水下機器人的設計與CSMA/CD局域網控制系統的研究

王 燁，夏長春，匡興紅

（上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

0 引言

當下，水下機器人在人類探索海洋之際扮演著越來越重要的角色。主要代替人工從事水下勘測，海洋生物的捕撈以及水下魚群的觀測等功能。本文綜合了現在機器人的形狀，設計了利用CSMA/CD技術局域網結合激光測距技術的專業化從事水下觀測的水下機器人。

CSMA/CD技術局域網是一種操作方便快捷的水下機器人操作系統。基于對電腦中的“IP地址”和“子網掩碼”進行修改，打開谷歌瀏覽器進行到主控制界面的方式實行對水下機器人的運動和攝像頭的旋轉控制。綜合了多種文件，發現CSMA/CD局域網用在車輛控制和通信方面比較多，但是其操作方式并非采取的是運動控制平臺界面一件操作系統，而是論述的是信號之間的轉化。而對于水下機器人的控制則絕大數都是都是采用STM32為控制器為平臺的控制系統，以水上遙控系統來控制機器人在水下的運動等操作。例如：李臘元[1]描述了以太網CSMA/CD環境下的一種沖突分解機制，提出了一種Enet協議，該協議要求網絡中各站只有一種共用的信息，即傳輸延遲上限。郭健忠[2]基于以太網技術，通過分析模擬平臺及i.MX6系統的AVB傳輸數據，實現車載通信網絡。孫中全[3]基于以太網技術剖析了交換機環路的成因和環路的判斷與檢測方法。熊淵琳[4]基于單片機技術設計了一臺可以實現機器人水下數據采集和回轉的水下機器人，具有遠程控制功能。何曉雄[5]設計了一臺水下機器人，其控制系統采用STM32為控制器為平臺的控制系統，來實現對下機器人的深度和姿態的控制。

1 水下機器人結構設計

1.1 水下機器人三維模型的構建

結合當前水下機器人的總體設計，其主要包括機器人本體外殼、耐壓電子艙、電池艙以及推進器航行裝置。利用三維制圖軟件對水下機器人外形進行建模，模型如圖1所示。

1.2 潛浮裝置的選型設計

針對水下機器人的推進運動是采用無刷防水電機和螺旋槳組合的方式。如圖2所示。

1.3 耐壓電子艙的設計和校核

仿真圖中，耐壓殼電子艙圓柱筒壁受到水下最大應力11.06MPa比許用應力42.5MPa要小。滿足水下耐壓殼電子艙的要求。從位移仿真圖來看，最大變形位移為0.1094mm，變形部分為耐壓殼電子艙圓柱筒壁中間部分。從安全系數仿真圖來看，耐壓殼電子艙仿真結果為藍色，表明安全系數符合要求。因此水下水下機器人耐壓殼電子艙其應力強度，最大位移強度變形和安全系數都滿足條件要求。

2 運動控制系統的設計

2.1 引言

運動控制模塊是水下機器人開展水下工作的核心模塊[12]。由運動系統包括機器人前行、后退、左移、右移、上升、下降等的方面的綜合運動。而本文水下機器人運動控制是基于以太網的陸地控制系統，原理就是以通過傳輸纜線將局域網內的控制運動信號傳給水下機器人，從而實現水下機器人的水下運動[13]。

2.2 控制原理

2.2.1 水下機器人電控系統

水下機器人控制系統主要由水下CSMA/CD技術局域網運動控制系統、傳輸信號的防水纜線、水下機器人運動模塊三部分組成。如圖7所示。運動模塊分為水平推進器和沉浮推進器，實現水下機器人前進、后退、左移、右移、下潛和上升等運動[14]。各個部分對電源消耗程度都有反饋環節，運動控制界面上時時顯示電源的存量情況，當電源電量存量不多時，水下機器人停止工作。

圖7 水下機器人電機控制系統

2.2.2 功率器件的選擇

隨著科學技術的不斷更新和發展，智能功率模塊應該顯著。它兼具著保護和驅動于一體。涵蓋著驅動電路、二極管和開關器[15]。智能功率模塊集成化高，結構緊湊縝密，體積小巧，能夠有效地避免由保護延遲和分布參數等其他因素產生的一系列技術性的難題，有可靠和安全性，保正了穩定輸出。

本文中的是功率器件TI和Digi-Key聯合推出的ARM單片機開發板——BeagleBoard，如圖8所示，它具有低成本、功能全面、體積較小且方便攜帶等諸多的優點，目前廣泛應用于開源教育等技術領域。

圖8 BeagleBoard驅動功率器件

BeagleBoard性能很好，功能完備齊全，其中最大的優點是它可以支持諸多開遠程序，面對不同的開遠等相關程序，都可以正常的工作。BeagleBoard驅動功率器件開發板周邊接口如圖8所示。

