模塊對水上和水下的設備供電，并能根據電路的需要進行降壓、穩壓；然后采用脈沖調制技術實現推進器的不同轉速來供給動力。考慮到水下不同的環境，本文通過云臺舵機攝像頭觀察水下狀況以完成自由調節角度，并由Arduino串口通信實現水下遠距離指令的發送與接收，繼而通過傳輸穩定、效率高的電力載波通信模塊，加以發射端和接收端的雙絞線連接，構成整個水下探測儀控制流程圖，如圖1所示。

圖1 系統控制流程圖

2 系統硬件設計原理與實現

水下探測儀系統的硬件結構包括Arduino Mega 2560最小系統、DC-DC可調降壓模塊、電力載波模塊、繼電器模塊、有源雙絞線傳輸器、推進器模塊、攝像頭云臺、誘魚燈模塊等。

2.1 Arduino Mega 2560最小系統

Arduino系統采用的是AVR單片機，最大的特點是具有54路數字輸入輸出(其中16路可作為PWM輸出)、16路模擬輸入和4個串口，且串口通信功能強大，能快速地與下一個Arduino端接通以進行串口通信[8-9]，完成信息的傳遞。由于水下探測儀需要通過水下推進系統獲得移動動力，才能完成自由移動，水上和水下設備間的距離相對較遠。為了更好地遠距離實現水下移動和傳輸水下設備采集的數據，本設計選擇4路脈沖寬度調制PWM輸出分別進行左推、右推、垂推、垂推，以完成方向的控制；同時選擇Arduino串口進行通信，4個串口對交叉相連設備的發送端(TX)和接收端(RX)有特定選擇，如表1所示。其中電腦與Arduino Mega 2560的USB接口相連，默認串口0，并選擇串口3完成本設計所需的串口通信，通過相應函數即可完成串口的通信設置。

表1 Arduino Mega 2560的4個串口設置

2.2 DC-DC可調降壓模塊

DC-DC可調降壓模塊旨在調整各模塊的工作電壓以保護芯片正常運作，考慮到LM2596開關電壓調節器具有線性和負載調節特性，LM可以在輸入電壓和輸出負載給定的情況下，將誤差降低為4%范圍內，自我保護功能強。因此，本系統選擇LM2596S DC-DC可調降壓模塊，輸入電壓要求3 V～40 V之間，輸出電壓直流1.5 V～35 V且電壓連續可調，高效率最大輸出3 A，可以在各個設備無對應電壓電源時，調節出適合電路所需的電壓。

2.3 電力載波模塊

本系統采用基于移頻鍵控方式的第四代電力載波模塊，一方面可以通過電纜線以載波的形式對電路模擬信號進行打包并傳輸，且無需架設網絡，另一方面在系統正常工作時，能通過電阻值控制輸出電流，達到電壓保護和限制電流的效果，是本系統數據傳輸的首選模塊。

2.4 推進器模塊

推進器是水下探測儀在水下移動的重要組成部分，其包括浮力調整的載鐵、防水的殼體、驅動電機、水上動力裝置及設備、傳動系統裝置、螺旋槳等。其中浮力裝置需要與配重之間達到平衡才能保證零浮力，以保證探測儀能在水下不同地方懸浮；水下動力裝置由蓄電池供電，其好壞決定推進器的動能和水下工作時間，而水下控制設備需要根據推進器的運動方向和速度才能進行調節。故本文考慮將螺旋槳結合無刷電機和無刷電調形成推進器，能夠更好地控制轉速和轉向。

2.5 視頻傳輸模塊

實時傳輸視頻圖像是水下探測儀最重要的功能之一。考慮到水下探測儀的工作環境，加之雙絞線本身擁有抗干擾能力強、傳輸距離遠、傳輸質量好等優勢，本文采用有源雙絞線傳輸器作為視頻圖像傳輸的重要部件。通過輸入設備和輸出設備的接入完成相應的視頻傳輸線路，如圖2所示。

圖2 視頻傳輸線路

在圖2中，由攝像機采集視頻圖像信息，根據差分傳輸原理，將該視頻信號轉換為幅度相等相位相反的信號，并連接到接收設備中，將兩個信號的差值還原為不平衡信號，進而通過顯示器設備加以顯示。

