水下行走平台设计下位机部分毕业论文.docx
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水下行走平台设计下位机部分毕业论文
毕业论文（设计）
题目：
水下行走平台设计（下位机部分）
水下行走平台设计（下位机部分）
摘要
水下行走平台的研究为水产养殖的环境监控提供了数据采集平台，对提高养殖质量有重要意义。
本文进行了水下移动平台的结构设计。
以STC公司的STC89C52单片机为核心控制单元，实现了对水下行走平台的直线、转向、潜浮等的运动控制。
通过无线接收和发射模块实现上位机（PC）与水下行走平台的通讯、上位机对水下行走平台的运动控制以及将采集水下信息发送到上位机等功能。
该设计主要由L298N电机驱动、LM2596稳压模块、MG995舵机、单片机最小系统等模块组成。
通过无线模块接收到上位机指令控制L298N驱动电机带动涡轮推动水下平台在水下行走，水下平台下方舵机带动尾翼控制水下平台转向，水下平台左侧及右侧舵机分别带动左右翼控制水下平台下潜与上浮。
通过水下试验，证明本设计可以进行水中基本移动功能。
关键词：
水下行走平台；单片机；舵机；无线通讯
Underwater WalkingPlatform （Lower Machine）
Abstract
ProvidesdataacquisitionplatformenvironmentmonitoringunderwaterwalkingplatformresearchforaquaThesearchofunderwaterwalkingplatformprovidesdataacquisitionplatformfortheenvironmentofaquaculture.Ithasimportantsignificancetoimprovethequalityofaquaculture.Thispaperdesignsthestructureofunderwaterwalkingplatform.TakingSTCcompany’sSTC89C52microcontrollerasthecorecontrolunit,realizingthemovingcontrolofunderwaterwalkingplatform,suchaswalkingstraight,turnaroundandsnorkeling.Throughwirelessreceivingandsending,achievingthecommunicationofpcandunderwaterwalkingplatform,themovingcontrolofunderwaterwalkingplatformandgatheringunderwaterdataandsendingdatatopcandotherfunctions.thedesignismainlycomposedofL298Nmotor,LM2596voltageregulatormodule,MG995servomotor,MCUminimumsystemmodule.ThewifireceivingorderofpctocontrolL298Nmotor,itdrivesturbinetowalkingunderwater.TheSteeringenginebelowenginebodydrivesempennagetocontroldirection.Theenginebody’leftsteeringenginedrivesleftwingdiving.Theenginebody’rightsteeringenginedrivesrightwingcomingup.Theunderwaterexperimentprovesthatthisdesigncanbecarriedoutinbasicmovingfunction.
Keywords:
mobile platform underwater; singlechipmicrocomputer; actuator;wirelesscommunication
1、绪论
1.1选题背景及研究意义
随着人类社会科学技术的不断开拓与创新，人类不得不加强水资源的进一步开发和利用以满足人类生活生产的需要，以此来保证人类未来的生活能够更加舒适，因此我们就更加需要深入的了解水的基本特性才能对水资源进行更深入的开发拓展和创新利用。
而人类本身不能长期置身于水中去采集了解水下的信息，因此为了更加方便地了解水下的信息各种水下机器人应运而生，但是目前为止，还没有成熟固定的水下机器人设计方法。
