一種網箱清理水下機器人設計*

林 廣 ， 李偉洪 ， 肖景強 ， 麥家偉 ， 劉孝賢

（廣東海洋大學機械與動力工程學院 ，廣東 湛江 524088）

深海網箱指的是設置在較深海域，利用新材料、防海水腐蝕等技術建造的抗風浪能力強、集約化程度高、養殖容量大的圓形雙浮管式大型網箱[1]。但由于網箱長期浸泡在水下區域，易受海洋污損及生物侵害，大量藻類往往附著在網箱外圍，會導致網目阻塞，阻礙水體交換，從而造成魚類缺氧死亡，甚至會導致網箱破裂和魚類出逃，造成嚴重的經濟損失，因此，需要相關設備定期對網箱進行清洗。但目前我國深海網箱養殖業配套設備研發相對滯后，網箱自動化清洗設備較為缺乏[2-3]。

水下機器人是開展海洋探索所需的重要工具，早在16 世紀就有科學家對水下潛器進行研究[4]。但我國引進大型深海網箱時間較晚，對網衣清洗設備的研究也不多[2]。基于此，課題組根據水下網箱的清理需求，設計出一種網箱清理機器人。該機器人可高效地清理水下網箱，提高了水產養殖智能化程度，為養殖產業的可持續發展（即保護養殖區生態環境、合理利用資源和提高經濟效益）奠定基礎[5]。

1 整體結構和工作原理

網箱清理水下機器人主要應用于深海水下養殖網箱的清洗，由螺旋槳運動裝置、清洗裝置、檢測裝置、主控裝置、機架等組成，整體結構如圖1所示。工作人員將機器人放入水中，位于機身四角的水深傳感器檢測水深反饋數據為小值，通過STM32控制舵機的電機角度，實現機身下潛。位于機身前方的超聲波傳感器檢測機器人與網箱的距離，并回傳模擬信號。STM32通過程序算法計算出機器人的運動路徑，通過改變舵機的角度使機器人進入工作區域。到達工作區域后，機器人開啟清洗裝置，進行網箱的清理。期間，超聲波傳感器與STM32時刻保持通信，保持網箱與機身的距離。在清洗過程中，機身會出現振蕩搖晃，位于內部的六軸傳感器將機身偏移數據反饋給STM32處理，利用pwn控制調整舵機角度，使機器人保持平穩。當機器人下降到箱子底部時，位于機身底部的水下測距模塊超出了檢測的有效范圍，機器人向左移動，舵機控制調整電機角度上浮，重新開始清洗運動。在完成一次網箱清洗后，機器人上浮回到水面，表面的4個傳感器將自身檢測的數據經處理后反饋給STM32，機器人又開始下潛，重復清洗運動。清洗工作完成后，機器人自動上浮，工作人員通過漁船將機器人回收。

圖1 網箱清理水下機器人結構圖

2 主要結構裝置設計

2.1 運動裝置設計

目前，市面上的水下機器人大多使用電機搭配螺旋槳來為水下運動提供動力，保證水下機器人具有良好的運動特性[6]。本設計則在機器人四周布置4個防水電機，由電機提供動力。電機與螺旋槳之間采用聯軸器連接、頂絲固定的安裝方式，以保持運動中螺旋槳結構的緊湊。在電機上方空腔內設有軸承和軸套，減少電機旋轉時與機體內壁的摩擦。電機外殼的向外伸出桿與舵機采用螺栓連接，使電機螺旋槳整體傾斜角度由舵機控制，通過PID程序輸出的信號實現控制。4個舵機角度相互配合，使機器人實現上下沉浮。在靠近外殼縫隙連接處設有橡膠防水圈，防止因水體進入而導致零件損壞。機器人的運動裝置如圖2所示。

圖2 運動裝置內部圖

2.2 清洗裝置設計

機器人清洗裝置結構如圖3所示，主要由清洗盤、聯軸器、執行電機、橡膠圈、固定件等組成。清洗盤為一種圓形殼體，尾部設有連接口，由螺栓與聯軸器固定相連，盤上設有多個毛刷孔，每個孔位都裝有一定硬度的尼龍毛。另外，清洗盤上還設有多根硬質針狀釘子，可輔助清理附著在網箱上的貝類。電機則由STM32控制開啟。當機器人開始清理時，直流減速電機啟動旋轉，經聯軸器傳遞扭矩帶動清洗盤旋轉，清理網箱中的藻類和貝類寄生物。用戶可以根據自身需求，更換毛刷類型，以達到更好的清理效果。