2.2.3 功率器件的選擇和使用操作

本文水下機器人的控制器選用的第三代Arduino Mega2560，其相關參數表和引腳結構圖如表3和圖9所示。

圖9 第三代Arduino Mega2560

表3 相關參數

操作上只需要連接好電腦的端口通過操作電腦，由電腦發出信號指令，則信號調制裝置進行信號調制工作，再通過雙絞線傳送至Beaglebone Black板上，Beaglebone Black板將傳輸來的信號在傳送給控制器模塊，控制器模塊接受來自Beaglebone Black板的信號指令，進行相應的信號整合再將控制信號傳輸給驅動器，驅動器根據控制器模塊所傳來的驅動信號驅動指定電機運轉，使整個裝置按照預先設定的方式進行相應的工作，其中可以通過對裝置進行檢測來實現電機的閉環反饋控制調節。

2.3 攝像頭

2.3.1 水下拍攝的重要性

攝像頭拍照技術是水下水下機器人的眼睛，跟人眼看事物一樣，水下機器人的水下圖像拍攝功能，用于觀察水下環境。將水上拍攝技術搬到了水下，攝像頭時時的水下拍照畫面會出現在水上操作控制臺的界面上，當看到水生生物時，結合激光測距技術，判斷距離長度大小。

2.3.2 攝像頭視角轉換功能原理和設計方法

原先可以調整水下機器人自身的姿態來實現不同角度的拍攝視角，這樣是通過對水下機器人的調節了，而且對攝像頭的調整。如果在有限的耐壓電子艙空間，對內攝像頭本身調節，使得攝像頭在機器人車身不動的情況下，自己進行不同程度的旋轉運動，旋轉的范圍是30°～150°，這樣就可以表現出在水下的拍攝視角的靈活性，可以得到不同角度的圖像畫面。

如圖10所示，攝像頭裝置中電動舵機旁邊連接著內側支架相。而在攝像頭整體裝置的尾部保留著一些縫隙，這樣使得內側支架在舵機的牽引下沿著水平方向轉動，與此同時內側支架和外側支架相互粘合連在一起，二者由卡口相互配合連接，從而帶動上側支架沿著水平方向一起轉動。攝像頭整體裝置整體安裝在上側支架上，所以攝像頭整體裝置也可以隨著上側支架沿著水平方向轉動。攝像頭整體結構左邊和外側支架之間有著虛約束，對安裝主側板可以起到很好的支撐作用，這樣使得攝像頭和各個支架板之間能很好的沿著水平方向轉動。這樣很好的體現出雙曲柄機構的運動原理，然后受安裝主側板的位置影響，整個攝像頭可以旋轉30°～150°的轉角，實現不同角度的拍攝。

圖10 攝像頭整體裝置

2.4 CSMA/CD技術局域網控制

CSMA/CD技術局域網（又叫以太網），它是一種基于局域網控制技術，把同軸電纜當做網絡媒介，利用沖突檢測機制和載波多路訪問技術，使得數據傳輸速率高[16]。它用處很廣泛，尤其在小范圍的控制系統中，以太網受到廣大的青睞，人們使用的多。其操作控制臺界面簡單、方便和快捷，而且運行速度快、效率高。制造和購買的價格很便宜，控制系統的信號傳輸速率特別高，能到達10MBPS。只要在操作控制臺界面中點一個指令，控制信號的另一頭會快速做出對應的操作。

本文水下機器人采用CSMA/CD技術局域網，對水下機器人進行運動控制。進入到水下機器人的控制系統操作界面的操作過程為：首先在電腦“開始”菜單欄中搜索“cmd”命令，將電腦“命令提示符”的操作界面調出，命令行窗口如圖11所示，然后在電腦的輸入法為英文輸入狀態時，在“命令提示符”的操作界面中輸入“Ping 192.168.254.1”程序語句，并按“回車”鍵，當電腦跳出“來自192.168.254.1的回復”等三行信息時，操作成功。

圖11 命令提示符操作界面

對電腦的局域網進行設置。關閉電腦無線連接的“Wi-Fi信號”進入到“以太網屬性”操作界面，此時Simulation軟件進行仿真分析求出耐壓殼電子艙仿真應力，跟理論計算值接近，滿足應力設計需求。

3 水下機器人的實物制造

3.1 水下照明燈和攝像頭的選型及制造裝配

3.2 激光測距

4 水下拍攝實驗

5 結語

在控制原理中，介紹了總體的運動控制總體框架圖，主要是CSMA/CD技術局域網控制驅動器進而控制防水電機帶動螺旋角的旋轉運動。分析了BeagleBoard驅動功率器件和Arduino Mega2560控制器的選擇、參數配置和優點的介紹。分析了CSMA/CD技術局域網控制，采用CSMA/CD技術局域網，通過控制器，改變電腦無線網的IP設置和子網掩碼，實現對水下機器人的運動控制，界面簡單，操作方便。

針對設計圖對實物進行了制造，在制造的過程中，介紹了水下水下照明燈的選型、攝像頭視角轉換功能原理與設計方法及攝像頭的選型及制造裝配。采用了激光測距技術，利用脈沖法原理方便測量水下機器人和水下生物之間的距離。最后對制造出的水下機器人進行了水下運動和拍攝實驗，運動狀態良好，拍攝的水下畫面清晰且視角靈活。