基于鋼架網箱清理控制系統的研究

張 浩 崔新忠 丁樹兵 尹 杰 盧佳樂 王雋屹 張津寧

大連海洋大學信息工程學院 遼寧大連 116023

隨著智慧海洋牧場的發展，網箱養殖在世界各地得到了迅速而持續的發展。伴隨著養殖網箱的發展，網箱長期浸泡在海水中，易受其他海洋生物的侵害，會有很多的海洋生物如大量的藻類、貝類往往會附著在養殖網外圍。目前，國內網衣清洗方式包括定期換網法、人工清洗法、升降下沉法、生物澄清法和機械清洗法等，存在清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低等問題。

基于目前清理方式所出現的缺點，我們將網箱清理裝置與水下機器人相結合，通過STM32系統來建立其控制系統，對其運動軌跡進行規劃，到達指定位置控制其清理裝置對目標區域進行清理，來達到自主清理的目的。

1 系統概述

鋼架網箱清理控制系統整體包括硬件部分和控制部分，硬件部分包括供電模塊、運動模塊、感知模塊、通信模塊。控制部分由上位機進行控制。其系統概述如圖1所示。

1.1 硬件結構的設計

鋼架網箱清理裝置的結構設計包括充氣倉(提供浮力)、密封艙、推進器、攝像頭、履帶、電磁鐵(提供吸附力)空化射流裝置。供電模塊：我們采用岸上供電，可以提供更長時間的續航能力，能夠長時間進行工作。運動模塊：利用STM32進行控制8個推進器提供推力控制其在網箱上各個方向的運動，底部的履帶提供動力，控制其前行。感知模塊和通信模塊處于密封艙之中，提供良好的密閉空間，保證電器系統安全運行。感知模塊通過傳感器進行傳輸數據，深度傳感器、姿態傳感器、漏水傳感器、攝像頭通過飛控進行數據的收集，同時飛控控制推進器進行方向上的改變。通信模塊：飛控與樹莓派相互連接到RS485有線通信進行與上位機的通信。空化射流裝置在其底部，實現對網箱的清理。結構設計如圖2所示。

1.2 控制系統設計

水下清理機器人總體控制方案是設計的核心所在，控制系統主要包括水上控制器、姿態控制系統、圖像控制系統、清理控制系統四部分。

1.2.1 水上控制器包括遙控器和上位機

通過QgroundControl設置器控制方式，GPS獲取運動空間坐標。控制器作為整個水下機器人的控制中心，一方面對傳感器數據進行融合，獲取水下機器人的運動狀態，在外界干擾條件下做出控制指令維持水下機器人機身自平衡；另一方面通過接收遙控器指令響應相應的動作[1]。通過線纜與水下控制系統相連接。

1.2.2 姿態控制系統

感知模塊與主控制器STM32構成姿態控制系統，感知模塊包括姿態傳感器、深度傳感器、漏水傳感器，水上部分包括STM32單片機、控制器、上位機控制軟件。如圖4所示。

姿態傳感器：在水中我們需要了解水下機器人是否保持平衡，我們需要利用MPU6050自帶的結算算法對機器人在水中的位置姿態信息進行實時監測，并根據傳輸的數據對水下機器人的姿態進行調整保證機器人的平穩運行。如圖3所示。

深度傳感器：MS5837壓力傳感器擁有IIC通信接口和SPI通信接口，內部集成壓力傳感器和溫度傳感器具有良好的防水性，可測量范圍水下100米范圍，廣泛應用在水下機器人中。

1.2.3 圖像控制系統

圖像采集的主控板選擇樹莓派，樹莓派通過控制舵機轉動從而控制小型云臺的位置，改變攝像頭位置。攝像頭則通過SCI接口直接連接到樹莓派，通過遠程連接將電腦和樹莓派相連，控制攝像頭完成響應的動作。

