基于钢架网箱清理控制系统的研究

张 浩 崔新忠 丁树兵 尹 杰 卢佳乐 王隽屹 张津宁

大连海洋大学信息工程学院 辽宁大连 116023

随着智慧海洋牧场的发展，网箱养殖在世界各地得到了迅速而持续的发展。伴随着养殖网箱的发展，网箱长期浸泡在海水中，易受其他海洋生物的侵害，会有很多的海洋生物如大量的藻类、贝类往往会附着在养殖网外围。目前，国内网衣清洗方式包括定期换网法、人工清洗法、升降下沉法、生物澄清法和机械清洗法等，存在清洗周期长、清洁度低、清洗成本高、效率低等问题。

基于目前清理方式所出现的缺点，我们将网箱清理装置与水下机器人相结合，通过STM32系统来建立其控制系统，对其运动轨迹进行规划，到达指定位置控制其清理装置对目标区域进行清理，来达到自主清理的目的。

1 系统概述

钢架网箱清理控制系统整体包括硬件部分和控制部分，硬件部分包括供电模块、运动模块、感知模块、通信模块。控制部分由上位机进行控制。其系统概述如图1所示。

1.1 硬件结构的设计

钢架网箱清理装置的结构设计包括充气仓(提供浮力)、密封舱、推进器、摄像头、履带、电磁铁(提供吸附力)空化射流装置。供电模块：我们采用岸上供电，可以提供更长时间的续航能力，能够长时间进行工作。运动模块：利用STM32进行控制8个推进器提供推力控制其在网箱上各个方向的运动，底部的履带提供动力，控制其前行。感知模块和通信模块处于密封舱之中，提供良好的密闭空间，保证电器系统安全运行。感知模块通过传感器进行传输数据，深度传感器、姿态传感器、漏水传感器、摄像头通过飞控进行数据的收集，同时飞控控制推进器进行方向上的改变。通信模块：飞控与树莓派相互连接到RS485有线通信进行与上位机的通信。空化射流装置在其底部，实现对网箱的清理。结构设计如图2所示。

1.2 控制系统设计

水下清理机器人总体控制方案是设计的核心所在，控制系统主要包括水上控制器、姿态控制系统、图像控制系统、清理控制系统四部分。

1.2.1 水上控制器包括遥控器和上位机

通过QgroundControl设置器控制方式，GPS获取运动空间坐标。控制器作为整个水下机器人的控制中心，一方面对传感器数据进行融合，获取水下机器人的运动状态，在外界干扰条件下做出控制指令维持水下机器人机身自平衡；另一方面通过接收遥控器指令响应相应的动作[1]。通过线缆与水下控制系统相连接。

1.2.2 姿态控制系统

感知模块与主控制器STM32构成姿态控制系统，感知模块包括姿态传感器、深度传感器、漏水传感器，水上部分包括STM32单片机、控制器、上位机控制软件。如图4所示。

姿态传感器：在水中我们需要了解水下机器人是否保持平衡，我们需要利用MPU6050自带的结算算法对机器人在水中的位置姿态信息进行实时监测，并根据传输的数据对水下机器人的姿态进行调整保证机器人的平稳运行。如图3所示。

深度传感器：MS5837压力传感器拥有IIC通信接口和SPI通信接口，内部集成压力传感器和温度传感器具有良好的防水性，可测量范围水下100米范围，广泛应用在水下机器人中。

1.2.3 图像控制系统

图像采集的主控板选择树莓派，树莓派通过控制舵机转动从而控制小型云台的位置，改变摄像头位置。摄像头则通过SCI接口直接连接到树莓派，通过远程连接将电脑和树莓派相连，控制摄像头完成响应的动作。

1.2.4 清理控制系统如图4所示。

2 空化射流清理技术

空化射流清洗技术是将空化引入水射流技术而形成的一种新型水下设施清洗技术。通过控制压力、流速等参数，在水流通过空化喷嘴时产生大量的空化气泡，利用空化气泡在材料表面的狭窄区域内溃灭产生高达140～170MPa的微射流冲击，从而达到清洁设施表面附着物和污垢层的目的。与其他清洗技术相比，该技术不仅具有高效、节能、环保、安全等优点，而且具有不伤害设施基材、很少或完全不伤害完整防腐层的显著优点。

2.1 吸附结构

如图5所示。

要实现网箱的清理工作，需要电磁铁的吸附作用将水下机器人固定在网箱之上。为了保证在稳态下提供足够的保持力，并降低功耗，在电磁铁两端加了若干圆柱形的永磁；为了增大磁场吸力，在衔铁两端增加了端片，以增大衔铁极面面积。如图6为电磁铁结构图[2]。

2.2 清理方式

采用空化射流技术，通过增压泵进行加压，与水下机器人进水口相连接通过空化射流喷嘴喷出。空化是由于液流系统中的局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸气压力)使液体蒸发而引起的微气泡(或称为气核)爆发性生长[3]、发展和溃灭的现象。收缩管道内水流流动产生的空化现象如图7所示。图中表示一段收缩管道内的水流，上游压力为P1，下游压力为P2，收缩段压力为Pc，水流速度为u，当地绝对压力P[4]。

3 清理过程模拟演示

如图8所示，清理装置下潜到水中，T200推进器提供动力确保其在水中各个方向上移动，到达网箱附近，吸附于网箱之上，内部传动装置带动履带运动实现其在网箱上的运动。电磁铁工作，吸附于网箱之上，通过设置相应的参数使其能够在正常移动情况下实现稳定运行。利用空化射流来进行清理，加压的水通过空化射流喷嘴实现清理功能。

4 网箱清理技术在渔业发展的应用

水产网箱养殖技术是近些年来发展的一种新型的养殖方式，在我国，海水网箱大量集中于港湾内，养殖密度高于海区的环境容量，在这种高密度的养殖条件下，安全有效的网箱清理可以减少寄生生物对网箱网衣的附着。缺乏安全有效的网箱清理方式会使鱼类的生长受到影响，养殖环境自身污染严重，网箱内外水流不畅，引起鱼病频发，养殖鱼种品质下降。目前国内网衣清洗方法有定期换网法、人工清洗法、升降下沉法、生物去除法和机械清洗法等，清洗周期长、清洁度低、清洗成本高、效率低。

通过水下网箱清理机器人代替人工，降低劳动强度，提高安全系数。利用空化射流清理技术，可以更好地对网箱进行清理；能长时间工作在水下，提高工作效率，清理更加可靠。这种水下网箱清理机器人能够在深海进行远距离操控，必然会发挥不可代替的作用。

结语

本文主要介绍了基于钢架网箱清理控制系统的研究，将空化射流技术与水下机器人相结合，形成一个完整的清理装置，通过控制器来控制其运行，QgroundControl设置器控制方式，GPS获取运动空间坐标，利用姿态传感器MPU6050来调整平衡状态，深度传感器MS5837对其深度进行实时监测，图像采集的主控板选择树莓派，树莓派通过控制舵机转动，从而控制小型云台的位置，改变摄像头位置。摄像头则通过SCI接口直接连接到树莓派，进行远程连接，将电脑和树莓派相连，控制摄像头完成响应的动作。利用PID算法设计器控制程序，控制水下机器人运行。到达目的地后，电磁铁会吸附于网箱之上，空化射流装置进行工作，通过空化射流喷嘴实现对于网箱的清理。网箱清理技术能够更好地服务于现代化海洋牧场，推动中国海洋渔业的发展。