陳凌軒，吳清云，謝辰旻，馬帥華，強(qiáng)嘉鈺

（上海海洋大學(xué)，a.工程學(xué)院；b.外國(guó)語學(xué)院；c.海洋文化與法律學(xué)院，上海 201306）

隨著智能機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，各大行業(yè)“機(jī)器換人”已成為大趨勢(shì)。近年來，中國(guó)漁業(yè)養(yǎng)殖水體污染問題日益嚴(yán)重，通過水上或水下工程裝備代替人工取樣、測(cè)量等較人工水質(zhì)調(diào)控更具高效性。如草魚最適宜生長(zhǎng)環(huán)境pH為6.6~7.6，且對(duì)溶氧量的需求很高，需對(duì)其養(yǎng)殖環(huán)境加以調(diào)控，方可保障草魚的品質(zhì)，鰱魚、鳙魚也對(duì)溶氧量及pH有一定要求。通過人工調(diào)控效率較低且成本高。

國(guó)外針對(duì)水下機(jī)器人的研究已進(jìn)入應(yīng)用化階段，當(dāng)前中國(guó)水下機(jī)器人的應(yīng)用研究仍處于起步階段。在漁業(yè)養(yǎng)殖實(shí)際應(yīng)用中，水下機(jī)器人因其靈活性、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)和工作范圍廣受到了世界各國(guó)的研究和關(guān)注。除了研究水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［1-4］，水下機(jī)器人控制設(shè)計(jì)與仿真［5-8］，水下機(jī)器人傳感技術(shù)與檢測(cè)［9-12］，水下機(jī)器人應(yīng)用［13-15］等，還應(yīng)注重其應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水質(zhì)改善的結(jié)合，根據(jù)局部水環(huán)境中存在的過界參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)前國(guó)內(nèi)仍未出現(xiàn)結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水質(zhì)調(diào)控于一體的設(shè)備，而西班牙海洋技術(shù)中心（CETMAR）研發(fā)了一款浮標(biāo)［16］，即可針對(duì)采樣樣本，通過微生物學(xué)參數(shù)的分析制定水質(zhì)調(diào)控方案，其缺點(diǎn)在于采樣范圍局限，不適用于大范圍漁業(yè)養(yǎng)殖。歐美國(guó)家及日本也開發(fā)了相應(yīng)的漁業(yè)養(yǎng)殖水下機(jī)器人，并得到了小規(guī)模應(yīng)用。

本研究圍繞漁業(yè)養(yǎng)殖過程中對(duì)于水下機(jī)器人的需求及水下機(jī)器人開發(fā)成本高、國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品少的現(xiàn)狀，研究基于多傳感器技術(shù)和自主巡航技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水質(zhì)改善一體化水下機(jī)器人，從整體設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)建模及實(shí)物試驗(yàn)3個(gè)角度入手，分析其功能與效果，可在漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控、漁業(yè)水質(zhì)改善方面發(fā)揮作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

水下機(jī)器人下位機(jī)為實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人功能的硬件電路模塊，通過穩(wěn)壓電源對(duì)機(jī)器人各模塊供電。水下機(jī)器人包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊、水質(zhì)改善模塊及自主巡航模塊等部分。下位機(jī)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了水下機(jī)器人的自動(dòng)控制和工作，而上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)水下機(jī)器人獲得的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行接收和顯示。水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架

