南京工程学院南京 江宁 211100
摘要：针对海参捕捞场景本项目提出了一种便捷有效的机械，软件及硬件综合解决方案，利用本项目设计的水下机器人可以灵活有效的捕捞海参。
关键词：水下机器人，海参捕捞，机械臂
一、研究内容
此项目主要研究如何控制水下机器人的运动，以及水下机械臂控制。
二、系统框图
系统组成
海参捕捞水下机器人主要由地面站，网线，网口转串口模块，分电板，Arduino单片机，电子调速器，四个电机以及两个舵机构成。
主要流程
地面站通过网络通信，由网口转串口模块实现网口通信与串口通信的转换，将地面站发来的控制指令通过串口转转发下位机，下位机解析控制指令，从而控制四个电机的转动及两个舵机的角度，由此实现对水下机器人的操控。
四、机械结构
由镁铝合金型材搭建的机械框架，具有密度小，强度高、刚性好的优点，对整体构件的设计十分有利，而且韧性好，减震性强。前方夹子部分是由铜片加工而成。两个半圆形铜片微微下折，又因为铜片较薄，可以轻松从海参底部穿过，把海参托起。机器后方固定了铁质配重块，以抵消舱内空气带来的浮力，是重心大致在机器的中央。机器上方浮漂由聚苯乙烯材料制成，具有较大的浮力。
五、硬件系统
1.主要部件
1）Arduino nano单片机
Arduino Nano是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是没有电源插座以及USB接口是Mini-B型插座。Arduino Nano是尺寸非常小的而且可以直接插在面包板上使用。其处理器核心是ATmega168(Nano2.x)和ATmega328(Nano3.0)，，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），8路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个mini-B USB口，一个ICSP header和一个复位按钮。
2）网口转串口模块
实现TTL串口与有线以太网双向透明传输。工作模式有：TCPServer模式，TCP Client 模式，UDP 模式。可延长串口通信距离，将近距离的串口传输转成网路传输。工作电压为5.0—7.0V，平均工作电流为150mA,最大工作电流为160MA。波特率在300—115200之间，数据位为5,6,7,8，停止位为1,2。可在0-65度的温度下工作，在-25—85度的温度下保存。采用NXP品牌芯片及32位ARM芯片，具有运行速度快，模块稳定，系统无故障的优点。
3）双路可调电压集线板
带双路BEC输出的分电板,采用加厚铜箔,表面沉金处理,Biggest支持100A电流通过,高效率的双路BEC电路结构,支持6S锂电输入,一路出厂即12V,另一路采用可调方式,使用者可以实际需要自行调整,支持3-20V可调,每路BEC支持2A稳定输出(加散热片可以达到3A稳定输出)。
4）双向无刷电机电调
具有刹车能力，体积小，过电能力强，暴力，响应迅速，性能稳定。重量轻,带线重量仅为10.3克，在同类电调中具有更轻优势；F390主控芯片， Mos芯片结合三合一IC驱动，效率更高，反应速度和油门响应速度提升一倍，极速响应；支持Damped Light，使电机减速更迅速，灵敏迅猛刹停，主动续流技术，让电池回收电量，延长航续时间；高效低耗，电调在待机不会产生自热。
5）ROV推进器 水下电机
潜水电动机与泵组合使用，或由潜水电动机轴伸端直接装上泵部件组成机泵合一的产品。潜入井下水中或江河、湖泊、海洋水中以及其他场合水中工作。具有体积小、重量轻、起动前不需引水、不受吸程限制、不需要另设泵房、安装使用方便、性能可靠、效率较高、价格低廉、可节约投资等优点。
6）Hitec HS-646WP 防水舵机
该舵机重60g，体积为41.8mm×21.0mm×40.0mm，工作电压为 6V-7.4V，，无负载速度：0.20 秒/60 度(6V);0.17 秒/60 度(7.2V)，扭矩大小为 9.6Kg?cm(6V) 11.6Kg?cm(7.4V)，工业级ip67防水等级，双滚珠轴承，输出齿由两个滚珠轴承支撑7.4v高电压，可用2s锂电池组直接供电，下扭力达到11.6kg／cm。其马达类型为3对极马达，采用了双滚珠轴承，具有摩擦力较小，漏油量少的优点。