其中除了在军事、科研等领域的应用外，在现代水产养殖等行业也迫切需要水下机器人来进行水下信息采集和处理。
水下机器人的形式有仿生鱼式、潜水艇式、动物行走的方式等多种形式。
本设计是以潜水艇的机械结构为基础，通过论述水下机器人的构成、排水量的初步估算、艇形选择、重量重心的计算、浮力浮心的计算、阻力的测定与计算、有效功率的计算等阐明了水下行走平台基本的设计思路。
设计水下操作平台，可以在水中自主自由行走，通过相应的传感器检测水中的各种情况，比如水的温度、水流速度、PH值、污染物、障碍物、外来物种、水底地形等，并且能够特殊水域代替人类在水下作业，完成特殊的任务。
1.2国内外发展概况
国外水下机器人技术的发展相对于国内来说起步比较早发展比较快速，而且技术比较先进，其中是以美国、日本以及西方欧洲等的发达国家为主。
对于水下行走平台的设计业有不同层次的研究，目前相对来说较为成熟稳定的水下机器人主要有仿生鱼形、椭圆形、圆筒形等几种形式。
美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。
1989年，美国人HenryStommel在海洋学杂志（JournalofOceanography）上发表了一篇题为“TheSlocumMission”的论文[1]，开启了水下滑翔机的平台。
1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼（Rl0botun）[2]。
1998年，又推出一种仿黄鳍金枪鱼的水下行走机器人，长8英尺，重300磅，这是利用现代自动控制技术以及各方面的综合应用开发出一种能够利用机械结构的涡轮推动产生涡流控制推进的自主运行的水下机器人[3]。
日本，20世纪90年代初，名古屋大学ToshioFukuda教授开始了微型仿生鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体波动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鳍微型机器鱼[4]。
鱼类行为学家的研究表明，大多数鱼类把身体当作推进器,身体左右摆动击水，利用其产生的反作用力使鱼体向前推进[5]。
目前，仿鱼推进技术的研究还没有达到实用程度，针对理论研究和性能验证的机器鱼设计正在实验空进行从体积的角度来划分，可分为常规机器鱼和微小型机器鱼，常规机器鱼的研究与开发，旨住设计一种快速，高效、可操纵的水下推进装置，试图从水下潜器和水下机器人领域取代螺旋浆等常规推进器[6]。
还有另外一种推进器方式是喷水式助推器，喷水推进器利用推进泵喷出水流的反作用力作为动力。
喷水推进装置的导管不仅起到了分割流场、产生推力增值的作用，而且可使推进泵的叶轮在均匀的流场中工作，在高速范围内有更好的抗空泡性能，因而达到更高的效率。
喷水推进的效率主要取决于推进泵效率和喷水系统效率[7]。
2004年8月，北京航空航天大学机器人所和中科院自动化所合作研制出实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探测[8]。
哈尔滨工业大学在国家自然科学基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，2006年他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF—I”[9]。
但是目前国内外研究的水下机器人、潜水器等设备大多是应用在科研和军事领域，且其造价成本都很高，对于普通的水产养殖、水库环境观测的小型的应用来说难以去购买和应用这些设备，因此需要设计一款成本相对来说比较低，能够在水下行走，能够检测基本的环境数据，为水产养殖等提供参考数据。
1.3研究内容及目标
研究内容：
1．设计水下行走机械结构。
需要设计水下平台行进的推动涡轮机构部分的设计，及水下行走机构的转向及下沉上浮机构的相关设计，使整个机构能够稳定在水下行走。
要求选择合适的水下平台材料，以及机构形状设计，并进行相关的实验，以确定哪种材料是最合适的，哪种形状结构式最可行的，确立具体的水下行走的整体的机构设计。
2．设计相应的控制电路。
在水下平台内部设计完成相关单片机最小系统的设计，以及其外部辅助电路的设计。
包括电机驱动器，稳压电源模块的设计，以及舵机驱动器的设计，调试并完成整体性能要求以配合整体机械结构完成水下行走的目标。
3．设计通讯及控制软件。
选择较为合适的无线通信模块，并完成上下位机的通讯。
并与上位机位机进行调试完成控制代码及参数代码的转换工作。
研究目标：
本设计采用STC89C52系列单片机控制系统调试并完成水下行走平台与上位机软件通讯、以及水下行走机构的设计。
