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摘要：此航行器是以小型化、模块化、经济性和可靠性为设计目标的多运动态新型水下航行器，并针对其在复杂海况下的运动学与动力学、航行控制以及绕流场特性等若干关键理论问题进行了系统深入地研究。电子元器件以及控制部分完全集成于中部的亚克力舱体中，这种设计拥有更加好的防水密闭性。不同位置的六个推进器的配合，可实现上浮、下潜、前进、后退、转向等基本动作和水下抓取动作。
关键词：水下航行器;技术;设计
一、研究目的
水下航行器作为一种高技术手段，在海洋这块人类未来极具价值的发展空间中起着至关重要的作用，发展水下航行器的意义是显而易见的。人们获取海洋数据的方法目前是昂贵且有限的。随着水下作业需求的增加，一款灵活稳定，造价合适的航行器是人们急需的。
对一款优秀的海洋航行器而言，灵活的运动与平稳的姿态是必不可少的。海翼航行器的6个电机赋予了它远超一般航行器的灵活性，同时也令其实现了水面滑行、垂直下潜、悬停等一般航行器难以实现的动作，在鱼群监察、地质勘探等方面有巨大的应用前景。利用mpu9250模块对运动姿态进行解算，结合四个纵向电机，使得海翼航行器有极强的自稳定性。照相、图像回传等功能更好地帮助使用者探索海洋、完成水下作业。并且，充足的动力以及丰富的预留接口使海翼航行器能搭载多种不同的附加模块，满足各种水下作业的需求。
二、国内外研究现状
全世界ROV的型号在270 种以上， 超过400家厂商提供各种ROV整机、零部件以及ROV服务。小型ROV的质量仅几千克， 大型的超过20 t， 其作业深度可达10 000 m以上。在ROV技术研究方面，美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利、俄罗斯、日本等国处于领先地位。
由于在探测技术、工艺水平、导航与定位等技术上与国外存在较大差距以及国内需求较少， 国产ROV并不多， 从事应用型ROV产品开发的公司较少。国内ROV用户绝大部分使用进口产品， 不仅价格高、配套服务难， 而且有些产品并不适合中国海区的使用特点， 机动性、抗流能力及作业能力都显不足。因此， 随着我国海洋开发事业的发展和不断增长的市场需求， 开发研制适合我国使用需求的ROV就显得十分必要和紧迫。
三、项目特点
1）海翼航行器6个电机结构的设计赋予了它远超一般航行器的灵活性，同时也令其实现了水面滑行、垂直下潜、悬停等一般航行器难以实现的动作，在鱼群监察、地质勘探等方面有巨大的应用前景。
2）利用mpu9250模块对运动姿态进行解算，结合四个纵向电机，使得海翼航行器有极强的自稳定性。
3）照相、图像回传等功能更好地帮助使用者探索海洋、完成水下作业。
4）海翼航行器具有良好的稳定性，添加了一款可实现抓取功能的机械臂。
5）本项目拟在亚克力半球罩内加装一基于树莓派3B+的摄像头，在获取图像的同时对其进行相应处理，使其能实现目标追踪，自主夹取等功能。
6）航行器两侧翼的设计，仿照战斗机机翼的外型，设计为厚度较薄，翼面较大的翼型，可以减小水平方向上受到的阻力，提高推进速度，并增强航行器的稳定性。
四、技术路线
（一）整体设计
海翼航行器拥有六个电机，左右两个轴向电机是其主要推进动力来源，四个纵向电机能使其实现诸如改变俯仰角、垂直升降、悬浮等动作，这也使得海翼航行器能在水中灵活的游动。同时，两翼间的减震弹簧能有效的降低主舱的抖动，使得摄像头获取到的图像更加清晰。挂载的mpu9250模块能实时获取海翼航行器在水中的姿态，通过PID等算法控制四个纵向电机，使得其在水中的运动姿态更加平稳。
4.1.1海翼航行器的外型设计
航行器两侧翼的设计，仿照战斗机机翼的外型，并考虑到在水下航行的一些特点，设计出厚度较薄，翼面较大的翼型。通过固定件和螺栓固定在亚克力桶两侧，在水平方向上可以减小阻力，提高推进速度;增加自身的浮力和在水中竖直方向上受到的阻力，增强航行器的稳定性。
4.1.2防水及稳定性设计
利用亚克力桶很好的防水性，把各种电子元器件封装在桶内，电线通过桶后的插线螺丝引出，再用防水胶密封，具有良好的防水性。同时，利用亚克力桶自身较高的强度和刚度，把各种动力装置通过固定件固定在亚克力桶上，保证了动力系统的稳定性。
