“旅行者”水下航行器的設(shè)計(jì)

摘 要：本設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是希望航行器能夠小型化，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單化，并且更加靈活。與傳統(tǒng)的ROV不同，航行器只有三個(gè)螺旋槳，左右和尾部各有一個(gè)螺旋漿，用于平衡力矩、產(chǎn)生推力以及改變航向。左右螺旋槳正后方加了兩個(gè)舵，通過舵機(jī)拉動(dòng)球頭拉桿，實(shí)現(xiàn)通過對舵的控制，調(diào)節(jié)豎直、水平推力分力的大小，實(shí)現(xiàn)上浮下潛。同時(shí)在航行器頭部安裝攝像頭，可以進(jìn)行圖像傳輸，圖像處理，目標(biāo)追蹤。

關(guān)鍵詞：水下航行器

1.研究目的

通過在仿生機(jī)器魚身體兩側(cè)增加兩個(gè)螺旋漿，使得仿生機(jī)器魚的機(jī)動(dòng)性能增強(qiáng)，可執(zhí)行任務(wù)更加廣泛。與別的無人水下航行器相比較，小型高速單關(guān)節(jié)自主魚在深度不變的水層中游動(dòng)時(shí)，如同仿生機(jī)器魚一樣靈巧便捷，能夠進(jìn)行在危險(xiǎn)、狹窄、復(fù)雜水下環(huán)境中的監(jiān)測、偵探等。擁有強(qiáng)大機(jī)動(dòng)性的小型高速航行器還能在后續(xù)開發(fā)中攜帶很多傳感裝置和偵查設(shè)備，可廣泛運(yùn)用于海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等許多場合。

2.國、內(nèi)外現(xiàn)狀

國外在水下航行器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，我國也提出了海洋強(qiáng)國的發(fā)展戰(zhàn)略。水下無人航行器越來越受關(guān)注，國內(nèi)外發(fā)展迅速。無人水下航行器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如海洋勘探，海洋救援，海洋軍事等一些不方便人類進(jìn)行的海洋活動(dòng)都可以應(yīng)用無人水下航行器進(jìn)行作業(yè)。因此對于水下航行器的能機(jī)動(dòng)性以及多功能性要求比較高，但目前制造的無人水下航行器待改進(jìn)的方面還很多，例如體積過大，受海洋環(huán)境的影響較大，續(xù)航時(shí)間有很大限制等。

3.項(xiàng)目特點(diǎn)

1）此款無人水下航行器擁有高度的靈活性;外形設(shè)計(jì)簡單小巧，僅用了三個(gè)螺旋槳加上輔助控制的舵，就可實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度在淺水區(qū)可達(dá)2-4節(jié)。

2）整體外型的仿生設(shè)計(jì)，航行器的整體外型參照魚的形狀設(shè)計(jì)，整體外型程流線型，減少運(yùn)動(dòng)的水阻，減少能耗，提高效率，增加航行器的續(xù)航時(shí)間。

3）在航行器上增加了舵的使用，仿照航模飛機(jī)副翼和船舶轉(zhuǎn)向舵，通過舵機(jī)控制舵，改變舵面的角度，從而改變水平和豎直方向推力分力的大小，更好的控制航行器的上浮和下潛。

4）續(xù)航時(shí)間長;此航行器整體小巧、質(zhì)量輕、耗能元件少、能耗低、水中阻力小，可保持長時(shí)間續(xù)航。

5）內(nèi)部裝有攝像頭，可進(jìn)行水下拍攝，水下探查。并對圖像進(jìn)行二值化處理，實(shí)現(xiàn)航行器實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)追蹤、路徑規(guī)劃、目標(biāo)識別與拍攝存儲等功能。

4.技術(shù)路線

4.1整體設(shè)計(jì)