1.2 工作原理

水下機(jī)器人需在水環(huán)境中工作，在工作啟動(dòng)前須通過程序設(shè)定巡航終點(diǎn)和深度，將水下機(jī)器人置于水中時(shí)即可啟動(dòng)工作模式。水下機(jī)器人根據(jù)衛(wèi)星定位模塊獲取巡航起始點(diǎn)及終點(diǎn)位置信息，慣性導(dǎo)航模塊用于水下無衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下的實(shí)時(shí)定位，通過定位信息與相對(duì)位置信息控制螺旋槳，調(diào)整運(yùn)行方向和深度，向終點(diǎn)方向及目標(biāo)深度航行。水下機(jī)器人在航行過程中采集水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)（pH、溫度、溶氧量等），搭載的多傳感器裝置定點(diǎn)定深度采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過ROV線纜和無線通訊實(shí)現(xiàn)淺水區(qū)的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸在上位機(jī)平臺(tái)進(jìn)行顯示。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人整體呈膠囊狀結(jié)構(gòu)，兩端外部設(shè)有法蘭連接裝置，下方設(shè)有4個(gè)螺旋推進(jìn)器裝置，尾部設(shè)有渦輪平衡裝置。外部為抗壓防水殼體，前部艙內(nèi)裝載驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊與防水外殼之間設(shè)置電路保護(hù)層，由主管和位于末端的整流罩組成。主管內(nèi)設(shè)有主控制器及雙泵，連接層處設(shè)有ROV線纜接口，左右兩端分別對(duì)稱設(shè)置保護(hù)罩，保護(hù)罩內(nèi)包含導(dǎo)流管與傳動(dòng)軸。2個(gè)垂直螺旋推進(jìn)器保證水下機(jī)器人的垂直方向運(yùn)動(dòng)，2個(gè)水平螺旋推進(jìn)器用以實(shí)現(xiàn)水平方向的調(diào)整及運(yùn)動(dòng)，尾部渦輪平衡裝置控制水下機(jī)器人整體姿態(tài)平衡，避免大幅度擾動(dòng)。水下機(jī)器人尾部包括第二法蘭連接裝置、防水外殼、渦輪推進(jìn)器裝置及驅(qū)動(dòng)模塊。圖2為水下機(jī)器人的渲染圖。

圖2 水下機(jī)器人渲染圖

2 控制系統(tǒng)

2.1 運(yùn)動(dòng)模型分析

漁業(yè)養(yǎng)殖用水下機(jī)器人在水下的運(yùn)動(dòng)控制受重力、浮力、水體阻力、自身推進(jìn)力及外部擾動(dòng)等的影響，其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)為非動(dòng)力系統(tǒng)。通過簡(jiǎn)化受力模型分析其水下運(yùn)動(dòng)控制方式，根據(jù)國(guó)際水池會(huì)議（ITTC）以及造船與輪機(jī)工程學(xué)會(huì)（SNAME）術(shù)語公報(bào)推薦的坐標(biāo)系［17］，建立動(dòng)坐標(biāo)系（O-X′Y′Z′）與靜坐標(biāo)系（E-XYZ）兩種類型坐標(biāo)系，如圖3所示。表1為水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖3 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析坐標(biāo)系

表1 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義

靜坐標(biāo)系與動(dòng)坐標(biāo)系之間的速度矢量可通過式（1）、式（2）及式（3）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

J(η)為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，其計(jì)算公式如式（4）所示。

六維度的水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型，其所有運(yùn)動(dòng)方式可在上述2種坐標(biāo)系中得到描述，并分解為繞各自3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)模型［18-20］可通過式（5）所示方程描述。

式中，M為水下機(jī)器人慣性矩陣及水動(dòng)力力矩；C（v）為水下機(jī)器人科氏力及離心力矩陣；D（v）為水下機(jī)器人流體阻尼矩陣；g（η）為水下機(jī)器人重力與浮力矩陣，又稱靜力矩陣。

基于以上分析及方程，完善動(dòng)力學(xué)相應(yīng)模型并進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)化，由于水下機(jī)器人進(jìn)行6個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，假設(shè)重心與動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，此時(shí)Xg=Yg=Zg=0，根據(jù)式（5）可計(jì)算化簡(jiǎn)得到平動(dòng)方程及旋轉(zhuǎn)方程，如式（6）所示。

通過分析計(jì)算水下機(jī)器人在工作過程中的動(dòng)力學(xué)方程，解出水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)u、v、w、p、q、r，求解后根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）反推出其靜態(tài)坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，解算出位移量及偏轉(zhuǎn)量。為了實(shí)現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖水域的需要，采用“前-后-上-下”四維度螺旋推進(jìn)器的設(shè)計(jì)布局，如圖4所示。