2.6 系統發射端和接收端

通過上述硬件結構的組合，可以完成整個系統硬件形式的發射端和接收端，發射端輸出的串口數據，經過雙絞線傳輸，可在接收端打印出來。其中發射端由Arduino Mega 2560、電壓檢測模塊、LM2596S DC-DC降壓模塊、電力載波通信模塊、有源雙絞線傳輸器模塊、顯示器等組成，如圖3所示。接收端包括Arduino Mega 2560、LM2596S DC-DC降壓模塊、電力載波通信模塊、有源雙絞線傳輸器模塊、推進器和攝像頭等，如圖4所示。

圖3 系統發射端原理框圖

圖4 系統接收端原理框圖

3 系統軟件設計原理與實現

水下探測儀軟件設計的整體流程圖如圖5所示。在啟動機器人之后，需要對推進器、串口及LED燈進行設置。首先是對控制系統的初始化。若使得推進器控制搖桿工作，則在Arduino Mega 2560發送指令數據之前，需要對舵機的精確度、電調歸零、串口的讀取等進行初始化，且在開始讀取旋轉角度之時，經過Arduino上位機發送指令，接收到指令之后再回復一個應答信號。若Arduino上位機接收到該應答信號，則代表舵機的角度初始化實現，即可工作，并在再次接收信號時讀取搖桿的位置，以驅動無刷電機轉動。

圖5 軟件設計整體流程圖

在初始化控制系統之后，將串口讀數據設為bit，值為9 600，并將串口數據發送至接收端，接收端再從串口讀取有效存儲在串行緩沖區的數據。若接收的指令信息無法執行，則需檢查線路并重新接收新的指令信息。

4 運行調試與分析

在將各個模塊進行裝配之后，通過軟硬件調試形成完整的水下探測儀，如圖6所示。首先在電池量充滿的情況下，將水下系統放入耐壓倉并檢測密封性，用連接線將水下探測儀接在控制板臍帶纜接口，串口與電腦相連接。啟動電源、顯示屏、探測儀和照明的開關，調整攝像頭的最佳位置，完成云臺轉動角度和攝像頭的測試。

圖6 完整的水下探測儀模擬系統

為了驗證系統的有效性，以學校內部湖水為測試場景，完成了如下功能調試：(1)根據最后接收串口信息記錄的搖桿位置，以控制中心為起點，輸出脈沖信號，通過控制線發送脈沖寬度調制(PWM)的電脈沖控制舵機，不斷的PWM波使得舵機在某個角度有扭矩，以推動探測儀移動。同時測試得出電調歸零值為1 470，由調速控制數值大小作用于舵機旋轉的快慢，向前行進指令電壓映射值若大于560，則向右前方行駛，若小于440，則向左前方行駛，否則直行。最終實現探測儀在1～5 m的水下探測和自由移動。由于直接拍攝水下探測儀前后、上浮下沉、加減速的照片效果不明顯，本次調試以拍攝其移動視頻為主，在此只展示了水下探測儀的左轉和右轉，如圖7所示。在移動的過程中，考慮到水下的阻力作用，長時間工作的螺旋槳有可能會脫落，運行方向會產生部分偏移。(2)Arduino串口通信由攝像頭采集信息，充分利用有源雙絞線傳輸器的差分傳輸原理，將發射端信號轉換成等幅度、極性相反的視頻信號，傳輸至接收端中，原信號與之相減后的視頻信號傳輸到電子設備顯示屏上，即可完成實時的視頻圖像傳輸。(3)由繼電器控制LED燈和誘魚燈，且將誘魚燈設置為藍色光源，實現了水下照明和對魚群的引誘呼喚，如圖8所示。

圖7 水下探測儀的移動

圖8 照明與誘魚功能

5 結論

本文基于Arduino Mega 2560最小系統，通過LM2596S DC-DC可調降壓模塊給系統電路供電穩壓，將螺旋槳與無刷電機和無刷電調相結合形成推進器，并結合電力載波模塊、攝像頭等，共同構建了一款水下智能探測儀，實驗證明該探測儀能夠有效地進行1～5 m水下移動，實現實時圖傳、照明誘魚功能。本設計能與當前的前沿科技緊密聯系，具有重要的現實研究意義。但本設計仍屬于實驗成品，對于探測的水下深度、機器工作續航時間、推進器螺旋槳的穩固、電調歸零值的精確度等問題仍需要深入研究和改進。