包括水下平台外壳设计与内部硬件设计和内部电路设计。
通过与上位机的调试达到上位机自由控制水下平台在水下稳定行走并可以进行前进后退、上下潜浮、左右转向等的工作，以及水下平台在水下采集水中环境的信息并发送水下数据到上位机，并由上位机进行处理并显示与存储数据，为实现水下养殖与检测设备研究奠定基础。
2、方案及论证
2.1控制单元模块
方案一：
采用STC公司的STC89C52RC系列的单片机最小系统板作为控制单元。
主要用于接收采集无线模块数据指令，进行相应的计算数据处理计算后得到相应的控制参数，然后发送至I/O口执行相应的指令，完成相应动作，完成水下平台运动要求。
方案二：
采用意法半导体的STM32F103作为控制单元。
主要用于接收采集无线模块数据指令，进行相应的计算数据处理计算后得到相应的控制参数，发送至I/O口执行相应的指令，进行相应动作，完成水下平台运动要求。
方案比较：
方案一中STC89C52系列单片机是一种8位单片机，在低端应用方面,8位单片机是满足绝大多数的对象控制要求的最佳选择。
在实际工作中并不是都要求计算机有很高的性能，工业控制更是如此。
在绝大多数场合，传统电子系统智能化、自动化的要求并不是很复杂，8位单片机完全可以解决问题。
如采用高性能的16位机、32位机，不仅是一种资源浪费，而且延长了开发周期，提高了成本[10]。
并且STC89C52系列单片机能量消耗低、相对于其他低价格的单片机，性价比比较高。
操作方便，并且可以采用C语言进行程序编写简单，所用的成本非常低，虽然最小系统体积小功能齐全，非常符合此系统水下平台设计的控制参数等的要求。
方案二中STM32F103虽然功能较STC89C52RC系列单片机的功能齐全，而且功能非常强大，但是相对来说花费的成本比较高，并且STM32F103最小系统板比较大，此次涉及的系统水下平台体型较小，因此不适合本设计使用。
因此选择方案一。
2.2动力驱动模块
方案一：
采用SGS公司的L298N作为涡轮电机的驱动模块，驱动涡轮推动水下平台行走。
方案二：
采用Infineon公司的BTN7960作为涡轮电机的驱动模块。
方案比较：
方案一中L298N驱动是ST公司生产的一种电压承受等级相比较高、电流相比较大的电机驱动芯片。
额定功率可以达到25W左右。
此芯片采用的是标准逻辑电平作为控制信号；它具有两个使能控制端，使用L298N芯片驱动电机可以同时驱动两台直流电机。
在使用的电路设计中需要通过光电耦合器进行隔离，使其抗干扰能力更强，PWM脉宽可以进行平滑调速，并且可以实现正反转的不同控制。
而且价格相对便宜，基本符合设计要求。
方案二中BTN7960驱动能力较L298N强，但是控制直流电机的正反方向转时需用两个驱动器才能完成，并且成本相对L298N来说较高。
因此该系统水下平台的电机驱动模块需要选择方案一作为主要实施方案。
2.3电源模块
方案一:
采用LM2596可调节的稳压芯片作为系统稳压电源
方案二：
采用LM7805作为系统稳压电源
方案比较：
由于水下阻力较大，对系统稳定性要求较高，且系统内部带有三个舵机，舵机稳定运行需要稳定的电源供电，保证系统安全稳定运行，LM7805仅可给CPU供电，满足不了系统要求，并且通过试验证明LM7805提供的电流不足以给舵机提供足够功率，而LM2596能够同时为三个舵机提供稳定电压供整个系统水下平台的转向使用，因此采用LM2596作为稳压模块的稳压芯片，本系统水下平台的电源供电模块需要选择方案一作为主要实施方案。
2.4潜浮方式
方案一：
采用垂直方向涡轮转动的反作用力推动水下平台下潜，其实物如图2-1所示。
图2-1涡轮式潜水外观图
方案二：
采用水下平台内置气囊的方式。
通过吸排水改变水下平台自身密度实现上下浮动。
该方法需要选择合适的水泵作为吸排水的工具。
由于需要完成吸水及排水的工作因此需要采用齿轮式水泵，齿轮式水泵可以通过电机正反转实现正反方向吸排水，操作简单，缺点是功率较小，耐压力小，而普通柱塞是水泵功率大，耐压力大，但是正反向吸排水较困难，因此该方式采用的是齿轮式水泵，实验实物如图2-2所示。
方案三：
采用水下平台左右两侧安装舵板的方式。
通过机翼倾斜的角度，在水下平台前进过程中，由于水的反作用力而下潜。
实验实物如图2-3所示。
图2-2气囊式潜水实物图
图2-3舵板式潜水图
方案比较：
方案一中在垂直方向安装涡轮的方式需要涡轮的驱动电机具有足够的扭矩以及转速，性能要求较高，且水下平台采用内置7.2V电池供电，在实际的试验中发现内置电池不足以同时为三部涡轮电机提供足够的扭矩来推动水下平台下潜，且电机消耗过大导致系统不能正常工作。