7）推进器浆叶
螺旋桨的直径为60毫米，并产生约2KG的向前推力和1.2KG的反推力。浆叶为注塑磨具生产，精度稳定；采用防紫外线高强度原料，具有足够的推力与强度。
2.能源系统
12V稳压单电源通过脐带缆链接到水下机器人的分电板上，分电板转出5V电源为Arduino nano和四个电子调速器供电，同时给四个推进器供电。
3.通信系统
通信系统由Arduinonano,网口转串口模块，网线以及路由器组成，通过本地局域网实现数据库传。其中地面站与网口转串口模块通过网线相连，网口转串口模块链接Arduino nano 单片机。上位机通过网线和模块实现对下位机的串口通信，下位机在接受上位机发来的指令后，进行解析，并通过串口通信将舵机控制指令发往四个电调，电调结束到数据后，执行命令，调制4路PWM信号控制四个电机，由此实现用户对水下机器人的运动控制。此外两个舵机直接接受单片机发出的命令，实现对机械臂以及尾鳍的控制
4.控制系统
控制系统主要由 Arduino 单片机，四个电调组成。当 Arduino 单片机收到通过网线发来的地面站控制数据后，解析并通过串口转发给四个电调，电调收数据后直接执行，通过对4路输出的 PWM 波形控制来实现对四个推进器的控制。两个舵机直接接受命令，实现对机械臂以及尾鳍的控制。
5.机械臂
由舵盘连接机械爪，机械爪分为上下两部分，上下两部分机械爪由镁铝合金片链接固定。下部机械爪底部链接两个半圆形铜片，用来托住海参，同时用六条铜片一栅栏式排布链接半圆形铜片与下部机械爪，加固了机械臂的稳定性，减小水中阻力，防止海参中途掉落。舵机转动带动下部机械爪张开与闭合，进而实现了控制整个机械臂抓取海参的动作。
六、软件流程
七、实验结果
地面站操作人员通过操作手柄，控制水下机器人的电机转速和舵机角度，实现机器人在水中上升下降，前进后退，左转右转三个自由度的空间运动控制，以及前主机械臂夹具的角度控制，从而捕捞海参。
八．作品存在问题及解决方案
1.通信问题
问题：起初采用长距离串口通信，因为线损导致传输信号不稳。
改进：摒弃此传输方式，改为网口转串口模块，使用网线进行数据传输。从而增加了传输带宽，提高了传输效率，讲题了传输误码率。
2.机械臂问题
问题：起初打算采用机械手夹取海参，为了增大夹取海参的牢靠性，我们使舵机打到距离海参最小尺度小10度的数值。这样对舵机伤害很大，而且只能竖直夹取海参，也增大了海参中途掉落的可能性，大大减小了队员夹取海参的成功性。
改进：采取了抱持式机械臂，底盘呈圆形 。防止了对舵机的损伤，同时增大了海参的捕捞范围，队员可以360度夹取海参，提高了效率，避免了中途掉落的可能性。
3.配浮问题
问题：由于机械臂在前方，电位舱（为密闭舱体）在后方，下水后及其后方会浮起，固浮漂在机器前部。使得机器下水后捕捞海参的机械臂微微上扬，增大了捕捞的难度，甚至放置在台子上的海参无法夹取。
改进：采取在机器鱼后部放置配重块的方式，是机器的重心在中部。浮漂采用三角形，减小了水中阻力。使机器鱼在水中水平悬浮。
九、参考文献
[1]徐玉如, 李彭超. 水下机器人发展趋势 [J]. 自然杂志, 2011, 03): 125-32+2.
[2]熊光辉. 基于Android平台手机远程监控系统的设计与实现 [D]; 电子科技大学, 2012.
[3]蒋新松. 水下机器人[M].出版社：辽宁科学技术出版社，出版年份：2000
[4]梅隆. 机器人学导论[M].出版社：科学普及出版社，出版年份：2008
[5] 宁凡. 日本机器人学会[M].出版社：人民邮电出版社，出版年份：2015
[6]谢斌. 机器人学[M].出版社：清华大学出版社，出版年份：2015
论文作者:覃发奇1 刘胡进2 夏靖研3 冯志婷4 古成5
论文发表刊物:《科技新时代》2019年3期
论文发表时间:2019/5/9
标签：海参论文; 舵机论文; 串口论文; 水下论文; 机械论文; 机器人论文; 地面站论文; 《科技新时代》2019年3期论文;