水陸兩棲潛水探險車設計與開發

粟子恒 宋磊憲 劉海 曹維杰 丁樹凱 陳興紅

摘 要：目前，市場上許多水下探測設備是針對海洋環境進行研發的，體積大、攜帶運輸不方便，不適合在淺水流域使用。而且，水下救援時，隨著深度的增加，水下的情況也會越復雜，會對搜救人員的人身安全造成極大威脅。此外，由于技術和經費等原因，國產水下機器人大多屬于實驗階段，沒有成型的商業化產品?；诖?，本文設計開發了水陸兩棲潛水探險車，以彌補市場空白。

關鍵詞：水陸兩棲探險車;行駛系統;潛水倉結構;控制系統

中圖分類號：U674.78文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）11-0095-03

Abstract： At present， many underwater detection equipments on the market are developed for the marine environment. They are not suitable for shallow water because of their large volume and inconvenience in carrying and transporting. Moreover， with the increase of depth in underwater rescue， the underwater situation will become more complex， which will pose a great threat to the personal safety of search and rescue personnel. In addition， due to technical and financial reasons， most of the domestic underwater vehicles belong to the experimental stage， and there are no commercialized products. Therefore， this paper designed and developed amphibious diving vehicle to make up for the market gap.

Keywords： amphibious exploration vehicle;driving system;submersible structure;control system

目前，市面上的搜救設備種類繁多，但由于價格高和應用環境受限，應用并不廣泛，只在一些特定部門或者特定的搜救探險場合使用。此外，由于技術和經費等原因，國產水下機器人大多屬于實驗階段，沒有成型的商業化產品[1]。為此，本文設計了水陸兩棲潛水探險車。

1 總體方案設計

1.1 設計理論

本課題制作的水陸兩棲潛水探險車采用鋁合金車身，合成橡膠履帶底板結構;通過防水電機驅動履帶轉動使車輛進退，通過減速電機帶動潛水膜的伸縮來使車輛達到潛浮的要求;運用水下攝像頭與手機進行數據連接，實時進行水下傳輸。

1.2 設計流程

本文根據潛水倉原理及陸地行駛原理確定車輛模型;用鋁合金車身和橡膠履帶制作車架;采用亞克力板的熱成型工藝制作潛水倉，在內部安裝電氣設備;完善車輛防水性能和車身配重的調試;通過水下和陸地兩種環境的試驗小車進行數據采集工作。

2 車輛行駛系統設計

2.1 陸地行駛系統

本車底盤由橡膠履帶、驅動輪、導向輪、承重輪和防水電機等組成。減速電機提供驅動轉矩帶動驅動齒輪轉動。此時，驅動輪齒輪和履帶嚙合，與地面接觸的履帶給地面一個向后的作用力，地面給履帶一個向前的反作用力。當驅動力克服車輛的行進阻力時，履帶在承重輪表面向前滑動，車輛行駛。

2.2 水下航行系統

車輛在水下航行的工作原理是：履帶在水中通過做圓周運動的形式來產生驅動力。履帶劃水原理[2]如圖1所示。上履帶帶動翼子板間水道A區內水流向前運動，導向水柵產生的水流沖擊力以及D區、下履帶和B區劃水產生的反作用力共同組成對車的推進力[2]。在履帶的上部以及前后兩處安裝擾流板和擋水罩，減小上履帶在水中產生的反作用力和水流沖擊力。

3 車輛潛水倉結構設計

3.1 潛浮原理

本車潛水倉依據阿基米德原理進行設計，通過倉內的減速電機控制伸張膜的收縮和拉伸，使其在水中的浮力發生變化，從而實現車輛下潛上浮。潛水倉結構如圖2所示。下潛過程中，水壓增大，減速電機通過齒輪與齒條的結合帶動伸張膜上拉使伸張膜收縮，倉內空間變小，氣壓變大，以抵消水壓的作用，車輛下潛;上浮過程中，水壓減小，減速電機通過齒輪與齒條的結合來向下推動伸張膜，倉內空間變大，氣壓變小，車輛上浮。

3.2 潛水倉的結構設計

本車的潛水倉由亞克力板熱成型的長方體艙室和伸張膜壓緊塊組成。亞克力板平均達洛氏硬度值89度左右，能承受水下壓力。潛水倉和車體之間通過螺栓進行剛性連接，使用樹脂進行密封防水。電源線和控制線纜等通過艙體上的O型孔與艙內的單片機進行連接?？刂凭€纜穿出密封艙后，連接地面遙控器并傳輸視頻信號和控制信號[3]。

4 車輛控制系統設計

本車輛選用ARM-STM32F103ZET6開發板作為整車的控制模塊;驅動模塊采用L298N穩壓驅動板，使用WiFi圖像傳輸模塊對攝像系統進行控制;PS2遙控模塊控制車輛兩側履帶的轉速;采用12V鋰電池作為電源，可以為不同工作模塊提供不同的工作電壓。

4.1 PS2遙控模塊

PS2遙控模塊無線頻率為2.4G/Hz，L298N穩壓驅動板輸出5V電壓給開發板供電。驅動板輸出三組信號，其中兩組信號控制履帶電機的轉動方向和轉速，以此控制車輛的前進后退和差速轉向;一組控制潛水倉電機，帶動伸張膜進行上下運動。控制程序流程圖如圖3所示。

4.2 水下WiFi圖像傳輸模塊

本車圖像傳輸模塊由1 080P高清有線防水攝像頭和自帶電源系統的WiFi模塊組成，具有體積小、畫質清晰、信號覆蓋面廣、數據傳輸效率高等特點。

5 結語

本文簡述了一款水陸兩棲潛水探險車的設計思路與開發方案。該車根據履帶車輛與潛水艇各自的技術優點來設計，能滿足陸地和水下兩種不同救援現場對搜救設備的要求。小車實物如圖4所示。

經過初步試驗，該車可以滿足實際的使用需求。該車可以根據不同的工作需求來添加各類救援設備，適用范圍更廣。

參考文獻：

[1]韋榮偉.水下機器人發展趨勢及前景[J].現代制造技術與裝備，2018（2）：175-176.

[2]趙克強，劉淑艷，韓占忠.履帶劃水推進機理的模型模擬試驗研究[J].兵工學報（坦克裝甲車與發動機分冊），1991（4）：59-62.

[3]裴國棟，卞則武，溫亞楠.便攜式水下機器人設計[J].船電技術，2019（1）：14-16.