基于控制技術的水產養殖小型水下機器人的設計與應用

汪兆棟

摘 要：水產養殖工作中，水下作業任務較多且勞動強度較大，具有一定的危險性。水下機器人通過系統設計和優化，可以代替人工進行水下作業，應用于水產養殖具有較大的發展空間。文章主要就用于水產養殖的小型水下機器人的設計與控制技術進行分析。

關鍵詞：水產養殖;小型水下機器人;設計控制技術

0 ? 引言

借助現代科學技術和信息技術，對原有的水產養殖業場所加以改造，有效提升了水產養殖的品質。水產養殖實踐中，水下機器人主要應用于養殖環境的監測、水產養殖作業任務等，近年來又出現了水下機器人-機械手系統，是一種新型的作業技術，為水下機器人軟件開發提供了新的參考。隨著水產養殖的深入發展，對成本低、小型化的水下機器人的研究有了新的需求。

1 水下機器人研究概述

1.1 ? 研究現狀

一些先進國家和地區對小型水下機器人的研究較多，如海獺ROV、AC-ROV微型水下機器人、Seamor 600F水下檢測器、LBC多功能水下可爬行機器人等，在實際應用中有一定的優勢和特點，功能較多[1]。

我國水下機器人的研究，伴隨著科技進步和信息技術的發展，已進入到快速發展期，且與智能化信息技術結合，通過海洋環境測試，能自動識別水下目標，并繪制坐標圖，實現目標清除，還能自動優化航線等。尤其是6 000米深水機器人技術的發展，使水下機器人技術取得了很大進展。但我國水下機器人制造工藝、探測技術及創新力等方面仍有進一步完善的空間，尤其是小型機器人的研發，尚難以滿足社會實際需求[2]。

1.2 ? 小型水下機器人

大型水下機器人的結構相對復雜，體積較大，小型水下機器人結構相對簡單，且失事率較低，可靠性更強;小型水下機器人制造和維護的成本較低，可以通過水面相連的電纜提供能量，作業的時間不再受到限制;操作人員可以在水面也可以在陸地上對水下機器人遙控操作，操作步驟比較簡單;在實際應用中易于推廣，且結構系統變化靈活，在海洋領域的水下作業和建設發展中，能滿足多樣化需求，帶來更好的經濟效益。但是，當前因為很多是有纜作業，動力通訊電纜制約了機器人水下作業的范圍。

小型水下機器人的應用領域較廣，在水產養殖中主要應用于水環境監測、水下生物的觀測，潛水員的看護、潛水地點的選擇、水下目標觀察、水上救助打撈、近海搜索、深水網箱漁業養殖等方面[3]。

2 水下機器人的總體結構設計

水下機器人系統復雜，包括機器人本體、配套的控制箱、電纜等。在方案設計中，需要調研和考察，明確設計目的，根據工作任務和工作方式，設計水下機器人的結構、功能及方法。

2.1 ?總體結構設計

首先是機器人形體的選擇。結合具體的用途和工作方式，水下機器人外形結構不同。形體選擇要確保有足夠的強度，并便于裝配加工，方便結構調節和布置。對于應用于淺海水域水產養殖的有纜水下機器人，任務是在水下進行海水養殖網檢查和觀察水生生物行為等，其外形采用框架式結構，框架上的掛載設備需要用螺栓固定，確保機器人在水下能保持平衡姿態;材料的選擇上要考慮防腐蝕、剛度、強度和延展性等。

其次是推進器的布置。當前水下機器人產品大多采用螺旋槳推進器作為動力，具體設計要根據機器人水下運動阻力大小選擇合適的推進器。小型水下機器人多采用電機直接與螺旋槳連接，根據水下機器人水平運動的阻力情況，分析假設速度下航行時需要的功率，一般選擇無刷直流電機，其運行可靠且維護比較簡單。水下機器人推進器的布局，需要根據具體的運動性能和作業要求，選擇不同的布置方式，一般來講，機器人側向和垂直運動中多采用單推進器布置方式，水平面內采用雙推進平行布置方式。

最后是防水接線盒的設計。水下接線盒的主要作用是對不同模塊線纜進行集成，需要考慮其防水性能、密封性能和耐腐蝕性。為滿足設計要求，盒體材質采用ABS塑膠材料和PC透明料，絕緣性能較好。盒體采用注塑成型的方式進行連接，確保不會破裂，同時為保護內部元器件，采用加厚處理提升接線盒的性能。

2.2 ?水下觀測模塊設計

小型水下機器人可應用于水產養殖的網箱檢查作業中，對水生生物的行為進行觀察，設計可旋轉的觀察模塊，方便對水況進行全方位觀測，模塊系統中主要包括攝像頭、旋轉電機等。

攝像頭的選擇。水下缺少日光，觀測過程需要補光處理，攝像頭機身配備感應紅外補光燈，在鏡頭前配置感光電阻。光線不充足時，感應紅外補光燈會自動開啟，實現良好的夜視效果。