圖4 水下機(jī)器人螺旋推進(jìn)器布局方式及受力

2.2 硬件部分

2.2.1 主控制器水下機(jī)器人的主控制器采用Ar?duino Mega 2560。Arduino Mega 2560是 一 種 采 用USB接口的核心電路板，具有54路輸入輸出，編程簡(jiǎn)單，可在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令，可為許多嵌入式控制工作提供可行且低成本的支持。通過接多電路模塊及傳感器可實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知并提取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.2 避障模塊水下機(jī)器人在水下工作過程中通過避障模塊避免與水下不明物體發(fā)生碰撞。避障模塊選用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)。超聲波傳感器測(cè)量障礙物與水下機(jī)器人的距離，根據(jù)需要控制指令設(shè)定避障方案［21，22］。其模塊電路構(gòu)成如圖5所示。

圖5 避障模塊電路結(jié)構(gòu)

式（7）所示測(cè)距公式可推斷出水下物體與水下機(jī)器人前部相對(duì)位置關(guān)系。

式中，s為水下物體與水下機(jī)器人前部的距離；v為超聲波在水中傳播的速度；t為從發(fā)出脈沖到脈沖返回的時(shí)間。

水中超聲波傳播速度約為1 300~1 600 m/s。超聲波在水中傳播速度與水的渾濁度無明顯關(guān)系［23］；當(dāng)溫度為T時(shí)，文獻(xiàn)［24］中得出了溫度對(duì)超聲波在水中傳播速度v的近似解析式為：

由此繪制出如圖6所示的函數(shù)關(guān)系曲線。

圖6 不同水溫條件下水下避障模塊測(cè)距曲線

聯(lián)立式（1）、式（2）可得到水下航行器避障裝置某一溫度下根據(jù)時(shí)間函數(shù)的測(cè)距公式。

水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)造成水下波動(dòng)，有驅(qū)趕周圍生物的作用，因此漁業(yè)養(yǎng)殖水下機(jī)器人避障模塊主要用途在于避免水下機(jī)器人擱淺、水中異物及體積較大的水下生物，同時(shí)不會(huì)影響水生生物的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.2.3 定位導(dǎo)航模塊水下機(jī)器人工作過程中的一大難點(diǎn)在于水下自主航位推算。水下機(jī)器人運(yùn)用捷聯(lián)式INS導(dǎo)航技術(shù)在水下進(jìn)行定位和導(dǎo)航。捷聯(lián)式定位導(dǎo)航較平臺(tái)式INS占據(jù)的體積與空間較小，且更容易集成導(dǎo)航與控制于一體，通過加速度對(duì)時(shí)間的二次積分即可得到航行器位置［25］。由于衛(wèi)星信號(hào)無法穿透水體傳遞至水下機(jī)器人，因此須通過線纜與水下機(jī)器人進(jìn)行連接，上位機(jī)也可通過ROV線纜接收到水下機(jī)器人的姿態(tài)、速度和位置信息并顯示（圖7）。

圖7 定位導(dǎo)航模塊硬件電路

3 功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要包含多水域環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，即實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的水質(zhì)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作，包括溫度傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器等［26-28］。溫度傳感器由NTC熱敏電阻接橋式電路組成，精度高、電路簡(jiǎn)單且靈敏度強(qiáng)；pH傳感器采用RMD-IS?DC2M12型pH傳感器，適用于全pH范圍區(qū)間，補(bǔ)償溫度-20~130℃，測(cè)量精度為±0.01℃，響應(yīng)時(shí)間短；溶解氧傳感器采用HQ30d哈希便攜式溶氧儀，測(cè)量范圍為0~20 mg/L，測(cè)量精度為0.01 mg/L。通過各傳感器采集得到的數(shù)據(jù)為模擬數(shù)據(jù)，將模擬數(shù)據(jù)運(yùn)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊后輸出至主控制器，由單片機(jī)完成數(shù)字量的采集與接續(xù)控制。為避免溫度對(duì)試驗(yàn)測(cè)得參數(shù)的影響，外接溫度補(bǔ)償電路部分可對(duì)pH及溶解氧相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行校正。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)包含以下3個(gè)步驟。①進(jìn)入初始化操作，水下機(jī)器人系統(tǒng)所有操作清零。②主控制器發(fā)送采集命令至各水質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)傳感器模塊。③接收到主控制器發(fā)送命令時(shí)，各傳感器檢測(cè)相關(guān)水質(zhì)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街骺刂破髂K，未接收到命令時(shí)保持休眠狀態(tài)；通過LabVIEW搭建的上位機(jī)平臺(tái)可觀測(cè)并記錄水質(zhì)數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)平臺(tái)

