基于物聯(lián)網(wǎng)的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉旭東 王 爽

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，江蘇 蘇州 215325）

蘇州陽(yáng)澄湖大閘蟹作為當(dāng)?shù)氐奶禺a(chǎn)美食已形成從蟹苗培育到市場(chǎng)銷(xiāo)售的全產(chǎn)業(yè)鏈。陽(yáng)澄湖大閘蟹使蘇州名聲大振，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)崛起與發(fā)展，這是中國(guó)其他地區(qū)不可比擬的。

但是蘇州陽(yáng)澄湖大閘蟹總體的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)仍然處于初級(jí)階段，依舊存在類(lèi)似缺乏先進(jìn)的養(yǎng)殖技術(shù)等一系列問(wèn)題，極大程度上限制了蘇州大閘蟹產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展[2]。

水產(chǎn)養(yǎng)殖一個(gè)很大的難題是水質(zhì)難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,目前個(gè)體養(yǎng)殖戶主要依靠人為觀察等方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管理模式粗暴。水污染必定會(huì)導(dǎo)致大量螃蟹死亡，并給養(yǎng)殖商戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)殖的出現(xiàn)，致使傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式并不能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖商戶的價(jià)值需求，于是就開(kāi)始向這一養(yǎng)殖新模式轉(zhuǎn)變。以基于物聯(lián)網(wǎng)的水下機(jī)器人為研究對(duì)象，總結(jié)出目前還沒(méi)有水下機(jī)器人相關(guān)的產(chǎn)品流入到市場(chǎng)上，于是我們就提出了一種現(xiàn)代化創(chuàng)新型的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水下機(jī)器人，這種水下機(jī)器人需要涉及到多項(xiàng)核心技術(shù)的研究并相互結(jié)合。

1 水下機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 水下機(jī)器人的總體方案

水下機(jī)器人系統(tǒng)有三個(gè)部分構(gòu)成，又可細(xì)分為六個(gè)系統(tǒng)，如圖1 所示。水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，尤其是水下避障時(shí)的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)緊湊保證了運(yùn)作時(shí)實(shí)現(xiàn)功能的可靠性，還留有閑余空間用于安裝其它元器件。

圖1

1.2 水下機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水下轉(zhuǎn)向靈活的特性，實(shí)現(xiàn)水下檢測(cè)、避障等功能，還要實(shí)現(xiàn)主題機(jī)械部分保持機(jī)身全程平衡，還能讓手爪作為機(jī)器人的輔助功能抓取水下物質(zhì)[3]。如圖2 所示，各個(gè)部分都有各自的功能。使用SolidWorks2018 軟件對(duì)水下機(jī)器人整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的三維建模也如圖2 所示。

1.2.1 主體機(jī)械部分

水下機(jī)器人的主體機(jī)械部分也稱(chēng)為總骨架，把各個(gè)機(jī)械構(gòu)件和功能模塊結(jié)合在一起。

1.2.2 核心控制艙

核心控制艙不僅控制各項(xiàng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，還控制傳感器檢測(cè)參數(shù)以及藍(lán)牙連接信號(hào)接收器。核心控制艙主要由主控模塊、藍(lán)牙模塊、驅(qū)動(dòng)與控制模塊和防護(hù)外殼組成。以及下方安裝鋰電池為它們提供電能[4]。

1.2.3 避障機(jī)械部分

本設(shè)計(jì)的避障機(jī)械部分采用了杠桿伸縮原理，通過(guò)安裝電動(dòng)推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)換向功能。

1.2.4 推進(jìn)器部分

推進(jìn)器是動(dòng)力來(lái)源，使整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)能夠在水下保持平衡運(yùn)動(dòng)和避障運(yùn)動(dòng)。

1.2.5 手爪部分

手爪的功能是協(xié)助水下機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)探測(cè)抓取水下物資來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控芯片：STC89C52RC：具有極低的功耗，并且該芯片具有強(qiáng)大的抗干擾能力和高速8 位微處理器。同時(shí)，該芯片非常安全，加密后無(wú)法解密。

2.1.2 微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D：作為一個(gè)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將高壓和大電流與四個(gè)通道結(jié)合在一起。這種類(lèi)型的調(diào)光器主要用于TTL 和DTL 連接，但也可以用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載并具有某些開(kāi)關(guān)功能。為了更方便地使用雙橋，L.293D 每個(gè)通道只有一個(gè)激活輸入[5]。驅(qū)動(dòng)器電路的電源輸入是獨(dú)立的。也就是說(shuō)，它可以在低電壓環(huán)境下運(yùn)行。

2.1.3 舵機(jī)：接收器將控制信號(hào)發(fā)送到調(diào)制芯片，并將其轉(zhuǎn)換為偏置電壓。轉(zhuǎn)向器中的基本電路可以產(chǎn)生參考電壓。比較偏移電壓和參考電壓后，輸出電壓差。該計(jì)算機(jī)可以控制電動(dòng)機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到恒定速度時(shí)，可以使用級(jí)聯(lián)齒輪旋轉(zhuǎn)電位差計(jì)，并且控制電壓差變?yōu)榱悖瑥亩闺妱?dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

2.2 傳感器

2.2.1 BH1750FVI 光照傳感器：一款現(xiàn)代化程度非常高的光強(qiáng)度傳感器。

2.2.2 DS18B20 溫度傳感器：其輸出為數(shù)字信號(hào)，體積小，硬件過(guò)載低，抗干擾性強(qiáng)且具有高精度特性。

2.2.3 PH 傳感器：可自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析等功能。它的典型應(yīng)用是進(jìn)行對(duì)酸和堿研究，酸堿滴定，酸性雨水和緩沖液研究等。

3 軟件設(shè)計(jì)

中控芯片接收并處理所有信號(hào)。接通電源后，應(yīng)初始化芯片，并使舵機(jī)復(fù)位。然后，它接收藍(lán)牙模塊生成的中斷信號(hào)，并根據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)男盘?hào)控制各項(xiàng)組成元器件，圖3。

圖3

4 結(jié)論

隨著中國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了物聯(lián)網(wǎng)養(yǎng)殖的出現(xiàn)，致使傳統(tǒng)的養(yǎng)殖模式并不能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖商戶的價(jià)值需求，于是就開(kāi)始向這一養(yǎng)殖新模式轉(zhuǎn)變。目前還沒(méi)有水下機(jī)器人相關(guān)的產(chǎn)品流入到市場(chǎng)上，于是我們就提出了一種現(xiàn)代化創(chuàng)新型的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水下機(jī)器人，這種水下機(jī)器人需要涉及到多項(xiàng)核心技術(shù)的研究并相互結(jié)合。