“旅行者”水下航行器的設計

摘 要：本設計出發(fā)點是希望航行器能夠小型化，機械結(jié)構(gòu)簡單化，并且更加靈活。與傳統(tǒng)的ROV不同，航行器只有三個螺旋槳，左右和尾部各有一個螺旋漿，用于平衡力矩、產(chǎn)生推力以及改變航向。左右螺旋槳正后方加了兩個舵，通過舵機拉動球頭拉桿，實現(xiàn)通過對舵的控制，調(diào)節(jié)豎直、水平推力分力的大小，實現(xiàn)上浮下潛。同時在航行器頭部安裝攝像頭，可以進行圖像傳輸，圖像處理，目標追蹤。

關(guān)鍵詞：水下航行器

1.研究目的

通過在仿生機器魚身體兩側(cè)增加兩個螺旋漿，使得仿生機器魚的機動性能增強，可執(zhí)行任務更加廣泛。與別的無人水下航行器相比較，小型高速單關(guān)節(jié)自主魚在深度不變的水層中游動時，如同仿生機器魚一樣靈巧便捷，能夠進行在危險、狹窄、復雜水下環(huán)境中的監(jiān)測、偵探等。擁有強大機動性的小型高速航行器還能在后續(xù)開發(fā)中攜帶很多傳感裝置和偵查設備，可廣泛運用于海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等許多場合。

2.國、內(nèi)外現(xiàn)狀

國外在水下航行器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，我國也提出了海洋強國的發(fā)展戰(zhàn)略。水下無人航行器越來越受關(guān)注，國內(nèi)外發(fā)展迅速。無人水下航行器應用領(lǐng)域廣泛，例如海洋勘探，海洋救援，海洋軍事等一些不方便人類進行的海洋活動都可以應用無人水下航行器進行作業(yè)。因此對于水下航行器的能機動性以及多功能性要求比較高，但目前制造的無人水下航行器待改進的方面還很多，例如體積過大，受海洋環(huán)境的影響較大，續(xù)航時間有很大限制等。

3.項目特點

1）此款無人水下航行器擁有高度的靈活性;外形設計簡單小巧，僅用了三個螺旋槳加上輔助控制的舵，就可實現(xiàn)基本的運動，運動速度在淺水區(qū)可達2-4節(jié)。

2）整體外型的仿生設計，航行器的整體外型參照魚的形狀設計，整體外型程流線型，減少運動的水阻，減少能耗，提高效率，增加航行器的續(xù)航時間。

3）在航行器上增加了舵的使用，仿照航模飛機副翼和船舶轉(zhuǎn)向舵，通過舵機控制舵，改變舵面的角度，從而改變水平和豎直方向推力分力的大小，更好的控制航行器的上浮和下潛。

4）續(xù)航時間長;此航行器整體小巧、質(zhì)量輕、耗能元件少、能耗低、水中阻力小，可保持長時間續(xù)航。

5）內(nèi)部裝有攝像頭，可進行水下拍攝，水下探查。并對圖像進行二值化處理，實現(xiàn)航行器實時監(jiān)控、自動追蹤、路徑規(guī)劃、目標識別與拍攝存儲等功能。

4.技術(shù)路線

4.1整體設計

整體外形基于流線型設計，以便于更適應水下環(huán)境，減小航行過程中的阻力，在水中更能保持平衡。航行器兩側(cè)和尾部各有一個螺旋槳。兩側(cè)的螺旋槳主要是實現(xiàn)前后的推進以及航向角的調(diào)節(jié)，左右螺旋槳正后方加了兩個舵，來控制航行器的上浮和下潛。尾部的螺旋槳主要是對俯仰角進行調(diào)節(jié)。航行器控制面板，電池等置于亞克力管中，達到密封效果。

4.1.1防水及穩(wěn)定性設計

利用亞克力桶、密封法蘭和O型橡膠圈，把各種電子元器件封裝在桶內(nèi)，電線通過桶后的插線螺絲引出，再用硫化膠密封，可以做到整體水密。同時，利用密封法蘭上的裝配螺紋孔，對航行器外殼進行限位和固定，保證了整體裝配的的穩(wěn)定。

4.1.2運動設計

為了使航行器能夠輕松的完成水中的運動，在航行器的兩側(cè)安裝兩個螺旋槳，每個螺旋槳可產(chǎn)生25N的推力。可實現(xiàn)航行器的直游和倒游，通過差速來控制航行器的轉(zhuǎn)向。尾部安裝一個豎直放置的螺旋槳，可調(diào)節(jié)航行器的俯仰角，配合舵輔助航行器實現(xiàn)上浮、下潛。

4.1.3舵的設計

受到飛機副翼和船舶轉(zhuǎn)向舵的啟發(fā)，在左右螺旋槳正后方加了兩個舵，通過舵機動球頭拉桿，實現(xiàn)通過對舵的控制，調(diào)節(jié)推力在豎直、水平方向的大小，實現(xiàn)上浮下潛。

4.2硬件設計

4.2.1電源管理

電源管理模塊輸入端直接輸入電池的 11.1V 電壓，先通過保護電路將 11.1V 電壓供給舵機、無刷電機，通過 5v 降 3.3v 的降壓芯片再給 STM32 的單片機主控板以及無線通信模塊等外設供電。為保障電路的穩(wěn)定性，達到濾波、退藕、穩(wěn)壓和緩沖的目的，在每一個芯片輸入電壓引腳外接 104 貼片電容和 227C 型鉭電容。降壓芯片選用 AMS1117-5.0v和AMS1117-3.3v。

4.2.2電路板設計

我們根據(jù)航行器的一些性能要求以及模塊管理等需求已自行完成電路板設計。電路板設計中，也設計了保護部件，如保險絲、限流管等;并為實現(xiàn)模塊化設計，預留了充足的模塊化接口，如串口、IIC、SPI等通訊協(xié)議的接口;同時，在這些功能實現(xiàn)的基礎上，盡可能的縮小電路板大小，為防水艙內(nèi)其他部件或預留了充足的空間。

4.2.3主控單元設計

控制系統(tǒng)為STM32芯片。采用的 32 位主控芯片為 STM32F103，STM32F103 采用 Cortex-M3 的內(nèi)核，具有最高 72MHz的主頻。

4.2.4通訊實現(xiàn)

由于航行器搭載了不同的模塊，需要滿足不同模塊之間的通信，并且需要滿足可以任意的搭載以及去除某個通信模塊的功能，因此在實現(xiàn)多個功能模塊的通信時，我們選擇CAN通信協(xié)議。上位機和航行器通信，我們采用的是串口通信以及NRF24L01通信。

作者簡介：

魏宏凱（1998—），男，漢族，新疆呼圖壁縣芳草湖鎮(zhèn)人，學生，本科在讀，單位：西北工業(yè)大學，研究方向：無