4.1.3运动设计
为了使航行器能够轻松的完成上浮、下潜动作，在航行器的两侧，对称安装四个螺旋桨，每个螺旋桨可产生20N的推力。在航行器翼的远端对称安装两个水平放置的螺旋桨，用来提供水平推动力，在转向时也可以通过两个电机差速或者一正一反转动，使转向更灵活，转弯半径更小，提高其运动性能。
4.1.4机械臂设计
利用仿生海龟航行器较稳定的性质，并且增加航行器的功能，设计了一个能夠完成水下抓取的机械臂;机械臂由三个舵机、钣金件、机械爪构成。三个舵机一个控制机械臂在竖直平面转动，不用的时候可以收在航行器下部，需要抓取时，摆动到前面;另一个舵机控制机械爪的左右转动，可以减少调整航行器的姿态就可以完成抓取;最后一个舵机控制机械爪的开合，实现抓取动作。通过控制三个舵机，可以完成一定的抓取动作。
（二）硬件设计
硬件设计方面主要包括电源管理、电路板设计、主控单元设计及模块化实现等任务。
4.2.1电源管理
海翼航行器采用3个3S、12V电压、5300mAh大容量电池，在保持作品各个功能顺利实现的同时，能够保证我们的作品的水下连续工作40分钟以上;同时，电源管理板能够有条理的将12V供电电压降至各个模块及部件的正常工作电压。在电源管理板上采用多级降压的降压模式，使电压更为稳定，并在为主控芯片、电机、模块等供电的同时，我们采取了一些的电源保护措施，不仅能够使相应的模块正常工作，而且能保证在漏水等事故发生时，防止内部构件发生烧毁而产生的不可修复的后果。 4.2.2电路板设计
我们根据海翼航行器的一些性能要求以及模块管理等需求已自行完成电路板设计。电路板设计中，在满足作品各个部件及模块正常工作的条件下分别对各个模块添加了相应的保护部件，如保险丝、限流管等;并为实现模块化设计，预留了充足的模块化接口，如串口、IIC、SPI等通讯协议的接口;同时，在这些功能实现的基础上，尽可能的缩小电路板大小，为防水舱内其他部件或预留了充足的空间。
4.2.3主控单元设计
我们采用STM32F103ZET6芯片作为我们产品的主控芯片，该系列芯片的工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的内存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联结到两条APB总线的外设。同时，芯片具有3个12位的ADC、4个通用16位定时器，还包含标准和先进的通讯接口：多达2个IIC接口、3个SPI接口、2个IIS接口、1个SDIO接口、5个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口。
在主控芯片设计中，使用了多个USART串口接口，来进行上位机与主控机的通讯并实时返回产品的工作过程中获得的数据参数，以及多产品之间的联动及合作。多个4通道定时器为产生多路PWM做出了保障，并实现了对电机速度的控制。各种不同的通讯接口以及不同的外设为中控芯片搭载不同模块以及实现不同功能做了充足的准备。
4.2.4通讯实现
通讯模块采用SX1278无线模块，该模块采用LoRa远程调制解调器，可以超长距离扩频通讯，抗干扰性强，能够最大限度的降低电流消耗。同时此模块是具有多对多通讯，在对每个模块设置各自的ID，以不同的ID来在多对多通讯的同时实现一对多或一对一的通讯实现，不仅能使实时返回的数据传输距离大大提高，也能更好的完成多產品协作或多端控制等功能的实现。
4.2.5姿态控制
姿态控制需要使用MPU9250姿态传感器模块来对我们产品在水下的姿态解析。MPU9250模块是JY-901系列模块并集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态，同时采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。MPU9250与主控芯片的通讯采用IIC的通讯方式，并且支持全速400K速率，能够实现高速的数据交换。在主控板得到当前的姿态角度后，通过对当前三个姿态角的分析，来对产品的电机进行控制，保持产品的运动姿态进而实现对其姿态的实时调整。
