《ROV潜水器与水质检测系统设计》
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摘 要：文章对ROV潜水器水质检测系统进行了一次创新设计.首先介绍了各类潜水器的研究情况,说明了潜水器的研究价值.再对无人潜水器外形、耐压、相关材料力学特性进行了数学分析,然后对内部处理器、传感器的相关配置进行了分析,最后对各功能模块应用程序进行了相关程序设计,开发出了适用于小型湖泊、鱼塘等环境的ROV潜水器检测系统.
关键词：无人潜水器;耐压壳;水质分析;传感器;功能模块
中图分类号：P754.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0164-03
Abstract：This article is an innovative design of the all unmanned underwater vehicle （ROV） water quality detection system. First of all,this paper introduces the research situation of various types of submersibles,and explain the research value of the submersibles. Then,the shape,pressure and mechanical properties of related materials are analyzed mathematically,and then the configuration of internal processor and sensor is analyzed. Finally,the application program of each functional module is designed,and the ROV detection system suitable for all lakes,fish ponds and other environments is developed.
Keywords：remote operated vehicle;pressure shell;water quality analysis;sensor;function module
0 引 言
在我国,传统的水产养殖业以及湖泊的水质检测方面存在大量的人力物力浪费现象,且由于使用人工检测,使得检测成果存在较大误差,无法使相关人员及时有效地对环境进行处理.
20世纪70年代,欧美等发达国家将电气工程、管理学等多种学科相结合,开发出了现代信息化检测系统,大大提高了水质检测准确性以及效率,降低了人力支出,同时,因为机器的高效性,研究人员甚至也可获知水中每一类元素的含量.
而我国水产养殖环境的检测主要采用传统化学实验法,即由人工采集水体样本并进行滴定实验来划分水体等级,而不同湖泊等水体元素以及用途差异大,不能以统一标准界定,故该检测方法仍处于落后状态.
探索湖泊、海洋、管理鱼塘生态等都需要高效率、高精确度的检测系统,而无人潜水器检测系统作为信息时代的产物,必能接工检测,大幅提高检测效率.
为此,我们以“高效率、可持续发展”为理念,利用自身的电气、自动化、通信专业知识作为骨架、现代软硬件技术为血肉,设计这款ROV潜水器以及水质检测系统,用以提高各类水体检测的效率.该潜水器可实现全天候自动检测并实时反馈水体数据以及可下潜至不同水层探测相关水体数据.能大幅度省去投入在检测方面的人力物力,提高资源利用效率.
1 潜水器及母船结构设计
1.1 国内外无人潜水器结构研究概况
目前来说,全世界的潜水器主要分为两种：载人潜水器（HOV）与无人潜水器（UUV）;在此处主要介绍无人潜水器.
1.1.1 国外潜水器结构研究现状
目前无人潜水器可以分成三个类型：水下滑翔机（UG）、遥控无人潜水器（ROV）以及自治式无人潜水器（AUV）.
其中,水下滑翔机是一种较为先进的无人潜水器,它可以利用调节浮力的功能来实现其在水中的上浮和下降,并借助滑翔翼姿态角的调整获得较好的推进力来使其在水底进行长距滑翔.美国、澳大利亚以及欧洲部分国家的水下滑翔机技术是暂时领先于全球的.美国设计并实现了最早的水下滑翔机Spray Glider.而后,日本等国也相继研发出了本国的UG技术.UG技术也变得越发成熟起来.
遥控式无人潜水器是一种由操作人員在地面或母船上通过无线技术或线缆对潜水器进行控制的无人潜水器.它在水质检测、矿物资源勘查、无人打捞等深海作业、军事活动等领域均有应用.在二十世纪六十年代,美国成功研发出世界第一台ROV-CURV1,并成功打捞西班牙外海约900 m深度处的一颗氢弹.
而自治式无人潜水器则是一种可以无人员、无线缆的无人潜水器,它拥有自主性高、机动性良好等优势,是近年来各国海洋研究、军事等领域研究的重点之一.
1.1.2 国内潜水器结构研究现状
国内的水下滑翔机UG技术研究开始于21世纪初.在2017年,由中科院自主研制的“海翼”号水下滑翔机在世界最深海沟马里亚纳海沟完成了6 329 m大深度下潜探测挑战;在2018年初,由天津大学研制的“海燕”号水下滑翔机挑战成功并创造了8 213 m的深潜世界纪录,成为续航里程最远、测量坡面最多、连续工作时间最长的国产水下滑翔机.
1.2 耐压壳设计
1.2.1 常见耐压壳结构
截至目前,常见的耐压壳结构通常为球形、蛋形、锥形、圆柱形、藕节形及其组合形状等.
