ROV潛水器及水質檢測系統設計

郭愛龍 柏星江 金永芳 王莉 李蘊博

摘? 要：文章對ROV潛水器水質檢測系統進行了一次創新設計。首先介紹了各類潛水器的研究情況，說明了潛水器的研究價值。再對無人潛水器外形、耐壓、相關材料力學特性進行了數學分析，然后對內部處理器、傳感器的相關配置進行了分析，最后對各功能模塊應用程序進行了相關程序設計，開發出了適用于小型湖泊、魚塘等環境的ROV潛水器檢測系統。

關鍵詞：無人潛水器;耐壓殼;水質分析;傳感器;功能模塊

中圖分類號：P754.3? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0164-03

Abstract：This article is an innovative design of the small unmanned underwater vehicle （ROV） water quality detection system. First of all，this paper introduces the research situation of various types of submersibles，and explain the research value of the submersibles. Then，the shape，pressure and mechanical properties of related materials are analyzed mathematically，and then the configuration of internal processor and sensor is analyzed. Finally，the application program of each functional module is designed，and the ROV detection system suitable for small lakes，fish ponds and other environments is developed.

Keywords：remote operated vehicle;pressure shell;water quality analysis;sensor;function module

0? 引? 言

在我國，傳統的水產養殖業以及湖泊的水質檢測方面存在大量的人力物力浪費現象，且由于使用人工檢測，使得檢測成果存在較大誤差，無法使相關人員及時有效地對環境進行處理。

20世紀70年代，歐美等發達國家將電氣工程、管理學等多種學科相結合，開發出了現代信息化檢測系統，大大提高了水質檢測準確性以及效率，降低了人力支出，同時，因為機器的高效性，研究人員甚至也可獲知水中每一類元素的含量。

而我國水產養殖環境的檢測主要采用傳統化學實驗法，即由人工采集水體樣本并進行滴定實驗來劃分水體等級，而不同湖泊等水體元素以及用途差異大，不能以統一標準界定，故該檢測方法仍處于落后狀態。

探索湖泊、海洋、管理魚塘生態等都需要高效率、高精確度的檢測系統，而無人潛水器檢測系統作為信息時代的產物，必能接替人工檢測，大幅提高檢測效率。

為此，我們以“高效率、可持續發展”為理念，利用自身的電氣、自動化、通信專業知識作為骨架、現代軟硬件技術為血肉，設計這款ROV潛水器以及水質檢測系統，用以提高各類水體檢測的效率。該潛水器可實現全天候自動檢測并實時反饋水體數據以及可下潛至不同水層探測相關水體數據。能大幅度省去投入在檢測方面的人力物力，提高資源利用效率。

1? 潛水器及母船結構設計

1.1? 國內外無人潛水器結構研究概況

目前來說，全世界的潛水器主要分為兩種：載人潛水器（HOV）與無人潛水器（UUV）;在此處主要介紹無人潛水器。

1.1.1? 國外潛水器結構研究現狀

目前無人潛水器可以分成三個類型：水下滑翔機（UG）、遙控無人潛水器（ROV）以及自治式無人潛水器（AUV）。

其中，水下滑翔機是一種較為先進的無人潛水器，它可以利用調節浮力的功能來實現其在水中的上浮和下降，并借助滑翔翼姿態角的調整獲得較好的推進力來使其在水底進行長距滑翔。美國、澳大利亞以及歐洲部分國家的水下滑翔機技術是暫時領先于全球的。美國設計并實現了最早的水下滑翔機Spray Glider。而后，日本等國也相繼研發出了本國的UG技術。UG技術也變得越發成熟起來。

遙控式無人潛水器是一種由操作人員在地面或母船上通過無線技術或線纜對潛水器進行控制的無人潛水器。它在水質檢測、礦物資源勘查、無人打撈等深海作業、軍事活動等領域均有應用。在二十世紀六十年代，美國成功研發出世界第一臺ROV-CURV1，并成功打撈西班牙外海約900 m深度處的一顆氫彈。

而自治式無人潛水器則是一種可以無人員、無線纜的無人潛水器，它擁有自主性高、機動性良好等優勢，是近年來各國海洋研究、軍事等領域研究的重點之一。

1.1.2? 國內潛水器結構研究現狀

國內的水下滑翔機UG技術研究開始于21世紀初。在2017年，由中科院自主研制的“海翼”號水下滑翔機在世界最深海溝馬里亞納海溝完成了6 329 m大深度下潛探測挑戰;在2018年初，由天津大學研制的“海燕”號水下滑翔機挑戰成功并創造了8 213 m的深潛世界紀錄，成為續航里程最遠、測量坡面最多、連續工作時間最長的國產水下滑翔機。