作者简介：
魏宏凯（1998—），男，汉族，新疆呼图壁县芳草湖镇人，学生，本科在读，单位：西北工业大学，研究方向：无。
关键词：水下航行器;技术;设计
一、研究目的
水下航行器作为一种高技术手段，在海洋这块人类未来极具价值的发展空间中起着至关重要的作用，发展水下航行器的意义是显而易见的。人们获取海洋数据的方法目前是昂贵且有限的。随着水下作业需求的增加，一款灵活稳定，造价合适的航行器是人们急需的。
对一款优秀的海洋航行器而言，灵活的运动与平稳的姿态是必不可少的。海翼航行器的6个电机赋予了它远超一般航行器的灵活性，同时也令其实现了水面滑行、垂直下潜、悬停等一般航行器难以实现的动作，在鱼群监察、地质勘探等方面有巨大的应用前景。利用mpu9250模块对运动姿态进行解算，结合四个纵向电机，使得海翼航行器有极强的自稳定性。照相、图像回传等功能更好地帮助使用者探索海洋、完成水下作业。并且，充足的动力以及丰富的预留接口使海翼航行器能搭载多种不同的附加模块，满足各种水下作业的需求。
二、国内外研究现状
全世界ROV的型号在270 种以上， 超过400家厂商提供各种ROV整机、零部件以及ROV服务。小型ROV的质量仅几千克， 大型的超过20 t， 其作业深度可达10 000 m以上。在ROV技术研究方面，美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利、俄罗斯、日本等国处于领先地位。
由于在探测技术、工艺水平、导航与定位等技术上与国外存在较大差距以及国内需求较少， 国产ROV并不多， 从事应用型ROV产品开发的公司较少。国内ROV用户绝大部分使用进口产品， 不仅价格高、配套服务难， 而且有些产品并不适合中国海区的使用特点， 机动性、抗流能力及作业能力都显不足。因此， 随着我国海洋开发事业的发展和不断增长的市场需求， 开发研制适合我国使用需求的ROV就显得十分必要和紧迫。
三、项目特点
1）海翼航行器6个电机结构的设计赋予了它远超一般航行器的灵活性，同时也令其实现了水面滑行、垂直下潜、悬停等一般航行器难以实现的动作，在鱼群监察、地质勘探等方面有巨大的应用前景。
2）利用mpu9250模块对运动姿态进行解算，结合四个纵向电机，使得海翼航行器有极强的自稳定性。
3）照相、图像回传等功能更好地帮助使用者探索海洋、完成水下作业。
4）海翼航行器具有良好的稳定性，添加了一款可实现抓取功能的机械臂。
5）本项目拟在亚克力半球罩内加装一基于树莓派3B+的摄像头，在获取图像的同时对其进行相应处理，使其能实现目标追踪，自主夹取等功能。
6）航行器两侧翼的设计，仿照战斗机机翼的外型，设计为厚度较薄，翼面较大的翼型，可以减小水平方向上受到的阻力，提高推进速度，并增强航行器的稳定性。
四、技术路线
（一）整体设计
海翼航行器拥有六个电机，左右两个轴向电机是其主要推进动力来源，四个纵向电机能使其实现诸如改变俯仰角、垂直升降、悬浮等动作，这也使得海翼航行器能在水中灵活的游动。同时，两翼间的减震弹簧能有效的降低主舱的抖动，使得摄像头获取到的图像更加清晰。挂载的mpu9250模块能实时获取海翼航行器在水中的姿态，通过PID等算法控制四个纵向电机，使得其在水中的运动姿态更加平稳。
4.1.1海翼航行器的外型设计
航行器两侧翼的设计，仿照战斗机机翼的外型，并考虑到在水下航行的一些特点，设计出厚度较薄，翼面较大的翼型。通过固定件和螺栓固定在亚克力桶两侧，在水平方向上可以减小阻力，提高推进速度;增加自身的浮力和在水中竖直方向上受到的阻力，增强航行器的稳定性。
4.1.2防水及稳定性设计
利用亚克力桶很好的防水性，把各种电子元器件封装在桶内，电线通过桶后的插线螺丝引出，再用防水胶密封，具有良好的防水性。同时，利用亚克力桶自身较高的强度和刚度，把各种动力装置通过固定件固定在亚克力桶上，保证了动力系统的稳定性。
4.1.3运动设计
