民用水下探測器設計

孟 碩 董俊皓 李彥林（泰州學院，江蘇 泰州 225300）

1 概述

水下探測器，一直給人以神秘莫測的印象，也一直未曾走進大眾的視野中。水下探測器市場與空中無人機市場的火爆形成鮮明的對比。實際上，民用水下探測器的市場，是一片容量大、潛力巨大的優質市場。但就目前情況而言，水下探測器市場正處于起步階段，還沒有被充分開發，預計市場會有較大需求。

在傳統的觀念中，水下探測器的應用領域更多為軍用和工業，其主要功能為海底資源探測、開采以及海底救援等。隨著互聯網、人工智能和智能制造等技術的發展以及民眾生活水平的提高，大眾對水下領域的探測需求也在日益增長，水下探測器的市場正在一步步向商業、民用等領域擴張。從民用水下探測器的市場表現來看，其應用領域也是相當廣泛的。

比如在水產養殖方面，我國許多海洋牧場采捕仍用的是人力，工具也相當原始，這對于養殖者來說，不僅勞動強度大、生產效率低、采捕成本高，還具有極高的安全風險，而民用水下探測器的興起和發展可以幫助漁民們輕松解決這些問題。在娛樂消費端，民用水下探測器也有相當廣泛的市場。

隨著潛水運動的興起，我國擁有潛水證的人越來越多，越來越多的人對深水運動感興趣，因此也給娛樂市場帶來了機遇，比如海洋館、游樂場、科技館等娛樂場所就需要民用水下探測器監控水域環境，實時進行信息反饋，避免人員溺水和傷亡事件的發生。在個人消費領域，小型的民用水下探測器還可用于水下拍攝信息采集，攜帶方便。

2 水下探測器控制結構

水下探測器的探測是一種技術密集性高、系統性強的工程，涉及的專業學科多達幾十種，各學科之間彼此互相牽制，單純地追求單項技術指標，就會顧此失彼。

解決這些矛盾，除有很強的系統概念外，還需加強協調。在滿足總體技術要求的前提下，各單項技術指標的確定要相互兼顧，達到整體工作協調。

2.1 控制結構

本研究設計的民用水下探測器由機械外殼、攝影儀器、聲吶探測、驅動電機、控制電機、通信模塊、電源模塊等組成。

推進系統由驅動電機和控制電機組成，其中水平推進系統有兩組無刷直流電機推進器，豎直方向上有4 組伺服電機，這6 個推進器連接相應的驅動器。

物聯網控制是新一代信息技術的重要組成部分，可以利用局部網絡或互聯網等通信技術把探測器、控制器、推進系統和人員連在一起，形成信息化、遠程管理控制和智能化網絡。

通信傳輸就是傳遞信息，是指由一地向另一地進行信息的傳輸和交換，其目的是傳輸消息，實現控制的時效性。

民用水下探測器的控制結構見圖1。

圖1 民用水下探測器控制結構

2.2 工作邏輯

為了保證民用水下探測器的運作，民用水下探測器采用遠程操控工作方式。根據民用水下探測器內部采集并處理過的信息，通過無線模塊進行數據的回傳，反饋到顯示屏后，再操作水下探測器更改線路，選擇合適的路線前行，以此來保證民用水下探測器在復雜水域運作的工作安全。

民用水下探測器的工作邏輯見圖2。

圖2 民用水下探測器工作邏輯

3 民用水下探測器動力系統

控制系統需要實現水下探測器在水下航行的控制，包括水下前進、后退、左右移動和上升下降，除了控制系統，還需要給控制系統提供能源，沒有能源就無法讓水下探測器正常工作。

3.1 驅動結構

民用水下探測器的推進系統結構見圖3。其中，推進器選擇無機械接觸、運行時穩定性較好的無刷直流電機。無刷直流電機控制系統的設計，選擇調節器均采用PI 控制器的雙閉環控制系統。無刷直流電機雙閉環控制系統結構見圖4。

圖3 民用水下探測器推進系統結構圖

圖4 無刷直流電機雙閉環控制系統結構

雙閉環控制模型中，為了滿足控制系統穩態精度的要求，電流環設置為Ⅰ型系統，速度環設置為Ⅱ型系統。典型Ⅰ型系統的跟隨性能超調小，但抗擾性能稍差，較適用于電流環；典型Ⅱ型系統抗擾性能比較好，適用于轉速環，這是設計時選擇典型系統的重要依據。此外，在典型Ⅰ型和Ⅱ型系統中各選擇一種結構，可使設計方法簡單得多。

因此，按照工程設計的方法，對電流環、速度環分別進行設計，分別采用PI 控制器。

把電流環設計為典型Ⅰ型系統，設計后的動態簡化結構見圖5。

圖5 電流環動態結構

把速度環設計為典型Ⅱ型系統，設計后的動態簡化結構見圖6。

圖6 速度環動態結構

把電流環設計為典型Ⅰ型系統，把速度環設計為典型Ⅱ型系統，推導出速度環和電流環的動態結構圖，使整個控制系統得到了優化，提高了控制精度。

3.2 供電電源

采用Buck-Boost 電路工作形式的供電電源為無刷直流電機這個推進器進行供電。Buck-Boost 電路工作結構原理見圖7。

圖7 Buck-Boost 電路工作結構原理

電源的控制系統采用閉環控制，閉環控制中采用PID 控制，其控制規律為

電路接通后通過示波器觀察負載工作時輸入電壓和輸出電壓的波動，來驗證本研究中水下探測器的設計是否具有可行性。

4 輔助功能設計

攝影采集和聲吶探測功能是本研究中水下探測器設計的主要輔助功能。攝影采集和聲吶探測分別通過“看”和“聽”的功能，協助設備準確及時地判斷目標物體，實時反饋水下真實情況，提前探知水下地質全貌，以幫助控制器實現水下精準作業。

民用水下探測器的輔助功能設計見圖8。

圖8 民用水下探測器輔助功能設計

4.1 攝影采集

通過攝影采集獲得各種比例尺的地形圖，在此基礎上建立地形數據庫，以此為民用水下探測器提供空間基礎數據和各種地理信息系統，是運用這項輔助功能的主要目的。反饋回來的圖像可以用來研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置及其相互關系。

攝影儀器在水下拍攝的圖片樣式多、清晰度高，不僅可以用來研究目標物體和目標地形，也可以將水下真實情況反饋到控制器，由控制板顯示，以便及時根據攝影需求修改指令，控制伺服電機和驅動電機的工作，更好地實現水下精準和穩定的控制。

4.2 聲吶探測

采用聲吶對水下目標進行探測，通過電聲轉換和信息處理，完成對水下目標的精準定位，為民用水下探測器探測地形，以便提前探知水下的地質面貌。

聲吶的工作原理見圖9。

圖9 聲吶工作原理

如圖9 所示，電信號經發射器發出，由換能器（一般是壓電晶體）轉換為聲信號到水中，聲信號在傳遞過程中遇到目標物，信號就會被反射回來，被換能器接收后再轉變為電信號，經接收器放大處理，信息在顯示系統上，通過熒光屏顯示或者利用耳機進行播放。這樣一來，根據信號往返的時間，就可以確定當前位置與實體目標之間的距離。

5 結論

本研究設計了一種民用水下探測器。論述了民用水下探測器的控制結構和工作邏輯，設計了包括驅動結構和供電電源在內的動力系統。最后介紹了攝影采集和聲吶探測兩個輔助功能。