34-某水下微型潛行器控制方案設計摘要從宇宙中看，地球上廣闊的面積被海洋覆蓋，散發(fā)著幽靜的藍色。隨著人口的不斷增加，隨著科技和經(jīng)濟的不斷進步，大量資源需求突顯出來，陸地資源不斷消耗，各種資源壓力相繼浮出。人們把眼光看向海洋，其資源和能源的開發(fā)利用成為人們討論的熱點話題，也使得近些年來，人類將開采目標轉向海洋。致使各個國家對于海域的糾紛層出不窮，不僅是因為海洋能帶給一個國家巨大的經(jīng)濟效益和豐富的資源，更是因為在很早以前人們就認識到遼闊的海域可抵御外敵，是國家天然的屏障。海洋作戰(zhàn)和防御工具、裝備的需求在不斷增加。水下潛行器成為了人們在摸索海洋奧秘中的重要工具，無人水下潛行器顧名思義是沒有人進入水中操作，單純依賴上位端遙控或系統(tǒng)自身能力控制在水下作業(yè)的裝備，主要指那些代替潛水員或載人小型潛艇進行一系列高危水下作業(yè)的智能化設備【1】。水下潛行器按施展對象可分為自衛(wèi)作戰(zhàn)用和人民生活用。在作戰(zhàn)中，水下潛行器可成為一種新型武器，既能更好的實現(xiàn)作戰(zhàn)效果，又能保護戰(zhàn)士的生命安全。水下潛行器未來發(fā)展的情況被各界人士看好，可以猜想到，在以后的作戰(zhàn)中，水下潛行器會極大地拓展海洋作戰(zhàn)的無人化狀態(tài)。在作為人民生活化工具方面，水下潛行器可作為漁業(yè)、潛水市場、水族館、養(yǎng)殖業(yè)等方面的工具使用，大大提高了作業(yè)效率。水下探索慢慢走進我們的視野，越來越多的人開始對探索水下奧秘感興趣。水下潛行器可大致分為兩類，一類是有纜水下潛行器（ROV），即上端遙控動作；另一類是無纜水下潛行器(AUV)，即依靠自身程序來控制和管理自己的動作。它們被應用在不同的領域，各有所長，都施展著自己獨特的作用。本文主要討論了水下潛行器的電路部分（包括CPU單元、電機驅動模塊、有線通信模塊和信號傳輸模塊）、控制程序以及整體水下平衡問題的計算。關鍵詞：有線通信；信號傳輸；控制程序；水下平衡目錄TOC\o"1-3"\h\u7860摘要 I18228Abstract II28040第一章緒論 133301.1研究背景及意義 133301.2國內(nèi)外研究成果 11.33330水下潛行器的發(fā)展趨勢 533301.4課題主要內(nèi)容 61.5本章小結 73330第二章水下潛行器部分關鍵技術介紹 82.1設計制造技術 82.2推動方式和能源技術 92.3水下通信技術 112.4本章小結 1219064第三章水下微型潛行器硬件設計 133.1元器件選擇 133.2電路原理圖設計 143.3電機驅動 163.4殼體設計 173.5懸浮設計 193.6本章小結 1919064第四章水下微型潛行器軟件設計 214.1電路設計 214.2控制程序編寫 214.3本章小結 24第五章仿真實驗與結論 255.1控制程序仿真 255.2水下微型潛行器實現(xiàn)功能 275.3本章小結 2731505結論 2817831參考文獻 30PAGE34-緒論1.1研究背景及意義發(fā)展初期的水下潛行器只適用于普通作業(yè)范疇，可以取代人們的一些水下危險動作。一直到上個世紀90年代開始，經(jīng)過了長期的發(fā)展，無人潛航器的一些重要技術發(fā)展趨于穩(wěn)定，形成一系列知識體系，并且能被廣泛的應用于軍事領域，并取得不可忽視的作用。美海軍水文和海洋部門利用裝配有大量傳感器的水下無人航行器繪制海底地貌地形，有效的解決了信息搜集，幫助戰(zhàn)隊處于有利狀態(tài)。如今，隨著技術的不斷進步，水下無人潛行器還被用于救援、監(jiān)察等重要工作。作為科技強國的美國也已經(jīng)研制出一種新款的深海UUV，其突出特點是能獲取對方潛艇位置，這樣未來也能實現(xiàn)對鎖定目標進行追擊，完成打擊。這款新型UUV不僅可通過遠端操作來控制完成一系列艱巨的任務，實現(xiàn)無人動作，來保護重要的海洋航線道。也可作為主要保護對象的犧牲品，使用調(diào)虎離山計，將敵人視線引導至錯誤方向，在保護重要對象的同時，還能實現(xiàn)幫助艦艇打擊。最主要的是可作為偵察兵進行活動，也可干擾敵方偵察活動，或者作為潛艇的遠端信號接收器，更高效的使水下潛艇接收到準確的信息。