摘要:設(shè)計了一款基于樹莓派的小型水下機(jī)器人，并開發(fā)了上位機(jī)軟件，在上位機(jī)發(fā)送指令能控制機(jī)器人運動、參數(shù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，能極大方便用戶對養(yǎng)殖池的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測的需求。

　　關(guān)鍵詞:水下機(jī)器人;水質(zhì)監(jiān)測

　　中國是水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國，養(yǎng)殖總量占全世界70%以上[1]。在養(yǎng)殖過程中，經(jīng)常需要控制水體的溫度、PH值和含氧量等，使之適合魚類的生長，傳統(tǒng)方法是對水體樣本進(jìn)行采集然后檢測，不僅不方便，而且檢測不具實時性。本文針對上述問題，開展對水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與集成研究，開發(fā)出了一款較為實用的水下機(jī)器人。

　　1系統(tǒng)方案設(shè)計

　　系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計和耦合。硬件系統(tǒng)包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)和電路組成，軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)與機(jī)器人通過WiFi通信，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令后，機(jī)器人解析指令，然后執(zhí)行相關(guān)操作。

　　2硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)考慮安全性和實用性，要根據(jù)元器件的形狀、重量等因素，進(jìn)行精確計算和合理布置，使重心位于浮心下方以保證機(jī)器人有一定自平衡能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括對密封艙和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計[2]。密封艙是設(shè)備的搭載倉，應(yīng)保證其剛度并設(shè)計成流線型以減少阻力。密封艙還是主要的浮力材料，為保證氣密性和安全性，在接線孔處使用膠水灌封，在接口處采用密封圈密封，以實現(xiàn)防水效果[3]。推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是確定推進(jìn)器的數(shù)量及排布方式，這會使機(jī)器人具有不同的自由度及機(jī)動性能[4]。本設(shè)計使用4個推進(jìn)器，在水平面雙推進(jìn)器平行布置，垂直面雙推進(jìn)器對稱分布，使其具有良好的穩(wěn)定性。

　　2.2硬件電路

　　硬件電路設(shè)計應(yīng)保證穩(wěn)定性和抗干擾性，對元件的選擇主要包括:主控板、電源、推進(jìn)器、信號接收裝置和各類傳感器。主控板:選用RaspberryPi3B+，它能通過SSH、遠(yuǎn)程桌面或者顯示器連接顯示界面，能直接在界面進(jìn)行編程，對GPIO口進(jìn)行操作，還可調(diào)用強(qiáng)大的WringPi庫函數(shù)，其輸出穩(wěn)定、調(diào)試方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，滿足本設(shè)計需求。電源:選用20000mAh電源，續(xù)航時間長且充電方便，通過升壓模塊能滿足主控板、推進(jìn)器和各類傳感器不同的供電需求。推進(jìn)器:選用無刷直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，制動特性好，電機(jī)使用無刷電調(diào)驅(qū)動，因為電調(diào)可以精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和改變其旋轉(zhuǎn)方向。

　　在電調(diào)信號線與樹莓派GPIO口接線時應(yīng)加入光耦隔離器，防止電源不穩(wěn)定損壞樹莓派，也能抑制電調(diào)電流對樹莓派產(chǎn)生信號干擾。信號接收裝置:樹莓派自帶WiFi模塊，但電磁波在水中會被削弱，機(jī)器人只能在很小范圍接收到信號，搭載2.4G信號浮標(biāo)，能使機(jī)器人及時接收到指令。傳感器:搭載PH、溫度、濁度等傳感器，使機(jī)器人具備水質(zhì)檢測的能力;搭載深度傳感器，便于對不同深度水質(zhì)進(jìn)行記錄;搭載MPU6050傳感器，對自身姿態(tài)信息采集，通過PID算法調(diào)整姿態(tài)，防止偏移和側(cè)翻。

　　3軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1上位機(jī)

　　上位機(jī)主要實現(xiàn)指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲和預(yù)警功能。設(shè)定上位機(jī)為服務(wù)器端，使用Labview為開發(fā)工具，通過主機(jī)名或者IP地址與端口號建立偵聽，等待客戶端連接。界面中設(shè)置自主模式和遙控模式，在自主模式下，機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡運行并采集數(shù)據(jù)，在遙控模式下，機(jī)器人通過接收指令來完成一系列操作;當(dāng)數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)時，將顯示在頁面并存入數(shù)據(jù)庫，經(jīng)系統(tǒng)計算分析，參數(shù)若超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)則預(yù)警。

　　3.2下位機(jī)

　　下位機(jī)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸功能。下位機(jī)為客戶端，首先建立socket套接字，然后用bind函數(shù)綁定服務(wù)端IP地址，調(diào)用connect函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)送連接請求，當(dāng)服務(wù)器端接收并連接成功后，就可雙向通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。機(jī)器人接到上位機(jī)指令后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后改變輸出PWM，從而改變速度和方向，當(dāng)不確定因素導(dǎo)致機(jī)器人不穩(wěn)定時，機(jī)器人可以根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)應(yīng)用PID算法進(jìn)行自動偏航矯正;機(jī)器人收到下潛指令后，每下潛均勻深度時檢測水質(zhì)水質(zhì)檢測，然后按程序中設(shè)定的規(guī)則將所處的深度和各項水質(zhì)參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)，下潛一定深度或一段時間后自動上浮;機(jī)器人還能對電量進(jìn)行監(jiān)測，電量不足15%則自動上浮。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《機(jī)電信息》雜志由中國機(jī)械工程學(xué)會主管，《機(jī)電信息》雜志社主辦，江蘇省設(shè)備成套有限公司(原江蘇省成套局)協(xié)辦的公開發(fā)行的專業(yè)科技期刊，是機(jī)電行業(yè)展示科技成果、專家學(xué)者開展學(xué)術(shù)交流的平臺，也是宣傳企業(yè)形象、展示企業(yè)文化的一個重要窗口。國內(nèi)刊號CN：32-1628/TM;國際刊號ISSN：1671-0797，郵發(fā)代號：28-285。

　　4結(jié)語

　　本文介紹了一種基于樹莓派的小型水下機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)方法，從總體設(shè)計、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計方面進(jìn)行了闡述，分析了設(shè)計關(guān)鍵和設(shè)計過程中應(yīng)注意的相關(guān)問題，機(jī)器人性能良好，滿足水質(zhì)檢測要求，設(shè)計方法可供參考。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[4]高芬.一種小型消費級水下機(jī)器人的設(shè)計與實現(xiàn)方法[J].機(jī)電信息，2019(20):115-116.

　　作者：熊超付佳偉李海翔葛增元王文森胡玉甫