十字式球形深水网箱监测机器人的系统设计

吴海洲 王慧 黄瑞桂 邹子东 杨华鑫 严谨 陈春雷

摘   要：文章结合四轴飞行器运动模型，设计制作了一种对网箱养殖动态监测的十字式球形网箱机器人系统。该网箱机器人监测系统由Web网页上位机、通信中继和水下球形机器人构成。用户可随时随地通过网络登录Web网页上位机远程操控机器人，可通过数据平台获得水下实时高清视频和各个水质数据。相比传统人工网箱水质检测，该机器人不仅操作简单、水下运动灵活、优化结构和性能，而且可以动态、实时地监测到水下养殖环境的变化，制作成本低廉。还可用于海洋科考或军事领域。

关键词：十字式运动系统;球形水下机器人;实时传输;深水网箱;PID控制

随着海洋资源开发的深入，水下机器人的应用越来越广泛。水下机器人作为人类探索深海环境的主要工具，具有机动性能好、可操作性强、无人员伤亡风险等优点，一直以来受到各国的重视，近年在海洋资源开发、深海探测等方面发挥了重要作用[1-2]。而深水网箱养殖资源开发正是水下机器人大放光彩的舞台，深水型网箱（围网）养殖是我国对深远海水体资源利用的重要途径，同时，也是实现海洋渔业均衡可持续发展的方向[3]。深水网箱养殖不仅节约了养殖资源，还获得了较高的产出[4]，但由于多变的海洋气候，使得网箱动态监测和实时数据采集尤为重要。

虽然海洋资源开发领域越来越受到重视，但事实上，目前，市场上一些水下机器人，大多都是经过简单的机械加工与防水工艺的处理组装而成，不仅使用场合受限、可拓展性不强，而且功能单一，只能进行一些简单的水下任务[5]。而本球型水下机器人（Spherical Underwater Robot，SUR）创新性地采用ARM框架下Cortex-M3芯片的STM32单片机和Cortex-A5系列的Raspberry 3B+（树莓派3B+）单片机将机器人计算模块和运动模块分开，同时采用了十字式球形运动系统使得机器人运动更为灵活。机器人的运动简单化、操作简单化，使其适应水下环境的能力大大增加，为网箱养殖作业打下便捷、适用的基础。机器人的运动信号和视频推流通过通信中继转发，通过手机浏览器或PC网页端直接登录Web网页上位机远程显示。数据实时化、数据动态显示使得网箱管理者可直接观察水下环境，大大降低人员操作复杂度、方便养殖管理。

1    系统框架设计

如图1所示，该球形水下机器人按其功能结构可划分为上层的Web网页上位机（也可发布至云端或数据发布平台）、指令信号和数据的转发模块—通信中继、网箱内部作业的球形水下机器人。这3个部分共同组成整个养殖环境监测的水下机器人作业系统框架。

该机器人可实现信息采集、处理和反馈以及接收并运行Web网页上位机发来的控制指令，实时进行视频。水下机器人使用Raspberry 3B+负责实时上传传感器数据信息，视频推流和机器人运动反馈的状态信息。通信中继负责接收水下机器人上传的数据并将收到的数据转发给网页上位机。其中控制指令信号通过无线路由局域网传输给Raspberry 3B+（树莓派3B+），树莓派接收指令，整合传感器信息，然后通过串口通信对STM32单片机发布运动指令，STM32接收到指令信息后，直接通过TTL电平来驱动底层电机运动。

2    十字式球形运动系统设计

球形水下机器人是一种将控制系统和电源模块等都包含在一个球形壳内的水下机器人系统，由于结构特殊，相比其他机器人有很大的优势：（l）耐压性能好，相比起其他形状的机器人，球体完美的圆形設计能均匀地承受水下巨大的压力。（2）流体动力学计算无耦合，其外形的对称性使其进行流体动力学建模时没有耦合项。（3）外壳全封闭，易于密封防水。所有控制电路电源设备均封闭于球壳内部，能够来去自如，不会发生短路或导线挂擦等问题。（4）其运动不会破坏网衣，不会伤害水中生物体。因此，相比传统水下机器人，十字式水下球形机器人更适合深水网箱养殖作业的机器人，它的运动灵活、运行效率高、节约能源，具有很强的环境适应能力，作业范围广泛，容易布放与回收，还可以充当侦察设备与通信系统的载体，执行人类无法完成的近海域多种作业任务。

