侯茂林、马春燕、庞健、安宝

（太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原 030024）

0 简介

遥控潜水器（ROV）可通过人力遥控完成

长期、大范围、危险区域水下作业的重要工具，可完成一些复杂的水域作业

域检测和分析任务。由于水下环境复杂，考虑到人身安全，水下机器人可以

到达人类无法到达的区域并获取水域中的信息和数据，将获得获取的信息和数据

上传到地面后，它逐渐成为人类开发水下资源的主要工具[1-2]。在附近海域，

当环境狭窄、水下地形复杂，以及执行一些特殊任务时，机器人的优势就会显现出来

明显突出。水下大坝水下机器人检测、水下搜救、水下环境监测、城市地下

管道测试等领域投入使用并发挥着越来越重要的作用[3]。

对于小型水下机器人来说，有着更深层次的技术积累。

一个发达的国家。美国Seabotix的LBV150水下机器人是一款非常好的

稳定的小型水下机器人可以实现自动化作业。 Nekton的“巡逻兵”首领是

0.92 m，直径0.09 m，重量4.5 kg。配备温度盐深、叶绿素、氧含量等传感

该装置主要用于海洋环境监测与多水下探测器的协调控制研究[4]。雷姆斯-100

它是美国Hydroid公司开发的一款低成本水下机器人。它结构紧凑，重量轻

轻型水下机器人可配备多种传感器以满足不同任务的需求[5-6]。小型水下机

人们具有节能、成本低、运动灵活、可在浅水、地形狭窄等条件下作业的优点。

下一个机器人的小型化设计和多功能水下机器人的技术研究可以解决国内人民的难题

使用小型水下机器人的困境，未来也将有更广泛的应用空间[7-8]。首先

使用solidworks设计小型水下机器人结构。基于这个结构，STM32 micro采用

控制器完成了控制系统的设计，提出了模糊串级PID控制方法。终于在水下

测试验证了小型水下机器人控制系统的有效性和良好的水下运动性能。

1 水下机器人结构设计

设计的小型水下机器人具有体积小、结构紧凑、安装携带方便等特点，结构、结构

具有对称性和较小的电阻，各部分独立设计，可以轻松实现结构的扩展[9-

10]。水下机器人的主要特点是：外部采用侧面连接板固定螺旋桨，同时连接侧面

板子预留空间，方便以后挂载其他设备；

实现，节省内部空间，具有更好的空间利用率。水下机器人结构参数如表1所示

展示。

表1 水下机器人结构参数

水下机器人由本体框架、耐压电子罐、控制系统、运动系统等模块组成。经过

Solidworks完成水下机器人的机械结构设计和模型绘制。水下机器人

Solidworks模型如图1所示。框架通过合理布局使得水下机器人保证

稳定，且重心与心脏保持在同一垂直线上。

图1 水下机器人模型

机体框架是水下机器人的本体。用于安装水下机器人电子舱、螺旋桨等附件。

由于在水下工作，水下机器人的主机架重量更轻、耐腐蚀、强度和硬度高

尼龙材质。使用2块8毫米侧板，一体化成型，4个半圆管扣来浇水

下部机器人总成一体化，侧板上预留安装孔，方便安装推料器和传感器。

电阻电子舱位于机身中部。用于封装控制器、电源板等电子器件。这是整个ROV

系统活跃的提供者。为了减少水下机器人作业时的阻力，降低能耗，采用舱体

采用圆柱管作为主体。根据水下机器人工作环境要求，圆柱密封及前端

摄像机导流罩采用PMMA，机械强度高、耐磨、耐腐蚀。 PMMA非常高

透明度清晰视野可达92%透光率，可以保证摄像头的正常工作和

观察机舱内的工作情况。水下机器人的密封对于整个系统至关重要。目前耐压外壳

密封大多采用静密封，即使是用O型圈固定在机舱与法兰之间，也能防止泄漏。