旋轉電機的選擇。對攝像頭的可旋轉角度范圍進行設置，確保其能觀測較大范圍的水下情況，且同時保證攝像機與電機的引線不會出現纏繞。設計采用步進電機，控制性能良好，且誤差較小，選擇其為旋轉部分的驅動電機。

水下觀測模塊包括內外兩部分，外部主要包括透明筒、尼龍端蓋和防水接頭，內部包括了平臺支架、攝像頭及支架、步進電機和安裝板等。

水下機器人在水下環境工作，因此需要密封裝置保護攝像頭及步進電機，密封圈要選擇耐酸、耐腐蝕性的材料，確保良好的密封效果，且在模塊安裝后，端蓋口要加上密封膠，提升密封性能，并多次進行水密性測試，確保不會出現漏水問題。

2.3 ?浮力模塊結構設計

要確保水下機器人在相對比較小的推進力下實現懸浮控制，且如果遇到斷電情況，機器人能自動上浮，完成回收，水下機器人的重力和浮力的比例設計為1∶1.1。浮力模塊的設計，需要確保浮力足夠的同時盡量減少運行的阻力。具體操作中，先對水下機器人進行承重處理，測量其在空氣中的重量和水中的重量，計算額外浮力，根據要求設計浮力模塊。浮力模塊采用機械建筑設計模型的泡沫加工，確保其具有良好的抗壓性能，且吸水率較低。

2.4 ?重心和浮心設計

為確保水下機器人穩定運行，需要浮心在上，重心在下，在水下運動受到沖擊時能有較強的穩定性和自我恢復能力。

3 水下機器人系統軟件和硬件設計

控制系統中包括硬件和軟件兩個部分，也是水下機器人的核心，需要對內外部的狀態信息進行處理。水下機器人設計功能不同，控制量也存在差異?？傮w來講，需要對直流電機、步進電機進行控制，可以將STM 32單片機用作微處理器，對潛伏、推進系統和觀測模塊進行控制。

3.1 主控制器模塊

以SMT 32為主控制器，其具有先進的內核構架，與原有的單片機相比，功率消耗低，功能強大且速度快，使用相對簡單，整體性能良好，能提供庫函數和開發工具，縮短了系統開發時間。SMT 32內部配置有A/D轉換通道，能測量內外部信號源，通過A/D轉換分析單次、連續、掃描模式執行。信號采集流程主要是先設定時鐘源和A/D工作模式，并選擇通道模式，對轉換的順序和周期進行設置。外部信號傳入STM 32之后，處理轉換結果，并存放到對應的寄存器中。

3.2 直流電機驅動模塊

采用無刷直流電機，而動功率為50 W，電壓24 V。微處理器的快速發展和低能耗，其高開關頻率特性比較顯著，控制方法不斷革新優化，在電子元器件中應用比較多。無刷直流電機能在低速大功率運行中保持低噪聲，可靠性強且經久耐用。

3.3 步進電機驅動模塊

通過電脈沖轉化成電機轉動的角位移，角位移量對電機進行控制，對其實現準確定位。設計中采用兩相四線混合式步進電機，兩相步進角1.8°，有良好的動態性能，在攝像頭左右安裝旋轉軸，通過軸承將旋轉軸固定，在很小的作用力下即可將攝像頭轉動。

3.4 模擬信號的輸入

模擬信號的輸入主要采用三軸霍爾操縱手柄，對電位器的模擬信號進行調節，從而控制步進電機。SMT 32輸入接口獲取控制手柄的信號，內部進行模數轉換，并將轉換的數字信號發送給顯示模塊，電機驅動模塊收到脈沖信號后轉換為啟動信號，實現對相應電機的控制。

4 ? 結語

水產養殖業依靠人工作業任務重，勞動強度大且危險性高。水下機器人是人類探索自然的重要工具，將水下機器人應用于水產養殖業中具有重要的意義。在實際應用中，小型水下機器人體積較小，功能多樣，結合水產養殖的特點，研究設計總體方案，根據不同模塊及功能和實現方法，優化水下機器人的結構和功能，發揮其在水產養殖中的作用，具有實用價值。

[參考文獻]

[1]于紅.水產動物目標探測與追蹤技術及應用研究進展[J].大連海洋大學學報，2020（6）：793-804.

[2]李道亮，劉暢.人工智能在水產養殖中研究應用分析與未來展望[J].智慧農業（中英文），2020（3）：1-20.

[3]陳嚴.小型便攜式水下機器人控制系統設計與實現[D].沈陽：沈陽工業大學，2019.

（編輯 何 琳）