由于水下地貌復雜，且還可能埋伏水雷，此UUV可作為“偵查兵”去清掃敵軍放置的水雷，或回傳水雷精確位置，使我方提前避讓。相關人士表示此水下裝置可以使人們不再因恐懼海洋中的種種危險而錯失許多有用信息，利用UUV進行排查搜索水下的各種信息，是以后戰(zhàn)爭中不可或缺的重要工具【15】。在人類飛速探索陸地多年后，科學家的熱情漸漸轉向海洋，海洋成為了水資源、能源、物種資源和材料資源等開發(fā)獲取的廣闊平臺【4】，人類不僅渴望探索更廣闊的海洋且非?？粗貒液Ｑ髾嘁妫虼怂聺撔衅靼l(fā)揮著不可替換的作用。海洋能帶給我們豐富的資源，無論是生物方面，還是礦產(chǎn)方面。海洋中有數(shù)不清的神秘生物，等待人類的探查，為人類了解更多生物信息提供廣闊的平臺；蘊含有豐富的礦產(chǎn)資源，深海的多金屬結核的礦藏豐厚，用途也是非常廣泛，由于其堅硬的結構特點，常大量用于制造坦克、鋼軌、粉碎機等。不僅如此，因碳排放量日趨增加，無污染燃燒的新能源能可燃冰，在海洋中的儲存也是非常充盈。更別說還有石油和天然氣了，是一個利用率極高的地方。正因為陸地資源被不斷的開發(fā)利用，可用的資源越來越少，海洋資源對人類進步和社會發(fā)展的積極影響才越趨顯著。隨著近海開采石油、天然氣等海洋資源的程度加深，開采開發(fā)已逐漸加深，進入新的階段。當下研究成型的水下潛行器因其能避免工作人員水下作業(yè)、執(zhí)行任務不受條件影響、達到海下深度大等因素而成為開采海洋寶藏的重要執(zhí)行措施【2】。相信在不久的將來，無人潛行器將以更優(yōu)越的性能活動于海洋中。1.2國內(nèi)外研究成果近幾十年來，國內(nèi)水下潛行器的研究已取得較好進展，主要圍繞以下幾個中心來進行。首先是中科院沈陽自動化所研究的成果，中船重工集團702所、中科院聲學所、哈爾濱工程大學等單位互助完成。其作用在于水下目標觀測、撈救目標以及水下對象保護等。圖1-1為中科院沈陽自動化所開發(fā)的CR01和CR02這兩個無纜水下潛行器，是與俄羅斯方面合作完成。并進行了海洋實況操作，雖最終并未實際使用，但給AUV的研究做出了貢獻。圖1-1CR01和CR02AUV圖1-2（a）是中科院沈陽自動化所獨立完成的“潛龍一號”無纜水下潛行器，“潛龍一號”是一個長四點八米、寬零點八米的圓柱體。它可以在水下六千米處巡航，且連續(xù)工作整整一天，有很多次實際操作情況；后來在“潛龍一號”的基礎上，針對特殊方面的需求，如礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)，而研發(fā)出“潛龍二號”無纜水下潛行器，如圖1-2（b）所示，它在運動性、避障性、迅速繪制三維地形地貌圖能力、浮力材料自制等幾個方向上都有明顯成果；再后來中科院沈陽自動化所進一步突破出了更多技術“秘密”，使功能更加完善的“潛龍三號”國產(chǎn)無纜水下潛行器誕生，如圖1-2（c）所示，和“潛龍一號”和“潛龍二號”有所不同的是，“潛龍三號”有更優(yōu)越的穩(wěn)定、可靠等性能，在許多方面都有新的進展，突破了以往的續(xù)航力，航行時長，最大行駛速度，并具有各種水下工作狀態(tài)。圖1-2（a）“潛龍一號”AUV圖1-2（b）“潛龍二號”AUV圖1-2（c）“潛龍三號”AUV其次以上海交通大學為主干力量，在浙江大學等其他四個方面的共同努力下，一同完成研制出多種無人遙控潛行器。如圖1-3所示，為下潛深度在3500米的多功能工作型“海龍?zhí)枴庇欣|水下潛行器；如圖1-4所示，為下潛深度在4500米的多功能工作型“海馬號”有纜水下潛行器。圖中向我們展示的是我國目前研究中所達水深和整體規(guī)模最厲害以及國產(chǎn)技術占比最高的遙控潛行器“海馬號”4500米有纜水下潛行器。在各個方面都優(yōu)于以往的潛行器，現(xiàn)已成功闖過4500米深度測試，投入到實際應用中去。圖1-3“海龍?zhí)枴盧OV圖1-4“海馬號”ROV再次以中國船舶重工集團公司第七〇二研究所中國船舶科學研究中心為主干，帶領其他六個高校。研究所等方面，互相配合幫助，于2012年研制成功了潛深為7000米的載人潛水器“蛟龍”號，值得國人為之驕傲的是，此載人潛水器是世界上最深下潛記錄的“保持者”，且完成了七千米深度海洋實驗和多次深海作業(yè)，目前在國家深海基地管理中心進行社會化運作，實現(xiàn)了重大的深海成就，如圖1-5所示，是深海中的“蛟龍”號載人潛水器。