1.2? 耐壓殼設計

1.2.1? 常見耐壓殼結構

截至目前，常見的耐壓殼結構通常為球形、蛋形、錐形、圓柱形、藕節形及其組合形狀等。

無人潛水器的耐壓艙主要是用來保護微型計算機、各類型的傳感器和供電電源等重要組成模塊，同時，因為水動力的原因，耐壓殼以及其外部框架等的外形也是需要好好思考的問題;載人潛水器的大部分外形被設計為類似于導彈的結構，其耐壓殼形狀為帶半球形封蓋的圓柱體的組合結構。遙控式無人潛水器分為流線型耐壓殼體和開架式耐壓殼體，遙控式無人潛水器的耐壓殼形狀主要為球殼或球殼和圓柱殼的組合結構。

1.2.2? 本潛水器體耐壓殼結構及相關參數設計

在上述幾種耐壓殼結構中，球形可以獲得最小的重排比，在相同容積中，球形的受力分布最為勻稱，而此優勢在下潛越深時，越能體現。最為重要的是，球殼抗壓力強，最為安全，現有的絕大部分ROV，都會或多或少采用球體結構。而我們團隊在對比了多類ROV后，決定使用圓柱體與球體相結合的耐壓殼，相關分析如下。

耐壓殼的強度計算。由于我們選用了圓柱形耐壓殼作為潛水器殼身，出于對材料的節省，先分析在下潛極限為100 m時普通圓柱形殼身（長300 mm，內徑110 mm，外徑118 mm）是否可用：

（1）驗證壁厚是否合理。我們使用了亞克力有機塑料（PMMA）材料來完成該潛水器耐壓殼，該材料的一些參數如下：

1）屈服極限σn=75 MPa。

2）且由于亞克力材料為可塑性材料，n為1.5～2.5之間，為考慮實際意外情況，取較差情況1.7來進行計算。

再利用公式對壁厚是否合理進行驗證：

式中，δmin為最小壁厚;p為水深100 m時的估算壓力1 MPa;D為潛水器圓柱形耐壓殼外徑118 mm;δ=== 44.12 MPa。

由上式計算得，最小壁厚為1.353 mm，而我們壁厚為8 mm，故該壁厚是完全可靠的。

（2）耐壓殼臨界壓力計算。已知在100 m深度下，勞氏安全系數為2.400，為保證殼體在承受水下壓力時能夠保持穩定，對殼體臨界壓力以及下潛100 m時的安全系數進行計算。

式中：E為亞克力塑料的彈性模量：3 000 MPa;δ為耐壓殼壁厚8 mm。

再對此情況下的安全系數n進行計算：

由上可知，3.658>2.400，所以該耐壓殼可直接使用普通圓柱形耐壓殼而不使用加裝了環形肋骨的圓柱形耐壓殼。

1.2.3? 材料選取

（1）力學性能。聚甲基丙烯酸甲酯具有優良的力學性能，拉伸、彎曲等強度均高于大多數材料，雖然它的沖擊韌性較差，但是也能稍微優于聚苯乙烯這種材料。在正常的情況下，它的拉伸強度可以達到55 MPa～75 MPa。而聚甲基丙烯酸甲酯的斷裂伸長率只有2%～3%，所以聚甲基丙烯酸甲酯的力學性能特征大體是硬而且脆的塑料。

（2）燃燒性：

1）球形亞克力透明罩：

尺寸：外徑110 mm，厚度5 mm。

2）亞克力密封艙管：

尺寸：壁厚5 mm，外徑110 mm，內徑80 mm，長度300 mm。

3）密封艙法蘭：密封艙法蘭底部有兩圈O型圈槽，頂部一個O型圈槽，兩端均有6個螺紋孔用來固定內部器件和壓緊艙蓋。

4）密封艙艙蓋：

尺寸：外徑110 mm，9孔;激光切割面光滑平整，表面貼紙保護。

5）密封艙穿線螺絲。水下接線防水的解決方案是密封艙空心螺栓法，這是一種比較可靠的方法。O型圈具有極高的耐酸堿和耐腐蝕性，O型圈端面可以在任何光滑表面上密封，螺栓內多個內徑，留有足夠灌封空間。并在學院實驗室作了進一步驗證，在驗證過程中該方法表現良好，艙體無漏水現象，可滿足此潛水器長期檢測的需求。

6）直流無刷電機。綜合考慮無刷電機和有刷電機各自的優缺點，涵蓋兩種電機的適用范圍、使用壽命、使用效果、節能方面、日后維修方面等因素，發現無刷電機符合我們的各項要求。更為重要的是，無刷電機能在水中工作，而有刷電機則需要防水保護殼。

7）無刷電調。電調，簡稱ESC，對于不同的電機，可分為有刷電調和無刷電調。電調能夠按照控制信號來自動調節電動機的轉速。要是通電后電機反轉，則反接電調任意兩根電線即可。

8）可充電鋰電池。我們選用可充電鋰電池給電機供電（中間通過電調），電池組安放在母船上，并且為了可以讓用戶隨時隨地地了解電池的工作狀態，避免電池過放或過充造成的傷害，我們給電池安裝了低壓報警器（后續有關于低壓報警器的說明）。