3.2 水質(zhì)改善

漁業(yè)養(yǎng)殖過程中通過pH調(diào)節(jié)、溶氧量調(diào)節(jié)等手段對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境加以改善。水下機(jī)器人工作過程中對(duì)蠕動(dòng)泵、電機(jī)轉(zhuǎn)速加以控制，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)改善功能［29，30］。

當(dāng)主控制器得到水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)超出上下閾值范圍，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制對(duì)應(yīng)水質(zhì)改善模塊的執(zhí)行。水下機(jī)器人存液管中可存放一定量（約1 000 mL）的改善液，一般為石灰漿或氯化鉀溶液，用以中和養(yǎng)殖塘內(nèi)pH，以達(dá)到養(yǎng)殖生物的需要。

水下機(jī)器人的另一改善功能在于對(duì)溶氧量進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置工作水深為0，水下機(jī)器人工作與水面電機(jī)帶動(dòng)螺旋推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，對(duì)局部溶氧量進(jìn)行調(diào)節(jié)，帶動(dòng)空氣中的氧氣溶解于水中，從而起到良好的溶氧量調(diào)節(jié)效果。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 運(yùn)動(dòng)測(cè)試

完成水下機(jī)器人的硬件搭建并進(jìn)行調(diào)試，將初代水下機(jī)器人裝置置于校園某湖泊內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)測(cè)試實(shí)際試驗(yàn)過程如圖9所示。

圖9 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)測(cè)試

設(shè)定航行深度為2 m時(shí)，根據(jù)上位機(jī)平臺(tái)記錄下水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示，水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程可分解為開始下潛、下潛過程和到達(dá)指定深度三段。開始下潛過程依托舵機(jī)控制螺旋推進(jìn)器產(chǎn)生向下的推力實(shí)現(xiàn)；下潛過程較快，上述步驟的螺旋推進(jìn)器持續(xù)保持在相應(yīng)角度并產(chǎn)生向下推力；到達(dá)指定深度附近，再次通過舵機(jī)調(diào)整螺旋推進(jìn)器角度水平，推進(jìn)接近巡航終點(diǎn)并控制其水平運(yùn)動(dòng)。整體運(yùn)動(dòng)狀況在X-Y向投影大致為直線，與預(yù)期軌跡一致，微小擾動(dòng)受定位系統(tǒng)精度影響可忽略。

圖10 運(yùn)動(dòng)軌跡記錄

4.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

為驗(yàn)證水下機(jī)器人能否在漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境中完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能，應(yīng)在同一片水域中放置水下機(jī)器人，完成3次不同深度的相同水平路徑航行，經(jīng)過相應(yīng)點(diǎn)位時(shí)在上位機(jī)平臺(tái)上讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。在上述相同養(yǎng)殖水域中，測(cè)試時(shí)間為夜晚23：00至次日凌晨1：00，天氣為陰雨天。采用有纜通訊的方式回傳數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)深度值為0 m（水面）、1.0 m（靜水層）和2.0 m（接近水底）時(shí)，考察某水域溫度、pH及溶氧量指標(biāo)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，從不同深度條件下各采樣點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)可以看出該養(yǎng)殖水體呈堿性。由于測(cè)量時(shí)間及天氣影響，其監(jiān)測(cè)參數(shù)與理想狀況存在一定差異，通過求取平均值可得到表3所示該養(yǎng)殖水域整體數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果能反映出不同采樣點(diǎn)及不同水深環(huán)境下的水質(zhì)參數(shù)。