中國船舶科學研究中心又于2017年6月再次成功開發(fā)出更優(yōu)于之前潛行器的4500米深度的“深海勇士號”載人潛水器，且該潛水器已完成海試，并交付中科院三亞深?？茖W研究中心使用，如圖1-6所示，是深海中的“深海勇士”號4500米載人潛水器。最后是以哈爾濱工程大學為主導研究，其他三方面聯(lián)合，研發(fā)出三款軍事領域適用的智能無人潛水器和用于一些專門用途功能的無人潛水器。目前國內(nèi)很多學校及研究所也一直致力于海洋潛行器這方面的研究探索，老師同學研究熱情高漲，研究效果也非常顯著。各方熱情高漲，為技術不斷革新提供思路，值得我們認真學習他們的精神。圖1-5“蛟龍”號圖1-6“深海勇士”號美國OUTLAND公司的OUTLAND1000，如圖1-7（a）所示，有各式各樣的傳感器，能精確的捕捉各種信息。含有四個推進器其中兩個動力器主管進退、一個動力器控制橫移另外還有一個動力器實現(xiàn)潛浮功能，并且包含一套算機視覺體系。加拿大的SECMOR300無人潛行器，如圖1-7（b）所示，能實現(xiàn)深度測量、高度測量、聲納測量以及可視系統(tǒng)等。四個推進器對稱分布在潛行器兩側，且與垂直面成大約四十五度斜角，開架式的結構，潛水深度和美國的OUTLAND1000相當。英國的FALCON和FALCONDR系列潛行器，如圖1-7（c）所示，潛水深度可達300米至1000米，拿FALCON來說，水深三百米的耐壓程度，可載重達八千克左右，臍帶纜最長可由四百五十米升級至一千一百米，包含五個磁耦合無刷直流推進器，具有速率傳輸返回值功能。包含三個系統(tǒng)，分別為分布式智能控制系統(tǒng)、功能較齊全的傳感器系統(tǒng)和多功能機械手等作業(yè)系統(tǒng)。法國ECAHYTEC公司H300MKIIROV為淺水型ROV，如圖1-7（d）所示，它下潛工作深度為三百米，承載負荷能力為八千克，由于結構原因能配帶多種傳感器，且配有液壓機械手和磁耦合無刷直流推進器。圖1-7（a）OUTLAND1000圖1-7（b）SECMOR300圖1-7（c）FALCON圖1-7（d）H300目前，美國研究的AUV是領先世界水平，當然離不開其包含世界數(shù)量最多的AUV研究基地。僅美國海軍研制無人潛水器的單位就有高達7所。此外，還有一些高等學府，也致力于發(fā)展此項目。此外，許多歐洲國家在AUV研究和實踐使用方面也有相當高的成就。再次就不一一舉例子了，但其研究都非常優(yōu)越，取得了令人稱贊的技術進展，達到了理想的效果?；乜磥喼薨l(fā)展，日本的無人潛行器也在世界上占據(jù)重要位置，由于日本多發(fā)地震和資源匱乏，所以潛行器的主要作用是地震預測和海洋資源開發(fā)，日本的各個方面都在積極的參與研發(fā)。韓國的公司也不甘示弱，同樣積極的研發(fā)新型潛行器。最終同俄羅斯海洋研究所配合研制出一款OKPL-6000自治無人潛行器，也十分值得學習，目前OKPL-6000AUV已完成了它的深海性能測試，投入到實際使用中，在工作中得到大量圖像、視頻和海底地圖【3】。1.3水下潛行器發(fā)展趨勢本文主要設計的是有纜水下潛行器（ROV），ROV具有安全、經(jīng)濟、高效和作業(yè)深度大等特點,這也是其能發(fā)展如此迅速的關鍵所在。投入大量精力去發(fā)展ROV，不斷提升其功能和應用范圍，減少成本，是市場的必然選擇。目前階段ROV的發(fā)展趨于以下五個方面：第一，研究發(fā)展更多可行性。緊跟計算機技術興旺發(fā)達的步伐，各種傳感器技術層出不窮，新一代的ROV將研究出上位端更富人性化的操作界面、更全方位的服務范圍、更巧妙精準的活動特色，更具智能化。第二，各個性能逐漸穩(wěn)定。經(jīng)過無數(shù)人的多年研發(fā)，各項技術趨于穩(wěn)定、成熟和智能。現(xiàn)正在不斷地向更高的技術要求挑戰(zhàn)，致力于改進上位端接收信息的準確程度，不斷刷新數(shù)據(jù)處理廣度，增高實操效果和設備整體性能，完善人們觀察數(shù)據(jù)的頁面，打造一個性能更加方便靈活、實用可靠的系統(tǒng)。