9）BB響低壓報警器。低壓報警器用于自動檢測鋰電池每個電芯的電壓和總電壓，支持反向連接保護。倘若電壓低于設定值，蜂鳴器就會發出聲音警報。

值得說明的是，接收器的供電由電調直接供給，我們上述選用的電調輸出電壓是5 V。也即通過遙控裝置將信號發送給接收器，接收器收到信號后通過電調控制電機的運動，詳情可見參考文獻[4]。

2? 軟件部分

本章主要介紹了潛水器水質分析系統的軟件部分設計，又分若干模塊介紹該系統的軟件部分設計。

2.1? 潛水器與水質分析系統的軟件總體設計

2.1.1? 開發環境

整體開發都在MDK5.0的環境下完成，因為MDK5.0是對ARM Cortex-M內核優化程度最好的開發環境之一。

2.1.2? 潛水器與水質分析系統的功能分析

該系統的水質參數測量與處理都是由STM32F103ZET6處理器完成。該水質檢測系統包含pH傳感器、溫度傳感器、深度傳感器等多種傳感器，它們將探測到的數據經過放大等處理后將其送至處理器，再由處理器處理數據，將數據轉化為用戶可直接辨別的數據，通過串口Wi-Fi模塊顯示于用戶手機上。

2.2? 各功能模塊應用程序設計

2.2.1? GPIO口工作模式配置

我們所使用的STM32處理器具有豐富的GPIO口資源，而且全部GPIO口均可單獨配置成不同的工作模式：開漏復用功能推挽式復用功能、開漏輸出、推挽輸出、浮空輸入、上拉輸入、模擬輸入、下拉輸入。

2.2.2? 數據采集模塊程序設計

本水質檢測系統需要的數據主要為溫度值、pH值和濁度值。這些信號都由傳感器采集并生成數字信號后送入STM32處理器。在與處理器通信時需要使用軟件模擬時序進行通信。而TDS信號是一種頻率信號，我們采用了STM32定時器對頻率信號進行測量的辦法進行對處理器-頻率的計算。本文測量方法見參考文獻[5]。

2.2.3? 串口Wi-Fi通訊模塊程序設計

本水質檢測系統通過串口Wi-Fi模塊與處于同一局域網的用戶終端通訊，全部通訊都通過串口完成。

2.2.4? 校正程序設計

在測量過程中我們需要保證各類傳感器的測量精度，但是在長期的水下環境中，傳感器必定會被腐蝕、老化，從而造成不可避免的誤差，使得測量數據不如以前精確。所以我們需要定時校正傳感器的數值，并將所校正的數據保存在處理器的Flash中，在之后的測量中直接使用Flash中的校 準數據，保證其數據的長期精確性。我們在校正中使用了兩點校正法。

2.2.5? 測量結果溫度補償方法

由各水質參數測量的影響因素可知，pH值和溫度兩種水質參數的檢測結果都與溫度有關，所以需要對測量結果進行溫度補償，本文的溫度補償采用的是擬合公式法。由于實驗條件有限，設計時未能對水樣的溫度進行精確控制，因此在對檢測結果進行溫度補償時采用的補償系數是通過查閱資料得出的一般性結論，因此對檢測系統的測量精度有一定的影響，在后期的工作中應進行改進。

2.2.6? Flash讀寫程序設計

在處理器中我們使用了Flash存儲器來讀寫程序，因為Flash存儲器能夠使用最小的空間去發揮EEPROM的最大靈活性能。并且Flash存儲器能保證掉電后數據不會丟失，數據存儲速度快、容量大、可靠性高等優點，并且我們所使用的STM32處理器內部有著512 kB的Flash存儲器，可以保存大量的用戶數據。

3? 結? 論

本文主要介紹了多參數水質檢測系統的軟件設計，首先分析了系統的軟件整體框架;其次對各功能模塊的任務及實現進行了分析;最后對潛水器水質分析系統的軟件部分設計進行了介紹并對各類傳感器工作情況進行了分析。在學院電氣實驗室完成了該潛水器以及檢測系統的樣機并成功下水收集數據，證明該設計是完全可行的。該潛水器體積小、功耗低、效率高，可長期監管水體數據，符合國家可持續發展理念，隨著國家的發展，該類機器將對社會起到越來越重要的作用。

參考文獻：

[1] 羅珊，王緯波.潛水器耐壓殼結構研究現狀及展望 [J].艦船科學技術，2019，41（19）：7-16.

[2] 楊友勝，任荷.潛水器浮力調節技術發展現狀與展望 [J].中國海洋大學學報（自然科學版），2019，49（S1）：110-119.

[3] 劉啟新.電機與拖動基礎 [M].北京：中國電力出版社，2007.

[4] 吳巍，陳光東，吳明光，等.基于電導率機理的智能化水質檢測儀的設計 [J].工業儀表與自動化裝置，2006（2）：39-41.

[5] 李荻.電化學原理：第3版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6] 宋輝.ROV的結構設計及關鍵技術研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.