表2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣數(shù)據(jù)

表3 水域水質(zhì)分層監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.3 水質(zhì)定向改善試驗(yàn)

從pH與溶氧量2項(xiàng)參數(shù)改善切入，為驗(yàn)證水下機(jī)器人調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)參數(shù)較傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式的優(yōu)越性及水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水質(zhì)改善的聯(lián)動(dòng)作用，選擇上述水域外加一處自行配置的酸性水池，持續(xù)監(jiān)測(cè)pH和溶氧量的變化。

試驗(yàn)時(shí)間及氣象條件同上。人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)pH與漁業(yè)養(yǎng)殖水下機(jī)器人在水域環(huán)境中自動(dòng)調(diào)節(jié)效果對(duì)比如圖11所示。水下機(jī)器人的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式較人工調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)在于，水下機(jī)器人能夠根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的pH實(shí)時(shí)釋放調(diào)節(jié)所需的石灰漿及氯化鉀溶液質(zhì)量，并通過水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)攪拌，增強(qiáng)了pH調(diào)節(jié)的效率。

圖11 水下機(jī)器人調(diào)節(jié)局部水環(huán)境pH抽樣分析

在溶氧量調(diào)節(jié)試驗(yàn)中，通過單臺(tái)水下機(jī)器人與單臺(tái)420 W增氧機(jī)的實(shí)際效果對(duì)比，分析水下機(jī)器人在溶氧量調(diào)節(jié)方面的作用。測(cè)試結(jié)果如圖12所示，由于增氧機(jī)僅能從固定位置輸送氧氣，因此其增氧效果較為平穩(wěn)；水下機(jī)器人通過螺旋推進(jìn)器作用促使水域“換氣”，效果優(yōu)于增氧機(jī)。

圖12 水下機(jī)器人與增氧機(jī)溶氧量調(diào)節(jié)效果對(duì)比

傳統(tǒng)方式的水質(zhì)調(diào)控依賴人工經(jīng)驗(yàn)完成，水下機(jī)器人通過自動(dòng)pH調(diào)控、溶氧量調(diào)節(jié)，依附于其自主巡航功能可在各中小型漁業(yè)養(yǎng)殖池塘內(nèi)完成作業(yè)，無需人為進(jìn)入池塘進(jìn)行水質(zhì)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了安全性與高效性的統(tǒng)一［31-33］。

5 小結(jié)

漁業(yè)養(yǎng)殖過程與水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)改善密不可分，針對(duì)當(dāng)前漁業(yè)養(yǎng)殖中常用的系列設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)融合，達(dá)成了水質(zhì)監(jiān)測(cè)與水質(zhì)改善兩個(gè)過程的單一載體實(shí)現(xiàn)。既解決了漁業(yè)養(yǎng)殖過程中無法保證定點(diǎn)定深度且全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的問題，又在相關(guān)參數(shù)與理想值出現(xiàn)偏差的情況下通過相關(guān)裝置加以局部改進(jìn)。最終證明在中小型養(yǎng)殖水域內(nèi)該裝置具有很強(qiáng)的實(shí)用性，動(dòng)力學(xué)模型保證了水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和控制的可靠性。針對(duì)中小型水域的運(yùn)動(dòng)、監(jiān)測(cè)及水質(zhì)改善實(shí)踐，證明水下航行器在全水深工作和持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上優(yōu)于無人船、浮標(biāo)等相關(guān)裝置，并將漁業(yè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)改善兩個(gè)問題通過同一載體解決。后續(xù)在姿態(tài)控制問題上將繼續(xù)開展相關(guān)算法和硬件電路研究工作，結(jié)合INS捷聯(lián)慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星定位模塊展開更精準(zhǔn)的定位。水下機(jī)器人用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)改善的裝置也拓展了水下機(jī)器人的用途，以高效的方式解決了漁業(yè)養(yǎng)殖過程中的相關(guān)難題。