1.2.4 清理控制系統如圖4所示。

2 空化射流清理技術

空化射流清洗技術是將空化引入水射流技術而形成的一種新型水下設施清洗技術。通過控制壓力、流速等參數，在水流通過空化噴嘴時產生大量的空化氣泡，利用空化氣泡在材料表面的狹窄區域內潰滅產生高達140～170MPa的微射流沖擊，從而達到清潔設施表面附著物和污垢層的目的。與其他清洗技術相比，該技術不僅具有高效、節能、環保、安全等優點，而且具有不傷害設施基材、很少或完全不傷害完整防腐層的顯著優點。

2.1 吸附結構

如圖5所示。

要實現網箱的清理工作，需要電磁鐵的吸附作用將水下機器人固定在網箱之上。為了保證在穩態下提供足夠的保持力，并降低功耗，在電磁鐵兩端加了若干圓柱形的永磁；為了增大磁場吸力，在銜鐵兩端增加了端片，以增大銜鐵極面面積。如圖6為電磁鐵結構圖[2]。

2.2 清理方式

采用空化射流技術，通過增壓泵進行加壓，與水下機器人進水口相連接通過空化射流噴嘴噴出。空化是由于液流系統中的局部低壓(低于相應溫度下該液體的飽和蒸氣壓力)使液體蒸發而引起的微氣泡(或稱為氣核)爆發性生長[3]、發展和潰滅的現象。收縮管道內水流流動產生的空化現象如圖7所示。圖中表示一段收縮管道內的水流，上游壓力為P1，下游壓力為P2，收縮段壓力為Pc，水流速度為u，當地絕對壓力P[4]。

3 清理過程模擬演示

如圖8所示，清理裝置下潛到水中，T200推進器提供動力確保其在水中各個方向上移動，到達網箱附近，吸附于網箱之上，內部傳動裝置帶動履帶運動實現其在網箱上的運動。電磁鐵工作，吸附于網箱之上，通過設置相應的參數使其能夠在正常移動情況下實現穩定運行。利用空化射流來進行清理，加壓的水通過空化射流噴嘴實現清理功能。

4 網箱清理技術在漁業發展的應用

水產網箱養殖技術是近些年來發展的一種新型的養殖方式，在我國，海水網箱大量集中于港灣內，養殖密度高于海區的環境容量，在這種高密度的養殖條件下，安全有效的網箱清理可以減少寄生生物對網箱網衣的附著。缺乏安全有效的網箱清理方式會使魚類的生長受到影響，養殖環境自身污染嚴重，網箱內外水流不暢，引起魚病頻發，養殖魚種品質下降。目前國內網衣清洗方法有定期換網法、人工清洗法、升降下沉法、生物去除法和機械清洗法等，清洗周期長、清潔度低、清洗成本高、效率低。

通過水下網箱清理機器人代替人工，降低勞動強度，提高安全系數。利用空化射流清理技術，可以更好地對網箱進行清理；能長時間工作在水下，提高工作效率，清理更加可靠。這種水下網箱清理機器人能夠在深海進行遠距離操控，必然會發揮不可代替的作用。

結語

本文主要介紹了基于鋼架網箱清理控制系統的研究，將空化射流技術與水下機器人相結合，形成一個完整的清理裝置，通過控制器來控制其運行，QgroundControl設置器控制方式，GPS獲取運動空間坐標，利用姿態傳感器MPU6050來調整平衡狀態，深度傳感器MS5837對其深度進行實時監測，圖像采集的主控板選擇樹莓派，樹莓派通過控制舵機轉動，從而控制小型云臺的位置，改變攝像頭位置。攝像頭則通過SCI接口直接連接到樹莓派，進行遠程連接，將電腦和樹莓派相連，控制攝像頭完成響應的動作。利用PID算法設計器控制程序，控制水下機器人運行。到達目的地后，電磁鐵會吸附于網箱之上，空化射流裝置進行工作，通過空化射流噴嘴實現對于網箱的清理。網箱清理技術能夠更好地服務于現代化海洋牧場，推動中國海洋漁業的發展。