第三，向低成本、小型化和自動化方向步進。由于水下活動越來越廣泛，ROV的應用領域越來越廣，ROV將會向小體量、高兼容及模塊集成化方向發(fā)展，沖破目前的障礙。隨著國際上技術的相互汲取，應用場合的普遍性和技術的廣泛傳播使制造成本大幅度降低。由于不斷有新的高效技術研發(fā)出來，得到突破性進展，尤其是高效的電池技術，潛行器正向期望的方向發(fā)展。第四，探索到更深更廣的海洋區(qū)域?？芍厍蛏?7的海洋深度在1000m以上，深海面積也尤為廣闊，隨著近海開采的程度不斷加深，海洋資源在近海得不到滿足，現(xiàn)狀驅使著ROV向更深更遠處發(fā)展。所以世界各國都在加緊研究，為盡早能向深海探索打下基礎。第五，性能專一性越來越明顯。無論如何研究，一種ROV都不可能滿足所有的工作條件，它們都將著重針對某種要求，給予特殊對待，執(zhí)行特定任務，所以潛行器的種類將會愈來愈精細分化，愈來愈細致，專業(yè)化程度將會愈來愈彰著【2】。1.4課題主要內(nèi)容本次我選做的設計題目是水下微型潛行器，潛行器未來發(fā)展前景良好，在海洋科技領域中占有重要地位。我所設計的水下潛行器需要實現(xiàn)以下功能：第一，在水中保持平衡，可懸浮于水中；第二，能由控制端操縱潛行器進行上移、下移、前進、后退、左轉、右轉六個方向的運動；第三，能實現(xiàn)水下照明；第四，保證潛行器有較好的防水性。軟件部分，主控芯片通過的串口形成與控制端的信號傳輸，通過主控芯片發(fā)送信號，使驅動系統(tǒng)能根據(jù)控制端的指示進行運作。主控芯片使用的是AT89c52，其中根據(jù)水下潛行器的具體要求，使用keil編寫了程序，后續(xù)用proteus畫出仿真圖進行仿真，檢測是否實現(xiàn)功能。硬件部分，用AD10進行設計原理圖，然后生成PCB圖，進行電路板布線。殼體結構設計，首先運用公式計算出浮心、重心等，再選用合適的耐壓材料，利用三維繪圖軟件將殼體大概繪制出來，完成外殼設計。殼體首要保證其密封性和穩(wěn)定性，是能否實現(xiàn)水下運行的重要設計部分。總結來說，潛行器的設計要遵循的原則是：最基本最主要的是其性能的安全可靠；外殼及內(nèi)部結構要緊湊，各個模塊之間互不干擾，在水下結構上能有潛行的優(yōu)勢；確保設計的功能在水下都能準確的運行。這也是整個設計所應考慮的主要內(nèi)容。1.5本章小結了解了水下潛行器發(fā)展的背景和趨勢以及國內(nèi)外其發(fā)展情況，認識到潛行器對于未來發(fā)展的重要性，對潛行器的設計有了基本的認識，結合所看文獻，總結出需要設計的內(nèi)容，為進一步設計打下基礎。第二章水下潛行器部分關鍵技術介紹2.1設計制造技術載體模塊化：通常由載體結構、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和任務載荷等組成【11】。看一個機器人制造是否優(yōu)秀，主要看是否在載體模塊化方面有所體現(xiàn)。由于水下存在防水、腐蝕等各種問題，現(xiàn)階段在無法保證的情況下大多數(shù)水下機器人采用整體化結構，避免不必要的麻煩。內(nèi)部設備使用模塊化技術，能方便后續(xù)整修或查看。在載體設計上主要考慮外形在水中運動的一些性能。由于耐壓艙的存在，使在水下也能達到密封和承壓的使用要求。耐壓艙結構多為球殼或圓柱殼結構。耐壓艙結構一般放置有防水要求的電池、導航器和控制系統(tǒng)以及傳感器等，而非耐壓艙結構一般保證水下機器人具有較好的低阻低噪外形【12】，為確保水下機器人的穩(wěn)定性，使用玻璃鋼、碳纖維等材料能更好的達到所需效果。結構材料應用技術：現(xiàn)在基本上有四種材料，分別運用在不同要求的水下潛行器中，各有所長，在應用中擇善而從。鋁合金：質輕、高強、密閉性能好、耐腐蝕強度高、剛度好、堅固耐用。鈦合金：質量輕、比強度高、耐腐蝕性好、彈性模量底。碳纖維材料：比重小、比強度高、耐腐蝕性、可塑造性好、無磁。玻璃鋼：輕質、高強、耐腐蝕性、導電性好、熱性能良好、可塑造性好。圖2-1材料仿生技術：運用人們的觀察、琢磨和效仿自然界生物形形色色的行為的能力，找到適合的原理，再加以創(chuàng)新，得到科學研究中需要的技術，為研究提供新的想法、設計原理和系統(tǒng)架構的技術，人們給這個技術取了非常合適的名字，稱之為仿生技術【13】。