（1）设计的“十字式”球形机器人结构如图2所示，机器人的机体是呈现“十”字，4个螺旋桨固定在机器人机身上，4个电机使用同类型同型号，但螺旋桨不同。电机1号和3号为一对相同的正浆，逆时针方向转动，电机2号和4号是一对相同的反浆，顺时针转动，这种正反浆相结合的结构，抵消了螺旋桨相互产生的反扭力，很大程度上简化了机械结构，加强了系统的稳定性。由于这样的十字式结构可以提供更多的上浮下沉的推动力，非常符合深水网箱养殖的需求，相对其他类型机器人，这种类型机器人更适用于深水网箱的养殖环境。

（2）水下机器人通过运用4个电机的速度差来改变位置、姿态等，是一种欠驱动系统，通过输入一个上升力和3个扭矩实现。球形机器人在空间中具有6个自由度，可以在3个坐标轴方向上做直线运动，也可以进行坐标轴方向角运动[6]。

（3）如图2所示，机器人机身和外壳设计均采用SolidWorks2016软件进行三维视图建模绘，使用高精度的3D打印机聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）环保材料制作。PLA的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，是理想的绿色高分子材料[7]。

由于考虑到球形机器人应用在深水网箱中的优势，设计的机器人机身球形结构，如图3和图4所示。

（4）比例、积分、微分（Proportion， Integral， Differential，PID）闭环姿势调整。比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式，控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时，系统的输出存在误差。积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比，在控制器中引入积分环节可以消除稳态误差。微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在补偿误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。原因是存在较大惯性环节（如水波影响）或滞后单元（如通信设备的延迟），它们具有抑制误差的作用，即变化总是落后于误差的变化，而解决的办法是提前抑制误差的变化。

如图5所示，通过PID闭环控制来调整球形机器人。本设计利用水深传感器，MPU6050姿势传感器等进行PID闭环控制，达到调整水下机器人平衡目的。以树莓派为服务器，网页控制命令通过树莓派串口转发至STM32，STM32接收命令后，通过指令控制基本运动过程。STM32读取水深传感器、姿势传感器等数据，通过处理后，再调整机器人机身运动，保证机器人的平衡。

3    主舱控制系统设计

设计球型机器人机身中间部分为控制主舱系统，是机器人的核心位置，放置着控制电路板，系统内核芯片方面选用了Raspberry 3B+和STM32这两款ARM芯片系列。Raspberry，内核：ARM系列Cortex-A5，最高工作频率为1.2 GHz，STM32为ARM32位Cortex-M3，最高工作频率为72 MHz。如此设计将机器人计算模块和运动模块分开，树莓派负责网络通信、视频推流、传感器数据采集、数据可视化处理、LAMP服务器搭建和串口发送，保证了机器人数据信息采集，视频推流，远程登录。STM32负责串口接收、驱动电机、舵机和云台、保证机器人底层运动的平稳、可靠、灵活度高、成本低。如图6所示，两款单片机紧密结合，各有分工，发挥出优越的性能。

由于主舱是水下机器人的主体部分，考虑电路防水问题，该设计采用亚克力管和防水胶结合使用，该设计保证能够达到防水功能。并且为了尽量减少球形体积，用4个螺旋桨通水管道对亚克力管进行固定。

4    视频推流和传感器数据

网箱养殖环境的信息采集包括视频图像和传感器数据的采集，视频图像数据采集采用高清Logitch摄像头，如图7和图8所示。结合高清亚克力板和舵机云台，舵机云台可以实现180°的角度变换，调节机器人自身6个自由度变换，基本满足水下180°全方位摄像需求。机器人通过摄像头进行水下拍摄，再通过有线方式实时地把信号传输到通信中继。能够在摄像头拍摄水下养殖生物的生长情况的同时，进行图像处理，使得用户可实时对水下环境和水下养殖生物进行观察。

水下机器人搭载了多种传感器，例如水深、姿势调整等传感器。此类传感器经过STM32单片机系列芯片处理后，使用485通信技术配合串口通信和Socket通信，把实时的水质参数数据上传至上位机。通过使用Python图像处理后，可直接在网页显示动态数据图像，避免了以往的简单数据上传，并可直观看到水下环境参数的变化，方便管理者对水下环境进行判断和管理。