圖3 清洗裝置結構圖

3 主要控制原理設計

3.1 固定位距控制原理

根據結構方面的清理機制，本裝置采用水下超聲波測距模塊采集信息。水下超聲波測距模塊的測量距離為3 cm～450 cm，該模塊的測量精度和距離能夠滿足設備正常清理水下養殖網箱的要求。水下超聲波測距模塊主要用于測量設備與網箱的距離，并將采集的數據傳送給STM32主控板，主控板通過程序上設定的卡爾曼濾波算法及PID算法對數據進行處理。STM32控制板根據此數據調用程序上的函數指令，控制舵機的執行角度和直流減速電機的開啟、停止及正反轉等相關操作，進而控制設備與網箱的距離。設備與網箱固定距離控制原理如圖4所示。

圖4 設備與網箱固定距離控制原理圖

3.2 姿態調整原理

由于自身運動以及浪潮對表層水流動的影響，機器人在水體的沉浮平衡會因為上述原因出現一定的波動。為了使其處于理想的工作姿態，課題組為機器人裝配了能夠實時監控自身位置歐拉角的MPU6050六軸傳感器模塊，并通過Mahony互補濾波算法得到比較準確的歐拉角。設備頂部四角裝備的水深傳感器測得機器人自身各方向的水深數據后，將其傳送給STM32中控板進行PID算法處理，計算出機器人在各方向傳感器之間的誤差值，將得到的誤差值換算成相應的PWM占空比信號，反饋給電機調速，從而控制自身姿態。MPU6050模塊測得的六軸姿態信號和貼網壓力信號能夠使機器人維持良好的貼附狀態[7]，能夠更好地保障設備在運動方向上不會出現脫離清理網面軌跡的現象，從而實現更好的清理效果。姿態調節控制原理如圖5所示。

圖5 姿態調節控制原理圖

3.3 自動化清潔軌跡部分

設備上搭載了多種傳感器，頂部有4個水深傳感器，底部有1個射向網箱方向的水下紅外測距傳感器。由于設備清理的網箱通常是圓柱形，可通過比較精確的傳感器之間相互配合來實現清理軌跡的邏輯，設備用到的傳感器有效范圍如下：水深傳感器0.002 m～300 m、水下激光測距傳感器0.03 m～40 m。清理軌跡的邏輯如下。

首先，設備頂部的4個水深傳感器可檢測設備目前的在水深度，當4個水深傳感器測量到目前設備的水深數據在0～0.04 m的范圍，同時水下激光測距模塊測量的數據在0.03 m～40 m之內，默認設備漂浮在水面上，機體尚未下潛；當4個水深傳感器測量到目前設備的水深數據在0.04 m～300 m范圍內，同時水下激光測距模塊測量的數據大于40 m時，默認設備已經到達網箱底部。

其次，程序上設置了兩種設備沉浮狀況的轉向信號。一種是設備的水深數據為0～0.04 m并且水下激光測距數據在0.03 m～40 m的情況；另一種是設備的水深數據為0.04 m～300 m并且水下激光測距數據大于40 m的情況。當上述兩種情況發生其中一種時，設備將通過中斷程序、執行轉向程序來驅動行走機構，行走機構會使設備在網箱接觸點的切向方向朝該接觸點的x軸負方向移動一個滾輪盤長度的橫向距離。

最后，經過多次執行上下沉浮和向左移動的重復動作后，網箱將會被清理干凈，機器人完成設定的工作任務。

3.4 整體電路控制系統設計

設備開啟，主控板進行初始化，各傳感器進行初始化。待機狀態可進行藍牙遙控。藍牙斷開，處于自動工作狀態時，傳感器將實時數據傳給STM32主控單片機處理。主控板將相應的信號傳給驅動模塊以及舵機，舵機驅動舵盤轉動到數據設置值，驅動模塊將主控的PWM微弱信號放大為驅動減速電機的PWM輸入電流，進而控制電機的轉速。其中程序控制中斷優先級如下：姿態調整＞固定位距調整＞自動軌跡行走調整。電路模塊控制原理如圖6所示。

4 結論

海洋漁業的迅速發展，要求智能化的水下機器人隨之進步，這也將是水下機器人的未來發展方向[8]。課題組從實際出發，綜合考慮了水下網箱養殖的工作場景和用途，分析機器人

的運動和清洗原理，設計了水下網箱機器人的結構（清洗裝置、運動裝置）以及控制系統。該機器人能夠有效解決目前網箱養殖的清洗問題，提高運營效率，節省時間并降低成本，對水下機器人的總體設計具有一定的借鑒和指導意義，對于水產養殖業的發展也有比較重要的意義[9-10]。

圖6 電路模塊控制原理圖