通過對水下生物的研究發(fā)現(xiàn)，水中生物存在極速、活動分貝低、反應靈活等水下優(yōu)點，由此可應用于仿生水下潛行器模仿的對象。目前就有許多模仿魚類、水下爬行動物和蠕蟲等的潛行器，也有較為復雜的效仿人類水下活動方式的，如圖2-2中所示。當前，水下潛行器的仿生技術在各個大賽中已經(jīng)非常常見。圖2-2仿生潛行器2.2推動方式和能源技術推動技術：為水下機器人提供電源的各種裝置的集合技術，屬于水下機器人的最重要的基本技術支持，稱之為推動技術。推進系統(tǒng)通常由一個或多個推進電機或推進器構成，或者由一個或多個推進裝置構成。水下無人航行器的相關推進技術包括負載電機，由電機連接螺旋槳等。部分相關研究成果展示如下圖：圖2-3中國海洋大學研發(fā)的普通螺旋槳的AUV圖2-4淮海工學院研發(fā)的帶有導管槳的ROV圖2-5泵噴推進器裝備目前水下無人航行器系統(tǒng)主要采用低噪聲高效率的螺旋作為推進器，少量系統(tǒng)采用滑翔式或噴水推進。螺旋槳的類型有固定、可變傾斜、對轉等。固定螺旋（如圖2-6）:槳葉不能調(diào)整；可變傾斜螺旋槳（如圖2-7）:槳穀上的槳葉可以旋轉，以呈現(xiàn)不同的傾斜，進而改變槳葉的攻角；對轉螺旋槳（如圖2-8）:在一根軸上設置兩組槳葉，這些槳葉按相反的方向旋轉，后面的槳可以回收由前槳葉歸于水的部分旋轉能量，使它比單個槳葉更有效率。圖2-6固定螺旋槳圖2-7傾斜螺旋槳圖2-8對轉螺旋槳能源技術：能源系統(tǒng)作為水下潛行最重要的技術，使?jié)撔衅髂茉谒峦瓿蛇\動，提供有力的能源支持，同時也為其他裝備提供整合的電源支持。能源對于水下無人潛行器來說非常重要，是能正常工作的必要因素之一，通常對潛行器的工作限度最值，起著決定性作用，決定著續(xù)航能力的大小、速度的快慢、作業(yè)深度的大小和能承載的任務載荷等各種方面。水下機器人能源系統(tǒng)通常采用蓄電池、燃料電池、太陽能電池和熱氣機等，確保在于外界無能源接觸時，也能進行操作。最符合水下機器人供能的方式則為蓄電池功能法。下圖為能源系統(tǒng)圖：圖2-9太陽能電池圖2-10氫氧燃料電池圖2-11鋰電池圖2-12熱氣機圖2-13水下潛航器能源系統(tǒng)2.3水下通信技術水下通信技術也是目前阻礙研究的一大障礙。使人們對海洋有更細致的了解，清楚污染環(huán)境程度，了解氣候變化帶來的海底異?；顒?，觀察海底研究對象和水下圖像快速傳輸。水下通信主要是指水上和水下能進行信息傳輸，其中有兩種方法，分別是線通信法和無線通信法【18】。有線通信又包括光纖和以太網(wǎng)通信等，通過這兩種方式實現(xiàn)了水下機器人的遠距離控制【9】。無線通信又包括水聲通信、無線電通信、衛(wèi)星通信等。水下無線通信若想想上位機傳達信號，必須有其技術支持，在復雜的水下環(huán)境中，無線通信能阻隔很多復雜的問題。圖2-14水下通信水下無線通信技術主要可分為三大類：水下電磁波通信、水下量子通信和水聲通信，它們各有所長【14】，在市場占據(jù)不同地位，如下圖所示：圖2-15無線通信技術介紹2.4本章小結本章介紹了水下潛行器目前所應用的部分重要技術，這些技術在不同需求的潛行器中得以運用。在未來潛行器的發(fā)展中，以上方面都是要著重研究的。由于所學知識和仿真技術有限，此次畢業(yè)設計僅運用了其中一小部分，但作為了解，需明白當前技術的運用原理和存在的問題。第三章水下潛行器硬件設計3.1元器件選擇元器件的選擇，基于目前所學知識和查閱各種資料，確定選用AT89c52做主控芯片，其各個引腳在圖23中展示。水下潛行器應用到了其中的幾個部分。AT89C52包括40個引腳，其中32個外部雙向I/O口，使程序調(diào)試更加方便靈活。將其通用的微處理器和Flash存儲器組合，尤其是可反復修改的Flash存儲器可有很多種使用方式，能有效地減少開發(fā)成本。AT89C52有8位通用CPU，128BRMB數(shù)據(jù)存儲器，4KBFlashROM程序存儲器等，還有增加了看門狗定時器WDT，若單片機因干擾或程序問題，使系統(tǒng)進入死循環(huán)或跑飛，能直接讓單片機復位，程序就得以恢復正?！?0】。