基金项目：2023年山东省船舶控制工程与智能系统工程技术研究中心科研开放专项资金项目，项目编号：SSCC20230001

海底电缆作为全球互联的基础设施之一，承载着大量的通信和能源传输任务。然而，海底环境的恶劣性质使得海底电缆容易受到外界环境的影响，从而导致电缆损坏和通信中断等问题。为了保障海底电缆的安全稳定运行，海底电缆检测机器人成为了必要的技术手段之一。

1、整体框架及需求分析

本文设计的海底电缆检测自主巡线控制系统，是为检测与维护海底电缆等管线的腐蚀、磨损等问题而设计的，系统的总体框架如图1所示，主要包括上位机和下位机两部分，上位机主要指水面控制部分，主要包括定位装置、系统电源及信号接接收装置等，下位机一般指机器人本体，两部分通过脐带缆进行连接。        水下电缆检测机器人需要能收集水下深度、所处磁场环境、水下姿态、水下温度等信息。

2、水下机器人硬件部分设计

控制系统的硬件结构图如图1所示，其核心组件包含推进器驱动单元、电源控制单元、通信单元以及数据采集单元这四个关键部分。其中，推进器驱动单元的主要职责在于调节巡检系统在水下的运动状态，确保系统运行的流畅与稳定。电源控制单元则专注于管理巡检系统内部不同设备所需的电压，确保它们能够稳定、高效地工作。通信单元则起到了桥梁的作用，它负责在巡检系统的上层与底层之间传递各种类型的数据信号，保障信息的实时性与准确性。而数据采集单元则负责收集巡检系统在运行过程中的运动状态数据，以及水质检测的相关数据，为系统的分析、决策提供有力的数据支持。

图1 海底电缆检测机器人自主巡线控制系统的硬件设计

为了使推进器得到较好的控制效果，推进器的控制系统的调速器选用PWM控制，工作电压为12V。为确保自主巡线控制系统具备持续稳定的动力，选用了两块输出电压为12V的锂电池作为系统的电源控制核心。数据采集部分主要是通过各种类型的传感器获取系统在水下的相关信息，通过对巡线系统的功能分析，选用的传感器有深度感、压力传感器、磁场探测模块、视觉传感器等，可以获取电缆所处的水位深度、水温以及获取实时的图像数据。各种传感器与主控制器STM32相连接，通过STM32的控制指令，实现数据的获取。

（1）海底电缆磁场探测模块的选取

为了满足对海底电缆探测的特定需求，在检测过程中应尽量减少电缆电位造成的影响，因此选用SMARTRAK磁场探测器作为磁场探测仪器。SMARTRAK探测无需要直接接触电缆，可以通过磁场强度来判断电缆状态，测量精度高且范围广泛，可以覆盖到至少3米长的海底电缆。

（2）电源模块的设计

巡检系统中的推进器在运行时，我们运用了小电流控制大电流的策略。在锂电池的供电端口处安装了继电器，通过调控继电器的开关状态，间接控制巡检系统的电源通断。这种设计不仅提升了电源控制单元的安全性，还增强了其有效性，从而确保了巡检系统的稳定、可靠运行最终实现的电源控制单元设计如图2所示。

图2 电源控制单元设计

（3）驱动系统

驱动系统选用LV8548MC作为两侧螺旋桨的控制芯片，其标准工作电压为12V。该芯片配备了两个通道和两个H桥电路，能够独立地驱动两个外部电机进行正反转操作，符合设计要求,硬件电路如图3所示。

图3 LV8548MC电路

（4）各传感器模块的选取

水下机器人进行环境探测时，需采集多项关键数据，如温度、压力及姿态角等。MS5837型压力传感器^[6]，这款传感器不仅能测量压力，还集成了温度感知功能。经过精细处理的数据被转换为精确的压力值，进而被用来计算水下机器人的实时深度。MPU6050传感器实时捕捉水下机器人的运动数据，通过其6轴技术快速分析角速度和加速度，从而得出准确的姿态与位置信息，因此选用其作为姿态传感器。这些信息对于水下机器人的运动控制和导航至关重要，

3、软件设计

控制软件系统承担着水下巡检机器人的运动控制及数据收集的关键角色。如图4所示，其工作流程详细展开如下：

（1）启动阶段：当系统启动后，首先检查各个设备的电力供应是否正常，以及推进器的工作状态是否良好。如果在自检过程中发现任何异常，下位机会立即向上位机发送故障警报，以提醒用户注意。

（2）控制循环：每当下位机接收到来自上位机的控制指令时，根据指令内容，下位机会执行对水下巡检机器人呢的控制操作，并实时更新相关的数据。完成这些操作后，下位机会将最新的数据信息反馈给上位机，确保数据的实时同步。

（3）推进器控制策略：对于负责浮潜运动的推进器，首先是确保水下巡检机器人能够按照预设的深度进行航行，其次是手动控制。而对于负责水平运动的推进器，我们同样设定了多重控制策略，包括自动巡检、GPS导航、定向航行和手动控制，以适应不同的操作需求。

（4）数据丢失与重启机制：当下位机在连续1秒内未能正确接收到上位机的控制数据时，系统会启动这一机制。重启后，系统会恢复到正常的工作状态，确保水下机器人的稳定运行

图4 海底巡检机器人自主巡线控制软件系统

4、结论

海底电缆检测机器人的自主巡线控制系统设计是保障海底电缆安全的重要手段之一。通过感知模块、控制模块、定位与导航模块以及通信模块的协同工作，机器人能够在复杂的海底环境中实现自主巡线和任务执行。未来随着技术的不断进步，该系统的性能和稳定性还将得到进一步提升。

    参考文献：

[1] 李雪，杨大勇，刘家毅，等．水下石油管道巡查机器人控制系统的设计[J]．测

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[5] 刘振方，朱友生，陈冠军.海底管道探测技术医用[J].中国海洋平

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 作者简介：曹爱萍（1990—），女，硕士研究生，讲师，研究方向：电力系统及其自动化