为了使航行器能够轻松的完成上浮、下潜动作，在航行器的两侧，对称安装四个螺旋桨，每个螺旋桨可产生20N的推力。在航行器翼的远端对称安装两个水平放置的螺旋桨，用来提供水平推动力，在转向时也可以通过两个电机差速或者一正一反转动，使转向更灵活，转弯半径更小，提高其运动性能。
4.1.4机械臂设计
利用仿生海龟航行器较稳定的性质，并且增加航行器的功能，设计了一个能夠完成水下抓取的机械臂;机械臂由三个舵机、钣金件、机械爪构成。三个舵机一个控制机械臂在竖直平面转动，不用的时候可以收在航行器下部，需要抓取时，摆动到前面;另一个舵机控制机械爪的左右转动，可以减少调整航行器的姿态就可以完成抓取;最后一个舵机控制机械爪的开合，实现抓取动作。通过控制三个舵机，可以完成一定的抓取动作。
（二）硬件设计
硬件设计方面主要包括电源管理、电路板设计、主控单元设计及模块化实现等任务。
4.2.1电源管理
海翼航行器采用3个3S、12V电压、5300mAh大容量电池，在保持作品各个功能顺利实现的同时，能够保证我们的作品的水下连续工作40分钟以上;同时，电源管理板能够有条理的将12V供电电压降至各个模块及部件的正常工作电压。在电源管理板上采用多级降压的降压模式，使电压更为稳定，并在为主控芯片、电机、模块等供电的同时，我们采取了一些的电源保护措施，不仅能够使相应的模块正常工作，而且能保证在漏水等事故发生时，防止内部构件发生烧毁而产生的不可修复的后果。 4.2.2电路板设计
我们根据海翼航行器的一些性能要求以及模块管理等需求已自行完成电路板设计。电路板设计中，在满足作品各个部件及模块正常工作的条件下分别对各个模块添加了相应的保护部件，如保险丝、限流管等;并为实现模块化设计，预留了充足的模块化接口，如串口、IIC、SPI等通讯协议的接口;同时，在这些功能实现的基础上，尽可能的缩小电路板大小，为防水舱内其他部件或预留了充足的空间。
4.2.3主控单元设计
我们采用STM32F103ZET6芯片作为我们产品的主控芯片，该系列芯片的工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的内存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联结到两条APB总线的外设。同时，芯片具有3个12位的ADC、4个通用16位定时器，还包含标准和先进的通讯接口：多达2个IIC接口、3个SPI接口、2个IIS接口、1个SDIO接口、5个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口。
在主控芯片设计中，使用了多个USART串口接口，来进行上位机与主控机的通讯并实时返回产品的工作过程中获得的数据参数，以及多产品之间的联动及合作。多个4通道定时器为产生多路PWM做出了保障，并实现了对电机速度的控制。各种不同的通讯接口以及不同的外设为中控芯片搭载不同模块以及实现不同功能做了充足的准备。
4.2.4通讯实现
通讯模块采用SX1278无线模块，该模块采用LoRa远程调制解调器，可以超长距离扩频通讯，抗干扰性强，能够最大限度的降低电流消耗。同时此模块是具有多对多通讯，在对每个模块设置各自的ID，以不同的ID来在多对多通讯的同时实现一对多或一对一的通讯实现，不仅能使实时返回的数据传输距离大大提高，也能更好的完成多產品协作或多端控制等功能的实现。
4.2.5姿态控制
姿态控制需要使用MPU9250姿态传感器模块来对我们产品在水下的姿态解析。MPU9250模块是JY-901系列模块并集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态，同时采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。MPU9250与主控芯片的通讯采用IIC的通讯方式，并且支持全速400K速率，能够实现高速的数据交换。在主控板得到当前的姿态角度后，通过对当前三个姿态角的分析，来对产品的电机进行控制，保持产品的运动姿态进而实现对其姿态的实时调整。
作者简介：
魏宏凯（1998—），男，汉族，新疆呼图壁县芳草湖镇人，学生，本科在读，单位：西北工业大学，研究方向：无。