圖3-1AT89c52引腳圖FM116B芯片為專門制定的集成電路，其功能可使用于驅動小型電機，控制電機正反轉。該芯片采用SOT23-6微型封裝，為對空間需求有限的設計找到更加優(yōu)質的方案。電路采用H橋結構，內(nèi)部有功率開關MOSFET，在此設計中，能使芯片控制所帶負載即螺旋槳和水產(chǎn)生推力，從而達到前進后退等功能。其中主要的是，剎車功能可使負載電機緊急制動，而待機功能所需的電流非常的小，增長待機時間。在一定范圍之內(nèi)，電路可使設備長時間穩(wěn)定運行。圖3-2引腳圖TX4115芯片的功能是同步整流降壓型穩(wěn)壓器，其引腳和管腳功能介紹如圖24所示。其可操作輸入的電壓范圍最小為8V，最大為30V，在兩者之間皆可使用。芯片需要最少的數(shù)量隨時可用的標準外部組件。其他作用還有可編程電流限制和熱關機，目前在網(wǎng)絡系統(tǒng)、航天應用、醫(yī)療設備、充電器等多個領域起作用。在此設計的潛行器中，運用到的功能是拓寬電壓廣度，使電路不僅局限于5V電壓充電。圖3-3TX4115芯片引腳圖圖3-4TX4115芯片引腳圖及管腳功能介紹3.2電路原理圖設計水下微型潛行器電路設計主要分為兩部分。第一部分是基于主控芯片為AT89c52功能的電路，電路圖以AT89c52各個引腳功能進行設計，在上個章節(jié)，已經(jīng)粗略介紹，下面會詳細分析我所用到的引腳。圖3-5電路PCB圖上圖（圖3-5），為在軟件AD10中繪制的原理圖，其中主控芯片AT89c52所用到的引腳如圖，包括P1口、P2口、P3口、引腳RST、引腳XTAL1和引腳XTAL2。P1口：為通用I/O端口，此項目中用到P1.0和P1.1，使用其輸入口功能，上拉電阻接電源，防止探照燈因電壓過高損壞，并通過P1口為水下探照燈的接通和關斷提供控制信號。P2口：是一個雙功能口，字節(jié)地址為AH，位地址為AH~A7H。此項目中P2口作為輸出線使用，用到的是P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6。其作用為通過控制開關，輸出相應的高低電位，使芯片F(xiàn)M116B能實現(xiàn)控制電機的正反轉。P3口：由于AT89S51的引腳數(shù)目有限，因此在P3口電路中增加了引腳的第二功能（第二功見圖3-6）。此項目中P3口的P3.0和P3.1使用其引腳的第二功能，作為串行口的輸入和輸出，使其能與水上控制系統(tǒng)通過串口連接來控制水下潛行器動作。其他的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5、P3.6、P3.7使用其引腳的第一功能，傳輸信號，做為通用I/O口。圖3-6P3口第二功能RST、EA、XTAL1、XTAL2等功能在此就不再過多描述，依次在電路中實現(xiàn)的功能為復位輸入、外部訪問允許（此設計需CPU執(zhí)行內(nèi)部程序，則EA接高電平）、后兩者給單片機提供節(jié)拍。3.3電機驅動電機分布及說明：水下潛行器尾部安置的兩個螺旋槳分別用兩組電機進行驅動，使電動機動力轉換為螺旋槳和水產(chǎn)生的推力，由于正反轉的區(qū)別，且受到水的反向推力，而在水中產(chǎn)生向后或向前的動力。由于螺旋槳和電機靜態(tài)連接，則通過電機帶動，螺旋槳發(fā)生正轉或反轉，進而對潛行器進行動作【6】。此設計共安裝三個驅動電機，且分別對應安裝三個螺旋槳。在潛行器尾部有兩個平行且大小相同的螺旋槳，當執(zhí)行前進或后退任務時，兩個螺旋槳在控制系統(tǒng)的作用下同時正轉或反轉，以實現(xiàn)目的；在執(zhí)行左轉或右轉任務時，右轉則右側螺旋槳正轉，左側螺旋槳停轉，由于右側產(chǎn)生推力，則潛行器能向右轉動，左側同理。另外，在潛行器重心處還安裝有一個螺旋槳驅動，能通過此螺旋槳的正反轉來控制潛行器的上浮和下沉。數(shù)據(jù)計算：為滿足水下潛行的動力需要，需要計算出電機的功率，以確定是否能達到預期的潛行速度，在螺旋槳選定時，需要確定螺旋槳的直徑D，確定螺旋槳的螺距比，以及螺旋槳的推力系數(shù)Kr；在電機選定時，需要知道電機的最大功率，電機的KV值（輸入電壓增加1伏特，無刷電機空轉轉速增加的轉速值）。