整體外形基于流線型設(shè)計(jì)，以便于更適應(yīng)水下環(huán)境，減小航行過程中的阻力，在水中更能保持平衡。航行器兩側(cè)和尾部各有一個(gè)螺旋槳。兩側(cè)的螺旋槳主要是實(shí)現(xiàn)前后的推進(jìn)以及航向角的調(diào)節(jié)，左右螺旋槳正后方加了兩個(gè)舵，來控制航行器的上浮和下潛。尾部的螺旋槳主要是對俯仰角進(jìn)行調(diào)節(jié)。航行器控制面板，電池等置于亞克力管中，達(dá)到密封效果。

4.1.1防水及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

利用亞克力桶、密封法蘭和O型橡膠圈，把各種電子元器件封裝在桶內(nèi)，電線通過桶后的插線螺絲引出，再用硫化膠密封，可以做到整體水密。同時(shí)，利用密封法蘭上的裝配螺紋孔，對航行器外殼進(jìn)行限位和固定，保證了整體裝配的的穩(wěn)定。

4.1.2運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了使航行器能夠輕松的完成水中的運(yùn)動(dòng)，在航行器的兩側(cè)安裝兩個(gè)螺旋槳，每個(gè)螺旋槳可產(chǎn)生25N的推力。可實(shí)現(xiàn)航行器的直游和倒游，通過差速來控制航行器的轉(zhuǎn)向。尾部安裝一個(gè)豎直放置的螺旋槳，可調(diào)節(jié)航行器的俯仰角，配合舵輔助航行器實(shí)現(xiàn)上浮、下潛。

4.1.3舵的設(shè)計(jì)

受到飛機(jī)副翼和船舶轉(zhuǎn)向舵的啟發(fā)，在左右螺旋槳正后方加了兩個(gè)舵，通過舵機(jī)動(dòng)球頭拉桿，實(shí)現(xiàn)通過對舵的控制，調(diào)節(jié)推力在豎直、水平方向的大小，實(shí)現(xiàn)上浮下潛。

4.2硬件設(shè)計(jì)

4.2.1電源管理

電源管理模塊輸入端直接輸入電池的 11.1V 電壓，先通過保護(hù)電路將 11.1V 電壓供給舵機(jī)、無刷電機(jī)，通過 5v 降 3.3v 的降壓芯片再給 STM32 的單片機(jī)主控板以及無線通信模塊等外設(shè)供電。為保障電路的穩(wěn)定性，達(dá)到濾波、退藕、穩(wěn)壓和緩沖的目的，在每一個(gè)芯片輸入電壓引腳外接 104 貼片電容和 227C 型鉭電容。降壓芯片選用 AMS1117-5.0v和AMS1117-3.3v。

4.2.2電路板設(shè)計(jì)

我們根據(jù)航行器的一些性能要求以及模塊管理等需求已自行完成電路板設(shè)計(jì)。電路板設(shè)計(jì)中，也設(shè)計(jì)了保護(hù)部件，如保險(xiǎn)絲、限流管等;并為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，預(yù)留了充足的模塊化接口，如串口、IIC、SPI等通訊協(xié)議的接口;同時(shí)，在這些功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，盡可能的縮小電路板大小，為防水艙內(nèi)其他部件或預(yù)留了充足的空間。

4.2.3主控單元設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)為STM32芯片。采用的 32 位主控芯片為 STM32F103，STM32F103 采用 Cortex-M3 的內(nèi)核，具有最高 72MHz的主頻。

4.2.4通訊實(shí)現(xiàn)

由于航行器搭載了不同的模塊，需要滿足不同模塊之間的通信，并且需要滿足可以任意的搭載以及去除某個(gè)通信模塊的功能，因此在實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊的通信時(shí)，我們選擇CAN通信協(xié)議。上位機(jī)和航行器通信，我們采用的是串口通信以及NRF24L01通信。

作者簡介：

魏宏凱（1998—），男，漢族，新疆呼圖壁縣芳草湖鎮(zhèn)人，學(xué)生，本科在讀，單位：西北工業(yè)大學(xué)，研究方向：無