方案二中内置气囊通过吸排水改变水下平台密度使水下平台能够稳定在水下某个位置，效果较理想，但是通过试验结果分析气囊式需要性能较高的齿轮式水泵完成吸排水工作，但是由于吸排水过程导致水下平台内气压发生变化，可能造成水下平台漏水，损坏控制电路，造成系统崩溃。
但在防水工作做好的前提下优先采用该方案。
方案三中采用水下平台两侧安装机翼的方式能够改变水下平台行进角度在助推器的推动下能够完成潜浮的动作要求。
因此水下平台的潜浮模块选择方案二和方案三作为主要实施方案。
2.5配重方式
方案一:
采用内部负重的方式。
在水下平台内部填充配重物体，以改变水下平台自身密度，从而达到改变水下平台在水中的临界位置。
图2-4内部负重方式图
方案二:
采用外部负重方式。
在外部下侧夹带负重腔，可以随时添加或除去配重物体，方便在调试阶段，以及在不同水质不同密度下随时改变自身密度，改变潜浮的初始位置。
图2-5外部配重方式图
方案比较：
方案一中采用内部负重的方式，既保持了水下平台具有良好的平衡性，又减少水中阻力，并且外表较为美观。
但在不同水质环境下，水的浮力不同在改变自身密度方面较为复杂。
方案二采用外部负重的方式，能够随时改变水下平台负重，从而较方便的改变水下平台的密度，以达到理想漂浮效果。
但外部负重极易造成水下平台受到阻力，且易发生缠绕，造成系统崩溃。
所以采用方案一较为合适。
2.6无线模块
方案一：
采用SRWF-1无线串口通讯模块。
进行上位机与下位机的通讯，完成对水下平台运动的控制功能的实现，并且将传感器测得数据传送到上位机。
图2-6RWF-1无线模块
方案二：
采用NRF2401无线模块进行上位机与下位机的通讯工作。
图2-7NRF2401无线模块
方案比较：
方案一中选用SRWF-1无线串口通讯模块。
鉴于系统水下平台在水下运行，信号的传送需要非常稳定以保证系统能够正常运行，SRWF-1系列无线模块有长达15cm左右的外置天线，可以通过导线接到水下平台外部减少了水对信号的干扰和屏蔽作用，传输距离最远可以达到2000米，且为串口通信方式，使用简单，使用的I/O也相较少。
而方案二中使用的NRF2401无线模块传送距离为200米，且须在无遮挡物的状态下，并且对NRF2401的控制需要8个I/O，占用的I/O口较多，并且传输距离较短信号较弱，不符合系统水下平台的设计要求。
因此采用方案一。
2.7水下平台转向部分设计
方案一:
水下平台转向采用船舵的方式。
在水下平台下后方安装12*10的矩形板，利用矩形板的方向的偏转，产生反方向的作用力，同时配合水下平台主涡轮助推器，推动水下平台方向偏转，完成转向的动作。
图2-8转向舵机
方案二:
水下平台转向采用涡轮推动的方式。
在水下平台前方左右两侧安装可以正反转的涡轮，通过涡轮转动推动水流，产生反作用力从而推动水下平台配合主涡轮助推器完成水下平台转向。
图2-9转向涡轮
方案三:
水下平台转向采用水泵正反向吸排水推动水流的方式。
在水下平台内部安装水泵通过吸水以及排水产生的反作用力，配合水下平台主涡轮助推器完成转向的动作。
图2-10水泵吸水口及排水口图
方案比较:
上述方案一中船舵的方式较易安装和调试，也可及时观察其运行过程中状态，方案二中的涡轮推动的方式作用效果明显，动力充足，但是由于水下平台是在水下运行，须做好防水方式措施，经过一系列实验该方案中需采用大功率特种防水电机，其成本相对本设计的要求较高，且体积较大。
方案三中水泵吸水以及抽水产生的反作用力与方案二中效果相似，也需要较大功率的水泵才能完成。
因此需采用方案一中的船舵的转向方式较为合适。
3、系统总体设计
3.1系统总体硬件电路设计
系统水下平台内部电路由电源模块、单片机最小系统模块、电机驱动模块、DS18B20温度检测模块、SRWF-1无线收发模块等组成。
其中电源模块作为系统内部的动力来源，主要为单片机最小系统及舵机和SRWF-1无线模块供电，保证系统水下平台控制与接收发射部分正常运行。
L298N则作为执行机构，带动涡轮转动，推动水下平台前进。
SRWF-1作为串口无线通讯模块用于接收上位机（PC）通过串口发送的指令，将数据传送给单片机最小系统并进行数据处理后执行相应指令动作。
系统电路总体原理图如图3-1所示：
图3-1系统总体电路设计原理图
3.2系统总体软件设计
3.2.1总体控制电路设计
图3-2系统总体控制设计图
首先由上位机通过软件发送控制指令，并通过串口无线模块发送，由下位机通过串口无线模块接收到数据指令，下位机的单片机接收到指令后进行相应的数据处理，分析SBUF的数值，执行相应的动作指令，完成水下行进以及数据采集等动作。
由于水下阻力较大，因此需要采用大功率电池以保证电源有较大电流输出，以保证系统正常运行。
3.2.2总体程序设计流程图
图3-3系统总体程序流程图