確定上述數(shù)值后，代入螺旋槳的推力T的公式：式中為水的密度、轉速的平方、螺旋槳的四次方以及螺旋槳推力系數(shù)的乘積，最終得出的螺旋槳推力與電機能產(chǎn)生的推力相比較，螺旋槳的推力略小于電機的推力時，說明選擇良好，滿足所需推力要求。3.4殼體設計殼體形狀：水下潛行器根據(jù)功能不同，有很多種外形結構，此設計對功能要求并不具體，所以只需滿足幾點共性要求即可：結構的流暢性好，承受阻力小；具有良好的創(chuàng)造性，工藝良好，加工容易；作為微型潛行器，靈活性要好；因此設計的是微型潛行器，主要考慮外殼結構的流暢性，承受水的阻力小，能使其活動靈活。因此選用潛艇式結構，能符合以上幾點要求。圖3-7水下潛行器前端結構圖殼體密封：由于此設計是在水下工作，所以對密封要求較高，密封效果直接影響到設計的完成度，一點細微的縫隙，都會讓水進入艙體，使電子器件損壞。由此可見密封對整個設計的重要意義。同時，密封也是設計的一大難點，尤其是各個部分的銜接處。本文采用的是“接觸密封”，此潛行器一共包含兩個部分，即潛行器前端和后端，前端放置探照燈，后端為電子器件艙，兩艙之間的接口處，由于不需要活動，則為靜態(tài)密封。在兩者之間安裝一個高韌性和高彈性的輔助部件，能夠在水的壓力下擠壓變形，也能阻止水進入艙內(nèi)，保證兩艙之間的密封度。一般選用的是橡膠圈或橡皮筋等。為達到更好的密封效果，還可在銜接處涂一層硅脂或潤滑油，安裝和拆卸也更方便操作。如圖28為詳細結構。圖3-8密封圈殼體防腐措施：水下潛行器由于多在水下工作，會對潛行器造成一定程度的腐蝕，影響其使用壽命，為減小此現(xiàn)象產(chǎn)生，一般采取以下幾種措施：艙體縫隙銜接處采用膠水處理；若有裸露在外的金屬部分，應涂上防生銹油脂；在水下工作后，對外部進行淡水沖洗，并放在干燥處晾干；對設備進行定期檢查；3.5懸浮設計潛艇密封壓水倉的作用是通過其壓水艙進水和排水的方式來控制潛器下潛和上浮。目前我國大部分壓水艙系統(tǒng)都運用此原理來調(diào)節(jié)船體的重量排布和進水深度，使船體符合作業(yè)時的海洋情況要求,保證船體在航運途中的穩(wěn)定和安全。但這種以壓水艙來調(diào)節(jié)的方式不能實現(xiàn)懸浮在固定位置。目前普遍使用通過改變重力來實現(xiàn)下潛，減小浮力對潛行器下潛的影響，有兩種體例：一種是增加自身重力，先攜帶足量下潛的重物，在需要上浮時丟棄，如中國的“蛟龍”號等潛行器。另外一種是不攜帶任何重物，利用壓水艙里進出海水的量來控制潛行器的重力，如美國新“ALVIN號”等潛行器。它的潛水部分運用的是壓載鐵下潛技術，當壓載鐵的重量大于浮力時，使之下降。由于此設計對深度要求較低，且潛行器較為微型，我采用的是攜帶較少壓載鐵的方法，使?jié)撔衅髂苓_到一定深度，然后通過潛行器中部螺旋槳的正反轉，產(chǎn)生一定的推力，來調(diào)節(jié)潛行器懸浮的深淺。3.6本章小結本章主要介紹了水下微型潛行器的硬件部分。關于如何選擇硬件，為何選擇等問題，都做了詳細的說明。由于本科專業(yè)沒有學習機械繪圖的相關知識，關于殼體的設計，描述相對較少，設計的不夠深入，主要參考了一些已經(jīng)制作完成的潛行器外殼。在防水密封問題上，提出了解決方案，能達到符合潛行器工作環(huán)境的密封程度。水下潛行器軟件設計4.1電路設計圖4-1電路原理圖如圖為此項目的電路原理圖，因其主控芯片為AT89C52，首先應畫出其最小系統(tǒng)，再根據(jù)程序對應的位置，畫出需要連接的元器件或其他芯片引腳。此電路共包括有線通信、cpu單元和電機驅動三個模塊，還包括信號傳輸，將信號傳給驅動芯片F(xiàn)M116B，使其驅動直流電機。4.2控制程序編寫此設計通過keil編寫程序，芯片AT89C52和FM116B相配合，使FM116B能接收到相應的高低電平，從而控制電機正反轉，實現(xiàn)螺旋槳的正反轉。FM116B的功能為當IN1和IN2都為低電平時，電機處于待機狀態(tài)；當IN1為高電平、IN2為低電平時，電機處于正轉狀態(tài)；當IN1為低電平、IN2為高電平時，電機處于反轉狀態(tài)；當IN1和IN2均為高電平時，電機處于停止狀態(tài)。所以要通過主控芯片的開關，控制輸出端，給IN1和IN2提供高低電平。