控制系统主要负责水下机器人的运行。它是机器人的核心部分。

动态控制系统、通信系统、能源系统等组成

水下机器人利用水下直流无刷电机驱动螺旋桨产生的反推力作为驱动力，ROV

采用6个水下推进器为其提供动力，推进器放置在两侧连接板上，布置位置和方向

如图2所示。

图2 推送装置布置位置及方向

螺旋桨的对称布局可实现前进、升降、转向、悬挂等。

行动。为了避免中心线在动力不足方向的旋转运动，对角线上的两个垂直

直桨旋转方向一致，而不是对角线上的两个垂直螺旋桨，旋转方向相反，水

两个推料器旋转方向相反，防止水平推料器产生水平滚动扭矩[12]。

2 水下机器人控制系统

水下机器人的控制系统首先要完成最基本的运动控制，其次可以处理传感器

数据，接收上地机指令，实现水下信息采集、图像视频传输等功能[13]。

2.1 硬件设计

水下机器人控制系统的硬件电路架构如图3所示，该架构由STM32控制板负

负责控制水下机器人和传感器数据收集。

传输、以太网通信模块配合光纤完成水下机器人与地面的有线通信。

本机通过串口实现与Raspberry Pi的数据传输。电源管理模块提供各模块的工作

需要电压。

图3 水下机器人硬件电路总体架构

演习过程中，水下机器人需要采集运动姿态信息和传感器数据，并有效接收远距离

指令的规定，因此对处理器的速度和运算能力提出了更高的要求。考虑市场

微控制器采用意大利半导体的STM32F407单片机作为主控芯片。

STM32F407单片机基于高性能ARM® Cortex®-M4 32位RISC内核，运行高达

168 MHz频率，其强大的运行速度和数据处理能力可以满足大多数简单的控制

机器人系统的需求。

水下机器人供电系统采用9Clghe4的18640电芯，6S高容量锂电池

在圆柱形柱的外观上，可以达到40 A的放电容量，容量为10 400 mA·h，有一定的保证

保护功能。 24V电压可输出5V和12V电压给主控和电源。

水下机器人控制系统功能的实现需要远距离的通信方式。确保水下控制和

光纤通信利用了视频传输的实时性。光纤通信是以光导纤维为基础的传输机构

采用光信号在介质中传输的优质远距离通信方式，具有传输速度快、距离远、耐久等特点

能力强的优点是在数据传输过程中利用光电信号，将数据传输过程中的光电信号进行变换。

传感器模块主要负责采集水下实时信息。传感器数据采集包括温度、深度、

手势角等。水下机器人本体尾部通过螺纹螺钉安装MS5837压力传感器，同样

具有深度和温度测量功能。通过I2C协议与单片机通信，采集传感器数据

经过滤波、修正、温度补偿后，得到准确的压力值，从而对水下机器人进行计算

深，同时，传感器具有优异的防水性能。

为了提高水下机器人手势信息的准确性，姿态传感器采用MPU9250，其设置

变成了陀螺仪、加速度计、磁力计。通过SPI通讯与单片机通讯良好

动态响应特性。根据水下机器人的结构和功能设计，单片机输出7个脉冲

信令信号，其中6路用于启动器速度控制，实现水下机器人姿态控制

调整，使用1种方式控制舵机实现相机二自由度运动，增加水下相机的拍摄

角度。

2.2 软件流程

水下机器人主程序控制流程如图4所示。

图4 主程序控制流程

图中，主程序启动后声明该语句生成任务调度表，需要将附加任务添加到任务表中添加新任务

代码。任务项需要说明任务功能名称、运行时间单位、运行时间，控制器可以

有效估计运行时间。主程序完成任务调度表的语句后，需要获取任务的地址

以及数量，装载设备的默认参数，初始化任务，并确定任务调度周期的时间

分开了。完成上述步骤后，程序进入任务的循环调度，有序地执行任务。执行任务时

在循环调度中，判断当前设备的工作运行模式，并初始化相应的运行模式