无人潜水器的耐压舱主要是用来保护微型计算机、各类型的传感器和供电电源等重要组成模块,同时,因为水动力的原因,耐压壳以及其外部框架等的外形也是需要好好思考的问题;载人潜水器的大部分外形被设计为类似于导弹的结构,其耐压壳形状为带半球形封盖的圆柱体的组合结构.遥控式无人潜水器分为流线型耐压壳体和开架式耐压壳体,遥控式无人潜水器的耐压壳形状主要为球壳或球壳和圆柱壳的组合结构.
1.2.2 本潜水器体耐压壳结构及相关参数设计
在上述几种耐压壳结构中,球形可以获得最小的重排比,在相同容积中,球形的受力分布最为匀称,而此优势在下潜越深时,越能体现.最为重要的是,球壳抗压力强,最为安全,现有的绝大部分ROV,都会或多或少采用球体结构.而我们团队在对比了多类ROV后,决定使用圆柱体与球体相结合的耐压壳,相关分析如下.
耐压壳的强度计算.由于我们选用了圆柱形耐压壳作为潜水器壳身,出于对材料的节省,先分析在下潜极限为100 m时普通圆柱形壳身（长300 mm,内径110 mm,外径118 mm）是否可用：
（1）验证壁厚是否合理.我们使用了亚克力有机塑料（PMMA）材料来完成该潜水器耐压壳,该材料的一些参数如下：
1）屈服极限σn等于75 MPa.
2）且由于亚克力材料为可塑性材料,n为1.5～2.5之间,为考虑实际意外情况,取较差情况1.7来进行计算.
再利用公式对壁厚是否合理进行验证：
式中,δmin为最小壁厚;p为水深100 m时的估算压力1 MPa;D为潜水器圆柱形耐压壳外径118 mm;δ等于等于等于 44.12 MPa.
由上式计算得,最小壁厚为1.353 mm,而我们壁厚为8 mm,故该壁厚是完全可靠的.
（2）耐压壳临界压力计算.已知在100 m深度下,劳氏安全系数为2.400,为保证壳体在承受水下压力时能够保持稳定,对壳体临界压力以及下潜100 m时的安全系数进行计算.
式中：E为亚克力塑料的弹性模量：3 000 MPa;δ为耐压壳壁厚8 mm.
再对此情况下的安全系数n进行计算：
由上可知,3.658>2.400,所以该耐压壳可直接使用普通圆柱形耐压壳而不使用加装了环形肋骨的圆柱形耐压壳.
1.2.3 材料选取
（1）力学性能.聚丙烯酸甲酯具有优良的力学性能,拉伸、弯曲等强度均高于大多数材料,虽然它的冲击韧性较差,但是也能稍微优于聚苯乙烯这种材料.在正常的情况下,它的拉伸强度可以达到55 MPa～75 MPa.而聚丙烯酸甲酯的断裂伸长率只有2%～3%,所以聚丙烯酸甲酯的力学性能特征大体是硬而且脆的塑料.
（2）燃烧性：
1）球形亚克力透明罩：
尺寸：外径110 mm,厚度5 mm.
2）亚克力密封舱管：
尺寸：壁厚5 mm,外径110 mm,内径80 mm,长度300 mm.
3）密封舱法兰：密封舱法兰底部有两圈O型圈槽,顶部一个O型圈槽,两端均有6个螺纹孔用来固定内部器件和压紧舱盖.
4）密封舱舱盖：
尺寸：外径110 mm,9孔;激光切割面光滑平整,表面贴纸保护.
5）密封舱穿线螺丝.水下接线防水的解决方案是密封舱空心螺栓法,这是一种比较可靠的方法.O型圈具有极高的耐酸碱和耐腐蚀性,O型圈端面可以在任何光滑表面上密封,螺栓内多个内径,留有足够灌封空间.并在学院实验室作了进一步验证,在验证过程中该方法表现良好,艙体无漏水现象,可满足此潜水器长期检测的需求.
6）直流无刷电机.综合考虑无刷电机和有刷电机各自的优缺点,涵盖两种电机的适用范围、使用寿命、使用效果、节能方面、日后维修方面等因素,发现无刷电机符合我们的各项要求.更为重要的是,无刷电机能在水中工作,而有刷电机则需要防水保护壳.
7）无刷电调.电调,简称ESC,对于不同的电机,可分为有刷电调和无刷电调.电调能够按照控制信号来自动调节电动机的转速.要是通电后电机反转,则反接电调任意两根电线即可.
8）可充电锂电池.我们选用可充电锂电池给电机供电（中间通过电调）,电池组安放在母船上,并且为了可以让用户随时随地地了解电池的工作状态,避免电池过放或过充造成的伤害,我们给电池安装了低压报警器（后续有关于低压报警器的说明）.
