粟子恒 宋磊憲 劉海 曹維杰 丁樹凱 陳興紅

摘 要：目前，市場(chǎng)上許多水下探測(cè)設(shè)備是針對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行研發(fā)的，體積大、攜帶運(yùn)輸不方便，不適合在淺水流域使用。而且，水下救援時(shí)，隨著深度的增加，水下的情況也會(huì)越復(fù)雜，會(huì)對(duì)搜救人員的人身安全造成極大威脅。此外，由于技術(shù)和經(jīng)費(fèi)等原因，國(guó)產(chǎn)水下機(jī)器人大多屬于實(shí)驗(yàn)階段，沒有成型的商業(yè)化產(chǎn)品?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)開發(fā)了水陸兩棲潛水探險(xiǎn)車，以彌補(bǔ)市場(chǎng)空白。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲探險(xiǎn)車;行駛系統(tǒng);潛水倉(cāng)結(jié)構(gòu);控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U674.78文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2019）11-0095-03

Abstract： At present， many underwater detection equipments on the market are developed for the marine environment. They are not suitable for shallow water because of their large volume and inconvenience in carrying and transporting. Moreover， with the increase of depth in underwater rescue， the underwater situation will become more complex， which will pose a great threat to the personal safety of search and rescue personnel. In addition， due to technical and financial reasons， most of the domestic underwater vehicles belong to the experimental stage， and there are no commercialized products. Therefore， this paper designed and developed amphibious diving vehicle to make up for the market gap.

Keywords： amphibious exploration vehicle;driving system;submersible structure;control system

目前，市面上的搜救設(shè)備種類繁多，但由于價(jià)格高和應(yīng)用環(huán)境受限，應(yīng)用并不廣泛，只在一些特定部門或者特定的搜救探險(xiǎn)場(chǎng)合使用。此外，由于技術(shù)和經(jīng)費(fèi)等原因，國(guó)產(chǎn)水下機(jī)器人大多屬于實(shí)驗(yàn)階段，沒有成型的商業(yè)化產(chǎn)品[1]。為此，本文設(shè)計(jì)了水陸兩棲潛水探險(xiǎn)車。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)理論

本課題制作的水陸兩棲潛水探險(xiǎn)車采用鋁合金車身，合成橡膠履帶底板結(jié)構(gòu);通過防水電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)使車輛進(jìn)退，通過減速電機(jī)帶動(dòng)潛水膜的伸縮來使車輛達(dá)到潛浮的要求;運(yùn)用水下攝像頭與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行水下傳輸。

1.2 設(shè)計(jì)流程

本文根據(jù)潛水倉(cāng)原理及陸地行駛原理確定車輛模型;用鋁合金車身和橡膠履帶制作車架;采用亞克力板的熱成型工藝制作潛水倉(cāng)，在內(nèi)部安裝電氣設(shè)備;完善車輛防水性能和車身配重的調(diào)試;通過水下和陸地兩種環(huán)境的試驗(yàn)小車進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

2 車輛行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 陸地行駛系統(tǒng)

本車底盤由橡膠履帶、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、承重輪和防水電機(jī)等組成。減速電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪齒輪和履帶嚙合，與地面接觸的履帶給地面一個(gè)向后的作用力，地面給履帶一個(gè)向前的反作用力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力克服車輛的行進(jìn)阻力時(shí)，履帶在承重輪表面向前滑動(dòng)，車輛行駛。

2.2 水下航行系統(tǒng)

車輛在水下航行的工作原理是：履帶在水中通過做圓周運(yùn)動(dòng)的形式來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。履帶劃水原理[2]如圖1所示。上履帶帶動(dòng)翼子板間水道A區(qū)內(nèi)水流向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向水柵產(chǎn)生的水流沖擊力以及D區(qū)、下履帶和B區(qū)劃水產(chǎn)生的反作用力共同組成對(duì)車的推進(jìn)力[2]。在履帶的上部以及前后兩處安裝擾流板和擋水罩，減小上履帶在水中產(chǎn)生的反作用力和水流沖擊力。

3 車輛潛水倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 潛浮原理

本車潛水倉(cāng)依據(jù)阿基米德原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過倉(cāng)內(nèi)的減速電機(jī)控制伸張膜的收縮和拉伸，使其在水中的浮力發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)車輛下潛上浮。潛水倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。下潛過程中，水壓增大，減速電機(jī)通過齒輪與齒條的結(jié)合帶動(dòng)伸張膜上拉使伸張膜收縮，倉(cāng)內(nèi)空間變小，氣壓變大，以抵消水壓的作用，車輛下潛;上浮過程中，水壓減小，減速電機(jī)通過齒輪與齒條的結(jié)合來向下推動(dòng)伸張膜，倉(cāng)內(nèi)空間變大，氣壓變小，車輛上浮。

3.2 潛水倉(cāng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本車的潛水倉(cāng)由亞克力板熱成型的長(zhǎng)方體艙室和伸張膜壓緊塊組成。亞克力板平均達(dá)洛氏硬度值89度左右，能承受水下壓力。潛水倉(cāng)和車體之間通過螺栓進(jìn)行剛性連接，使用樹脂進(jìn)行密封防水。電源線和控制線纜等通過艙體上的O型孔與艙內(nèi)的單片機(jī)進(jìn)行連接?？刂凭€纜穿出密封艙后，連接地面遙控器并傳輸視頻信號(hào)和控制信號(hào)[3]。

4 車輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本車輛選用ARM-STM32F103ZET6開發(fā)板作為整車的控制模塊;驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)板，使用WiFi圖像傳輸模塊對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行控制;PS2遙控模塊控制車輛兩側(cè)履帶的轉(zhuǎn)速;采用12V鋰電池作為電源，可以為不同工作模塊提供不同的工作電壓。

4.1 PS2遙控模塊

PS2遙控模塊無(wú)線頻率為2.4G/Hz，L298N穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)板輸出5V電壓給開發(fā)板供電。驅(qū)動(dòng)板輸出三組信號(hào)，其中兩組信號(hào)控制履帶電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速，以此控制車輛的前進(jìn)后退和差速轉(zhuǎn)向;一組控制潛水倉(cāng)電機(jī)，帶動(dòng)伸張膜進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖3所示。

4.2 水下WiFi圖像傳輸模塊

本車圖像傳輸模塊由1 080P高清有線防水?dāng)z像頭和自帶電源系統(tǒng)的WiFi模塊組成，具有體積小、畫質(zhì)清晰、信號(hào)覆蓋面廣、數(shù)據(jù)傳輸效率高等特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)述了一款水陸兩棲潛水探險(xiǎn)車的設(shè)計(jì)思路與開發(fā)方案。該車根據(jù)履帶車輛與潛水艇各自的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)，能滿足陸地和水下兩種不同救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)搜救設(shè)備的要求。小車實(shí)物如圖4所示。

經(jīng)過初步試驗(yàn)，該車可以滿足實(shí)際的使用需求。該車可以根據(jù)不同的工作需求來添加各類救援設(shè)備，適用范圍更廣。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙克強(qiáng)，劉淑艷，韓占忠.履帶劃水推進(jìn)機(jī)理的模型模擬試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào)（坦克裝甲車與發(fā)動(dòng)機(jī)分冊(cè)），1991（4）：59-62.

[3]裴國(guó)棟，卞則武，溫亞楠.便攜式水下機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2019（1）：14-16.