5    通信中继

深海网箱是隔离海岸，不适合水下机器人远距离长线控制，但是视频信号由于水层的隔绝很难通过局域网方式进行传输，所以使用了通信中继，实现了水下有线连接，水上无线传输数据的方式，既实现了远距离传输，又保证了传输的数据质量，特别是高清水下图像的质量。

通信中继工作在水面上或者固定在网箱支架上面，由电池、电力载波与路由中继等模块组成。主要完成网箱内水下机器人和远程网页上位机间通信的信号中继与数据传输。如图9所示，水下机器人内部的电力载波模块将水下影像等信号转换成电信号，通过零浮力线连接到通信中继中的电力载波模块，电力载波模块再次把电信号转化成WiFi信号连接到路由器，路由器将信号转发，然后让远程平台无线连接到路由器或者通过外网进入到路由器内网中，通过登录网页上位机，便可实现对机器人的通信控制，通过实验测试证明，水下通信最大距离为20 m。

6    Web上位机设计

树莓派中使用Web应用软件组合（Linux Apache MariaDB Python，LAMP）框架来搭载网页上位机。LAMP框架较为简单，可以直接在树莓派中搭建，搭建完毕后，可使用树莓派远程登录到网页上位机，即可完成简单的远程登录服务器的搭建。在网页设计之前，需用树莓派完成LAMP框架的搭建工作。

上位机终端采用网页开发的形式，采用HTML与CSS前端布局搭建上位机界面，利用PHP进行调用树莓派后台及控制命令的发送，实时发送控制指令，完成水下机器人作业任务，利用Python进行图像处理，将传感数据以图像形式直观显示，网页上位机制作界面如图10所示。

由于通信中继的路由器将整个水下机器人系统都放置在同一个局域网内部，因此才可以在水下机器内部搭建服务器，上位机则作为一个客户端，采用跨域的工作方式与水下机器人进行网内通信。

7    测试结果

测试结果从基本参数和运动参数两个方面来分析。

7.1  机器人基本参数

机器人基本参数如表1所示。

7.2  运动参数

根据上述设计，实现了整个十字式球形水下机器人系统的多种运动功能。表2给出了该十字式球形水下机器人在水下作业时的参数。在上位机可以实时观测到水下机器人采集到的视频与水深等各参数，通过直接手动触摸的形式，可以实现水上远程控制机器人在水下作业的动作要求。水下机器人接受中继浮标转发的控制信号，能够完成前进、后退、左轉、右转、上浮、下沉、旋转、悬浮等水下动作。

7.3  水下影像

运动的水下机器人拍摄日间如图11所示，夜间如图12的清水下物体的视频推流影像截图，成像清晰。

8    结语

随着海洋养殖监测和深海资源开发工程的推进，对水下养殖环境参数的数据采集需求将会日益增大。相对传统人工监测和单一的静态监测系统，研发的十字式球形水下机器人采用PID控制算法结合姿势传感器模块，可在水下平稳灵活运动，同时具有视觉和数据感知系统，可完成水下水质含氧量、含盐量、pH、温度、氨氮值等参数的监测和水下生物体生活状态的动态拍摄，并将数据和画面直接上传到网页上位机。将计算模块、视频模块、运动模块等分开，通过模块化处理与相应系统对接协调配合的作业方式来完成水下动态监测养殖环境的任务。

[参考文献]

[1]谭界雄，田金章，王秘学.水下机器人技术现状及在水利行业的应用前景[J].工程建设与管理，2018（12）：33-36.

[2]杜娟.新型水下球形机器人的控制系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[3]张金泉，胡庆松，申屠基康，等.海上网箱网衣检测用框架式AUV设计与试验[J].上海海洋大学学报，2016，25（4）：607-612.

[4]宋玉刚.郑雄胜.深海网箱网衣清洗系统设计研究[J].机械研究与应用，2012（2）：41-43，46.

[5]柯冠岩，吴涛，李明.水下机器人发展现状与趋势[J].国防科技，2013（5）：44-47.

[6]单海燕.四旋翼无人机自主控制[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[7]赵北晗.浅谈3D打印技术及应用[J].无线互联科技，2015（6）：132-134.