9）BB响低压报警器.低压报警器用于自动检测锂电池每个电芯的电压和总电压,支持反向连接保护.倘若电压低于设定值,蜂鸣器就会发出声音警报.
值得说明的是,接收器的供电由电调直接供给,我们上述选用的电调输出电压是5 V.也即通过遥控装置将信号发送给接收器,接收器收到信号后通过电调控制电机的运动,详情可见参考文献[4].
2 软件部分
本章主要介绍了潜水器水质分析系统的软件部分设计,又分若干模块介绍该系统的软件部分设计.
2.1 潜水器与水质分析系统的软件总体设计
2.1.1 开发环境
整体开发都在MDK5.0的环境下完成,因为MDK5.0是对ARM Cortex-M内核优化程度最好的开发环境之一.
2.1.2 潜水器与水质分析系统的功能分析
该系统的水质参数测量与处理都是由STM32F103ZET6处理器完成.该水质检测系统包含pH传感器、温度传感器、深度传感器等多种传感器,它们将探测到的数据经过放大等处理后将其送至处理器,再由处理器处理数据,将数据转化为用户可直接辨别的数据,通过串口Wi-Fi模块显示于用户手机上.
2.2 各功能模块应用程序设计
2.2.1 GPIO口工作模式配置
我们所使用的STM32处理器具有丰富的GPIO口资源,而且全部GPIO口均可单独配置成不同的工作模式：开漏复用功能推挽式复用功能、开漏输出、推挽输出、浮空输入、上拉输入、模拟输入、下拉输入.
2.2.2 数据采集模块程序设计
本水质检测系统需要的数据主要为温度值、pH值和浊度值.这些信号都由传感器采集并生成数字信号后送入STM32处理器.在与处理器通信时需要使用软件模拟时序进行通信.而TDS信号是一种频率信号,我们采用了STM32定时器对频率信号进行测量的办法进行对处理器-频率的计算.本文测量方法见参考文献[5].
2.2.3 串口Wi-Fi通讯模块程序设计
本水质检测系统通过串口Wi-Fi模块与处于同一局域网的用户终端通讯,全部通讯都通过串口完成.
2.2.4 校正程序设计
在测量过程中我们需要保证各类传感器的测量精度,但是在长期的水下环境中,传感器必定会被腐蚀、老化,从而造成不可避免的误差,使得测量数据不如以前精确.所以我们需要定时校正传感器的数值,并将所校正的数据保存在处理器的Flash中,在之后的测量中直接使用Flash中的校 准数据,保证其数据的长期精确性.我们在校正中使用了两点校正法.
2.2.5 测量结果温度补偿方法
由各水质参数测量的影响因素可知,pH值和温度两种水质参数的检测结果都与温度有关,所以需要对测量结果进行温度补偿,本文的温度补偿采用的是拟合公式法.由于实验条件有限,设计时未能对水样的温度进行精确控制,因此在对检测结果进行温度补偿时采用的补偿系数是通过查阅资料得出的一般性结论,因此对检测系统的测量精度有一定的影响,在后期的工作中应进行改进.
2.2.6 Flash读写程序设计
在处理器中我们使用了Flash存储器来读写程序,因为Flash存储器能够使用最小的空间去发挥EEPROM的最大灵活性能.并且Flash存储器能保证掉电后数据不会丢失,数据存储速度快、容量大、可靠性高等优点,并且我们所使用的STM32处理器内部有着512 kB的Flash存储器,可以保存大量的用户数据.
3 结 论
本文主要介绍了多参数水质检测系统的软件设计,首先分析了系统的软件整体框架;其次对各功能模块的任务及实现进行了分析;最后对潜水器水质分析系统的软件部分设计进行了介绍并对各类传感器工作情况进行了分析.在学院电气实验室完成了该潜水器以及检测系统的样机并成功下水收集数据,证明该设计是完全可行的.该潜水器体积小、功耗低、效率高,可长期监管水体数据,符合国家可持续发展理念,随着国家的发展,该类机器将对社会起到越来越重要的作用.
参考文献：
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[3] 刘启新.电机与拖动基础 [M].北京：中国电力出版社,2007.
[4] 吴巍,陈光东,吴明光,等.基于电导率机理的智能化水质检测仪的设计 [J].工业仪表与自动化装置,2006（2）：39-41.
[5] 李荻.电化学原理：第3版[M].北京：北京航空航天大学出版社,2008.
[6] 宋辉.ROV的结构设计及关键技术研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大學,2008.
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系统设计和水质检测引用文献:
[1] 系统设计和水质检测毕业论文模板范文 系统设计和水质检测相关研究生毕业论文范文2万字
[2] 系统设计和汽车检测本科毕业论文范文 关于系统设计和汽车检测毕业论文范文2万字
[3] 系统设计和水质监测论文范文文献 系统设计和水质监测方面论文范文素材2万字