配置，自动模式配置完成设备位置、姿态和电机的控制，在手动模式下接收

远程控制指令，控制推进器的电机，实现水下机器人的实时控制功能。

3 水下机器人运动控制算法

水下环境复杂多变，高效的运动控制是水下机器人完成各种任务的基础。水下

机器人采用的控制方法有PID控制、滑模控制、神经网络控制等，但水流复杂

下层环境对水下机器人的实时性要求较高。虽然先进控制具有很大的优势，但是

调节过程中操作复杂、参数困难、水下环境适应性差，因此大多

停留在模拟计算上，实际工程中很少使用[14]。

目前，大多数PID和优化算法都用于实际应用中。数字PID控制算法一般有两种：

位置控制算法和增量控制算法。本文采用增量控制算法，具体表达式为：

式中：u(t)为PID控制器的输出控制量； E(T)为控制系统中系统输入的输入期望值与实际输入值

价值观之间的差异； KP、Ti 和 TDs 分别是控制器的比例、点数和微编译系数。一般的

(1) PID离散后的表达式：

式中：T为采样周期； u(k)为K时刻Kiming时PID控制器的输出值；

系统输入与反馈值之间的偏差。由此可以得到第K-1次的输出U(K-1)，依次为

k次增量ΔU(K)输出的表达式：

串级PID控制是将两个PID控制器串级连接成内环和外环控制回路。

对主变量输出内环的控制量进行控制，内环可以提高系统的动态性能和稳定性。

并提高系统的控制效果。由于水下机器人是一个变化的非线性系统，处理起来比较困难

为了建立精确的模型，本文使用模糊串级PID控制。模糊控制（fuzzy Control）是

模拟人类推理和决策的智能控制方法不依赖于精确的数学模型。

人们在无法建立精确数学模型的非线性控制系统中具有很大的优势。模糊控制器

根据误差和误差的变化率输出PID参数的调整量，然后相加

最终通过串级PID控制来实现控制参数的统一。控制原理图如图5所示，采用模糊控制

内环控制器参数的输出量，外环控制器的系数采用初始参数。

图5 Vague串级PID控制原理图

4 水下机器人实验测试

为了测试水下机器人运动和手势控制的控制系统，在如图所示的水池中进行了水下机器人的运动和姿态控制。 6

进行机器人运动实验。在水下进行直线运动、旋转运动以及更深层次的练习，观察水流

机器人的运行状态。

图6 实验环境

水中直线-转向-直线运动过程中偏振角的变化如图7所示。在0～11 s时，

当水下机器人维持初始导航角度120°时，11-18s时，仍保持持续转向至最终航向角

接近120°时，机器人可以接收上机指令，在整个水下运动过程中稳定运行。

图 7 极性

深部曲线如图8所示。从图8可以看出，0~20s时，水下机器人稳定下潜，无

出现较大的抖动，在水下稳定盘旋20s后，保持在1m左右的深度。水下

实验结果表明，所设计的控制器基本能够实现水下机器人的功能。水下水下

此次测试中还对ROV进行了测试。

图8 深度曲线

为了测试水下机器人图像系统，将仿真鱼模型放置在水中，相机可以清晰拍摄

仿真鱼，摄像头拍摄的画面如图9所示。

图9 相机水下图像

5 结论

本文设计了一个水下机器人结构，并使用solidworks软件创建了3D模型；第二、、第二、

提出一种基于STM32单片机的水下机器人控制系统架构和模糊级PID

算法。水下试验结果表明，水下机器人可以在水池中实现姿态控制和定深控制。

控制系统具有良好的运动控制能力；水下摄像机可以清晰拍摄水下画面

传输至上位机。使得水下机器人控制系统的执行效果更加稳定可靠，但

作为浅水区探测的工具。

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