摘 要：在古代的的科技不时开展的背景下,人们关于交通有着更大的需求,特别是古代水下作业存在着困难,障碍了我们对海上的运输与探求的开展状况,让机器人替代人力完成水下作业是一个趋向,所以对对水下无人机的研讨是有必要性的。无人水下飞行器可以分为遥控式飞行器、自主水下飞行器和水下滑翔机。而遥控式飞行器可以更大地满足于人们的要求,运用范围也更具自主性,而且遥控式的水下无人机还能为航道轨道的采集、轮船底部的察看等海底勘探任务和协助我们探寻水下世界,协助我们在水下停止摄影艺术的创作,是人类探究陆地和开发应用陆地资源的重要工具。我们现以小型化、经济性和波动性为目的,设计并制造了一款可以承受人的手动控制,停止水下画面传输,实时监测水下状况。

  1 研讨背景

  陆地包含着丰厚的矿产、生物和陆地能等资源。随着我国经济继续、疾速开展以及人口的急剧添加,海洋上资源迅速增加、生态环境日益好转,我国开端增强对陆地资源的探测、开发和应用。合理开发、应用陆地资源是我国21世纪开展的需求。开展陆地环境侦查、探测技术关于维护、开发和应用陆地资源、维护国度陆地权益、停止陆地灾祸预告和开展国民经济等方面具有严重意义。此外,陆地环境侦查和探测技术在维护疆土平安、避免内奸入侵等军事方面也有至关重要的作用。

  目前,通常所见的水下无人机都是由4个以上的驱动器组成,驱动器的数量多且每个驱动器频率十分大,需求消耗相当大的电量且拍摄时摄像头普遍为固定形态而无法转动,加之水流的影响使得无人机在水下拍摄的时分不能拍出用户想要的效果；且市面上的水下无人机大多疏忽了流膂力学的研讨,招致在水下行驶迟缓且耗电量大；因而市面上的水下无人机任务效率普遍不高。

图1 无人机的设计图

  1、外观；2、3、游行推进器；4、垂直推进器

  无人水下飞行器经过通讯方式传递数据、指令、声响、图像等信息。ROV运用有线通讯方式,通讯技术除了在通讯线缆的资料上要思索海水环境和同时跟动力电源在一根线缆上的抗搅扰成绩,跟在地上的有线通讯技术差异不大。AUV跟UWG运用无线通讯方式,跟在空气中的无线通讯方式不同,水下环境对电磁波和光波的传递发生了限制。在水下无线通讯方面还有很多成绩需求处理。随着协同导航控制、组合导航控制技术的开展和水下结合举动的开展,无人水下飞行器的无线通讯从之前的点对点通讯,逐步开展成网络通讯,数据传输速度传输间隔等的需求在也添加。

  2 研讨内容 2.1 机械设计

  2.1.1 模型外观

  本文引见水下无人机外形呈圆弧形的机身和圆滑的流线型机翼,次要用于减小机翼两侧螺旋桨启动时所带来的水流的冲击以及机身在行进时所带来的流水的阻力。外壳所运用的资料次要是碳钎维加树脂,其特点是强度高和可塑性好,具有耐腐蚀,耐疲劳耐低温,比功能高,能让外壳接受水压和易于成型。同时由于树脂拥有了防水性,易于我们前面的防水的处置。防水性用将环氧树脂与固化剂按比例分配后涂在碳纤维上,再防水胶将上模与下模拼合,环氧树脂具有较好的密封性和活动性,更易于填补碳纤维的孔洞。总体设计如图1。

  2.1.2 机构设计

  无人机在行进时的水流用大箭头表示,与无人机的机身停止冲击后,因机身的外形为椭圆形的,水流会沿机身的上下模面流去,使机身的上上面负压受力,上外表受力F1,下外表受力F2,因F1=F2,所以机身在遭到水流的冲击时仍然可以坚持均衡。如图2和图3所示。

图2 无人机的流体剖析图

图3 无人机的运动受力剖析图

  无人机是由3个水下推进器组成的,两个游动推进器和一个垂直推进器,当无人机放在水面时,会出现程度的形态。需求下潜时,开启垂直推进器,使电机的推力大于水的张力,使整个机身进均衡下潜,下潜的越深,所遭到的水的浮力越大。当无人机需求停止左转时,开启3号的游动的推进器,左右的游动推进器存在着速度的差值,所以速度快的会发生转向。当无人机需求停止右转时,开启2号的游动的推进器,左右的游动推进器存在着速度的差值,所以速度快的会发生转向。当2号和3号的推进器不存在差速时,无人机停止直线行进。

  2.2 控制零碎设计

  2.2.1 控制概略

  本项目的控制原理经过手柄发送信号,经过串口STM32单片机读取并接纳数据,并控制水下无人机垂直推进器的正反转从而来控制上升下降,经过机身两侧的程度推进器控制的正反转无人机的行进前进以及转弯,经过控制云台的电机旋转改动云台的地位。

  2.2.2 控制原理及使用

  采用无刷电机作为水下无人机的动力源,无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。由于无刷直流电动机是以自控式运转的,所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组,也不会在负载渐变时发生振荡和失步。且无刷电机相比有刷电机而言,寿命更长,且耗电低。无刷电机通常是数字变频控制,可控性强,从每分钟几转,到每分钟几万转都可以很容易完成。

  STM32F103作为下位机的控制芯片,运用了单片机上的定时器、串口通讯和PWM。下位机一通电,首先经过定时器模仿出1ms的PWM对无刷电机停止解锁,当解锁终了后驱动电机进入等候手柄的开端信号,假如取得启动信号,水下飞行器将会依照手柄控制的要求停止上浮下潜、行进前进和左转右转的运动。当无控制信号输出时,无人机坚持悬浮在水中。当手柄摇杆的模仿量改动时,下位机重新读取模仿值对PWM的数值停止更改,从而改动电机的转速,到达控制无人机的上下左右运动。在图像传输方面,经过两个电机带动摄像头停止多角度拍摄,当手柄给予控制信号,下位机对手柄信号停止相应的转换,从而控制电机的旋转,进而改动云台的任务地位,使得无人机在水下可以愈加颠簸的操控,停止多角度拍摄。再经过WIFI模块采集水下视频信息并传送到电脑显示,从而对水下环境实时监测。

  经过上述方案,水下无人机可完成在水下人为操控行走,并且经过机翼两侧电机旋转差速,来完成无人机的转弯；云台的架设使得水下无人机可以上下垂直拍摄,拍摄范围广。并经过图传模块,对水下的状况停止实时拍摄。

  3 结语

  无人水下飞行器在军用如反潜、猎雷、水下情报侦查等和民用如陆地水文环境观测、海底油气管线安放检修、水下考古等范畴有普遍使用,随着陆地开发步伐的放慢,无人水下飞行器将向着多飞行器协同任务、相比陆上通讯而言,水对无线电波衰减才能远大于空气,何况海水导电才能比水强,对无线电波衰减才能更强,所以要完成水下无人机的水下通讯成绩；无刷电机虽然绝对有刷电机而言,对电源耗费低,但想长工夫在水中悬浮还需处理无人机在水下的动力成绩。在水下不确定的任务环境下,还待需求处理水下无人机的高速率的通讯,高精度的传感等成绩。

  参考文献

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