系统首先在上位机软件控制界面点击对应的按钮发送相关指令，在接收到上位机发送的数据指令后单片机最小系统会产生串口中断。
在串口中断产生后，将数据缓冲区SBUF的值赋给临时变量Temp将数据存储，数据存储之后继续等待下一次中断产生，同时开始扫描Temp的值，判断是什么数据以及对应的指令，执行相应的动作，完成整个系统工作流程。
4、系统各部分硬件设计
4.1稳压电源模块设计
因水中阻力较大，舵机带动转向舵板转动受到较大阻力，需要稳定的电压以保证舵机能够正常运行。
因此稳压电源模块采用直流7.2v大功率电池转换为5V电压。
该稳压电源模块采用LM2596稳压芯片经7.2V电源转换为5V稳压电源，主要为转向舵机及CPU提供稳定电压，以保证系统正常运行。
电路原理图及实物如图4-1所示：
图4-1稳压电源模块原理图及实物图
4.2驱动模块设计
由于水下阻力较大，涡轮推动水下平台前进过程中，需要电机能够提供充足动力，且不能因转速过快导致电流过大而烧坏电机以及驱动。
因此采用L298N驱动模块作为电极的驱动器来驱动直流电机，带动涡轮，推动水下平台行进。
由于阻力较大，需采用光电耦合器进行电气隔离，以保护电路正常运行而不被烧坏。
电路原理图如图4-2所示：
图4-2L298N驱动模块原理图
4.3温度检测模块设计
在完成水下运动平台的运动部分的控制的前提下，需要进行对水下信息的采集，其中最基本的水下环境的检测参数是温度，鉴于其他环境参数的检测传感器，例如：
PH值，浑浊度，氨基酸，磷含量等成本相对较高，因此优先测量水下温度参数。
并通过单片机进行数据处理后，通过SRWF-1无线模块发送至上位机，由上位机进行数据处理，并进行存储。
该部分采用直插式的DS18B20作为水下温度检测的传感器，DS18B20体积很小适合系统水下平台体积小的特点，能量消耗低，不会在使用中消耗过多能量而影响水下平台其他部分功能。
其电路原理图如图4-3所示：
图4-3DS18B20模块原理图
4.4单片机最小系统设计
采用STC公司的STC89C52RC系列的单片机最小系统板作为控制单元主要用于接收和发送无线模块数据指令，并进行相应的数据处理得到相应的控制参数，执行相应动作，完成水下平台的运动要求。
该芯片是比较常用的8位单片机，可以采用C语言编写程序，使用简单，最小系统原理图较为简单。
其电路原理图如图4-4所示：
图4-4STC89C52单片机原理图
4.5无线模块设计
鉴于水下平台在水下运行，信号的传送需要非常稳定以保证系统能够正常稳定运行，SRWF-1系列无线模块传输距离最远可以达到2000米，且为串口通信方式，编写程序方便使用简单，使用的I/O仅有TXD和RXD，操作方便。
因此采用SRWF-1系列串口无线模块。
无线串口通讯模块的系统原理图如图4-5所示：
图4-5无线模块原理图及实物图
4.6下潜方式部分设计
1.气囊式潜水。
此方式是根据现代潜水艇的工作原理通过吸排水改变水下平台密度从而实现上下浮动以及停留在水下某个位置，采集对应的信息，其工作流程如图4-6所示：
图4-6气囊式潜浮工作流程图
测量得到水下平台长度为40cm，直径为11cm，气囊的长度为14cm，直径为10cm，则由规则物体体积公式求得气囊的体积为：
公式（4-1）
则对应的水的重量为：
公式（4-2）
则在初始阶段完全排出空气时，忽略气囊自身体积，气囊体积减小785cm3，此时水下平台密度不变，当气囊通过齿轮式水泵吸水后密度变大，在配重达到漂浮在水面的临界水平条件下，水下平台下潜，到达某个临界位置，具体的吸水程度与下潜程度对应的数据如表4-1所示：
表4-1气囊式潜浮吸水程度与下潜程度表
吸水程度
气囊体积减小（单位cm3）
下潜深度（单位cm）
续航时间（单位min）
20%
157
5
30-40
40%
314
20
30-40
60%
471
50
30-40
80%
628
70
30-40
100%
785
80
30-40
注：
1.试验地点：
本校人工湖2.由于试验地点在水下测试过程测量困难，以上数据为根据现场试验情况估测
试验相关图片如图4-7所示：
图4-7气囊式潜浮下潜过程图
2.舵板式潜水。
该方式是根据飞机机翼的原理，采用舵机连接水下平台左右两侧的舵板，通过转动角度改变受力方向，而使水下平台完成下潜的动作。
舵机的初始位置为90°位置，其工作流程图如图4-8所示：
图4-8舵板式潜浮工作流程图
舵板倾斜后根据正交分解对舵板进行受力分析得到舵板的的受力原理如图4-9所示：
图4-9舵板正交分解受力原理图
在助推器的推动下，水下平台前进或后退过程中，当舵板转动
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