水下潛行器共有四個電機，其中三個控制螺旋槳的轉動，分別為在潛行器尾部的一號、二號（如圖3-2），和在潛行器中部的三號（如圖3-3）。在水中實現(xiàn)上浮、下潛、左轉、右轉、前進和后退六個方向的活動，分別相應提供高低電平，來控制各個螺旋槳動作。圖4-2潛行器尾部螺旋槳圖4-3潛行器中部螺旋槳以下為編寫的程序：#include<reg52.h>#include<math.h>sbitKEY1=P3^2;//定義按鍵sbitKEY2=P3^3;sbitKEY3=P3^4;sbitKEY4=P3^5;sbitKEY5=P3^6;sbitKEY6=P3^7;sbitKEY_led=P1^3;sbitled1=P1^0;//定義小燈sbitled2=P1^1;sbitIN1_1_2=P2^1;sbitIN1_1_1=P2^2;sbitIN1_2_2=P2^5;sbitIN1_2_1=P2^6;sbitIN1_3_2=P2^3;sbitIN1_3_1=P2^4;voidmain(void){while(1){if(KEY_led==0){led1=0;led2=0;}if(KEY1==0)//前進{IN1_1_2=0;IN1_1_1=1;IN1_2_2=0;IN1_2_1=1;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}if(KEY2==0)//后退{IN1_1_2=1;IN1_1_1=0;IN1_2_2=1;IN1_2_1=0;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}if(KEY3==0)//上浮{IN1_1_2=0;IN1_1_1=0;IN1_2_2=0;IN1_2_1=0;IN1_3_2=1;IN1_3_1=0;}if(KEY4==0)//下潛{IN1_1_2=0;IN1_1_1=0;IN1_2_2=0;IN1_2_1=0;IN1_3_2=0;IN1_3_1=1;}if(KEY5==0)//左轉{IN1_1_2=0;IN1_1_1=1;IN1_2_2=0;IN1_2_1=0;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}if(KEY6==0)//右轉{IN1_1_2=0;IN1_1_1=0;IN1_2_2=0;IN1_2_1=1;IN1_3_2=0;IN1_3_1=0;}}}4.3本章小結通過對FM116B集成元器件的了解，運用keil編寫了相關程序，能實現(xiàn)控制電機的轉動。三個電機分別用三個FM116B來連接，通過AT89C52傳遞高低電平，實現(xiàn)螺旋槳的正反轉。根據(jù)電路需要的cpu單元、電機驅動和有線通信這三個模塊，進行了電路設計。仿真實驗與結論5.1控制程序仿真此設計使用proteus7.5進行仿真，由于設計所使用的芯片F(xiàn)M116B不在仿真軟件的使用范圍內(nèi)，所以只使用示波器測試信號，體現(xiàn)控制程序能對芯片輸入引腳有高低信號的傳輸。如下圖5-1為仿真電路圖：圖5-1仿真電路圖將程序下載到仿真中，得到六個輸入信號，分別對應三個芯片F(xiàn)M116B。潛行器為前進狀態(tài)，即1、2號螺旋槳正轉，3號螺旋槳待機。圖5-2仿真結果圖潛行器為后退狀態(tài)，即1、2號螺旋槳反轉，3號螺旋槳待機。圖5-3仿真結果圖潛行器為上浮狀態(tài)，即1、2號螺旋槳待機，3號螺旋槳反轉。圖5-4仿真結果圖潛行器為下潛狀態(tài)，即1、2號螺旋槳待機，3號螺旋槳正轉。圖5-5仿真結果圖潛行器為左轉狀態(tài)，即1號螺旋槳正轉，2、3號螺旋槳待機。圖5-6仿真結果圖潛行器為右轉狀態(tài)，即2號螺旋槳正轉，1、3號螺旋槳待機。圖5-7仿真結果圖5.2水下微型潛行器實現(xiàn)功能此設計水下微型潛行器能實現(xiàn)通過有線傳輸信號，使水上控制端能準確控制水下潛行器的六個方向上的運動、潛行器前端照明燈的亮暗、能在水中懸浮和保持平衡。5.3本章小結此小節(jié)將設計進行仿真實驗，通過仿真可以看出，潛行器能實現(xiàn)上述功能，由于沒有進行實物制作，可能存在一些外界干擾因素，但從仿真結果看，控制程序部分可以實現(xiàn)。結論針對目前人們對水下世界的探索熱情，本文設