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基于单片机的多功能水下机器人设计与实现——面向科研与捕捞需求

内容摘要

随着水下机器人相关技术的发展，人们越来越多地选择使用水下机器人代替人类进行水下作业任务。然而目前市售水下机器人多为观测型娱乐机器人，无法提供有效任务载荷，且出于产品定位问题，在售娱乐型水下机器人并不适合进行水下科研或海洋捕捞任务。

因此，目前急需专门针对高校等科研院所科研任务需求和海洋牧场的海产品捕捞需求设计的多功能高负载水下机器人，用以进行如水下目标物抓取、水下环境观测、水体采样、海生物捕捞等任务。通过此款水下机器人，研究人员可以快速、便捷地获取水体数据，海洋牧场从业者可以安全、高效地捕捞海珍品。

本文从任务型水下机器人的市场需求出发，设计了专门用于水下观察与水下目标物抓取的水下机器人，完成了如下工作：首先，对水下机器人进行了需求分析，明确了机器人平台的性能参数，对系统整体方案进行了设计描述。然后，对实验平台的硬件系统进行设计描述，对机器人所需零件进行了选型，对框架与内部结构等进行了建模设计。再后，对实验平台软件系统进行了设计描述。最后，对制作的水下机器人进行了测试。

关键词：水下机器人；水下抓取；海洋捕捞

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1课题的背景及意义 4

1.2国内外发展现状 4

1.2.1国外水下机器人发展现状 4

1.2.2我国水下机器人发展现状 5

1.3本文的主要内容 5

2系统整体方案设计 6

2.1设计要求 6

2.1.1水下机器人本体功能性分析 6

2.1.2上位机控制箱功能性分析 7

2.1.3非功能性分析 8

2.2方案设计 9

3硬件系统设计 10

3.1系统芯片介绍 10

3.2硬件框架设计 10

3.2.1水下机器人框架设计 10

3.2.2上位控制箱设计 12

3.3硬件电路设计 14

3.3.1控制舱单片机电路设计 14

3.3.2扩展电路设计 14

3.3.3上位机控制面板电路设计 16

4软件程序设计 18

4.1系统控制流程图 18

4.2控制程序的设计 22

4.2.1STM32H750VBT6软件设计 22

4.2.2Arduino软件设计 25

4.2.3香橙派4LTS软件设计 27

5测试 30

5.1总体装配 30

5.1.1水下机器人装配 30

5.1.2上位控制箱装配 31

5.2实验平台系统测试 32

5.2.1传感器测试 32

5.2.2舱体密封性测试 34

5.2.3运行作业测试 35

6结论 36

参考文献 38

1绪论

1.1课题的背景及意义

中国是一个海洋大国，领海面积约470万平方公里，这广阔的海洋中具有大量可开发利用的生态及经济价值。党的十八大以来，习近平总书记围绕建设海洋强国发表了许多重要讲话，做出了许多重大部署[1]。2021年中国海洋经济总量再上新台阶，首次突破9万亿元，比上年提高约8.3%，对国民经济增长的贡献率为8.0%。可以说，海洋事业已经成为国家发展的重要战略领域之一，在加强国际贸易合作、提供国家资源保障、实现国家利益拓展等方面的战略价值也越来越突出。水下机器人作为一种探索海洋的可靠手段，正越来越多的投入到国家海洋发展的大计中来，消费级水下机器人让大众对水上运动、海洋、环保有更多的了解和认识，科研类水下机器人让科学家们对海洋有了更多的了解，工业机器人助力更好的开发海洋资源[2]。这一切，都说明了水下机器人在我国有着广阔的发展空间。

水下机器人是一种由人工或电脑智能控制，在水下工作的机器人。水下机器人主要由主控MCU、推进器、摄像头、传感器、水下照明灯和零浮力脐带缆等元件组成。在本文中，从机器人性能与成本两个角度考虑，选择使用STM32H750VBT6单片机作为主控MCU。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外水下机器人发展现状

国外水下机器人研究已有近70年的历史。以美国为代表的西方发达国家，先后研发了ROV、AUV、ARV[3]，以及水下滑翔机等多种不同类型的水下机器人，成功用于深海资源调查、海洋科学考察、水下有哪些信誉好的足球投注网站救捞等领域。

目前，美国、加拿大、英国、法国和日本等发达国家在ROV领域处于领先地位，占据了绝大部分的商用市场份额。这些国家已经拥有了从水面支持母船到潜深3000~11000m的系列深海装备，通过装备之间的相互