深海技术介绍

深海技术介绍（共6篇）

篇1：深海技术介绍

剧情简介：

迈克·威廉姆斯(马克·沃尔伯格饰)他负责位于墨西哥湾的石油钻塔深水地平线号的维护工作。他跟女儿和妻子Felicia(凯特·哈德森饰)道别，这一走，他就要在钻塔上工作21天之久。他的同事Andrea Fleytas (吉娜·罗德里格兹饰)，还有他的老板Jimmy Harrell (库尔特·拉塞尔饰)。在钻塔上，Donald Vidrine (约翰·马尔科维奇饰)和BP石油公司的其他高管们给Jimmy Harrell颁发了年度贡献和安全奖。但是，很快Donald Vidrine就要求赶上预定进度，Jimmy Harrell认为这种操作可能会给钻井平台以及员工们带来危险，但Donald Vidrine忽略了Jimmy Harrell的提醒，一意孤行，将所有人的生命至于了危险之中，并且引发了一系列问题，最终导致了最严重的环境灾难。事故发生之后，Mike迅速采取决断，他必须依靠自己在电子机械方面的渊博知识去拯救剩下的员工们，当然，也包括Andrea Fleytas和Jimmy Harrell。与此同时，Felicia正在家里通过电视关注着这次事故的情况，她内心惴惴不安，不知道丈夫能否逃过此劫 。

角色介绍：

迈克·威廉姆斯

演员 马克·沃尔伯格

石油钻井平台副经理，拥有一个幸福而美满的家庭和一个可爱的女儿，他负责位于墨西哥湾的石油钻塔“深水地平线”号的维护工作。在一次事件中陷入到了海上钻井平台的石油事故之中。

Andrea Fleytas

演员 吉娜·罗德里格兹

23岁石油工人，一个聪明开朗的女孩，迈克·威廉姆斯的同事，管理“深水地平线”号石油钻井平台安全监管，对工作的态度非常负责。

Jimmy Harrell

演员 库尔特·拉塞尔

迈克·威廉姆斯的老板，石油钻塔“深水地平线”号负责人，经验丰富，做事总是以安全为第一，也有着老年男子的粗暴魅力。

Donald Vidrine

演员 约翰·马尔科维奇

英国石油公司代表，固执的性格，喜欢一意孤行。将所有人的生命至于了危险之中，并且引发了一系列问题，最终导致了最严重的石油泄漏事故。

Caleb Holloway

演员 迪伦·奥布莱恩

深水地平线号钻井平台工人，虽然年轻但处理事情也有一定的经验，在突如其来的事故中，他以冷静和意志和队友们一起面对可怕的灾难。

影片评价：

影片成就相当突出，即使导演在某些方面过于明显，比如过多的星条旗飘扬镜头，但这些没有掩盖电影剧情展现的人性——真正的人，真实的危险和真切的自我牺牲精神。(《纽约每日新闻》评)

彼得·博格执导的这部令人激动而又极具情感渲染力的动作片，在开场几分钟就感受到了动作电影的纯粹史诗感。 (《费城问询者》评)

影片在事实上，导演彼得·博格成功的表达出了他自己的想法，也证实了自己是这种类型电影，该片令人感动不已，是值得在银幕前观赏的一部电影。(《Joblo》评)

影片中用大量的爆炸、喷涌而出的石油、翻滚的火球、漫天的浓烟、破碎的金属、空中的直升机，尖叫和呼喊声和一片混乱的画面，仿佛让观众真正置身于钻井平台中命悬一线。(《好莱坞记者报》评)

《深海浩劫》为一部火焰代替了水，充斥着火焰与漆黑深海，的确，《深海浩劫》用真实的场景再现，刺激的表演，让美国历史上最严重的石油泄漏惨剧再一次震惊了大家。(《TheFilmStage》评)

彼得·博格精湛的灾难片拍摄技巧和拍摄尺度精准的拿捏将会令你震惊，同时在是非观上也非常认同他——有力地、戏剧化地抨击了BP公司为了实现利润的最大化而导致的粗心大意导致了的灾难。 (《Denofgeek》评)

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《深海浩劫》口碑炸裂 票房逆势增长登顶全美

电影《深海浩劫》由拍摄过《超级战舰》与《最后的生还者》的好莱坞著名导演彼得·博格执导，《变形金刚4》、《偷天换日》、《泰迪熊》男主马克·沃尔伯格实力加盟，同时《移动迷宫》迪伦·奥布莱恩、金球奖最佳女主角吉娜·罗德里格兹、老戏骨库尔特·拉塞尔和斩获两座奥斯卡金人的约翰·马尔科维奇联袂出演。该片已于9月30日北美上映，目前已经斩获25，439，985万美元票房，更是在极高口碑之下，票房逆袭同期影片，夺得单日冠军。

精良品质打造过硬口碑 单日票房逆袭登顶北美市场

十一长假期间，国内电影市场火爆非凡，电影《从你的全世界路过》依靠大IP与卡司阵容赢得开门红，而《湄公河行动》则稳扎稳打，用坚实的口碑成功逆袭，经过了几天的口碑扩散，无论是排片还是单日票房都稳坐第一把交椅。

值得一提的是，同样的情况也出现在了同期的北美电影市场，9月30日北美数部大片开画，其中《深海浩劫》以700万美元位居亚军，但经过几天口碑的口口相传，电影《深海浩劫》成功逆袭《佩小姐的奇幻城堡》，夺得单日票房冠军，并且在北美影评网站IMDb得到了7.7的高分，更是在知名电影评论网站烂番茄获得了83%的新鲜度。电影《深海浩劫》相比其他电影，在开画后无论是口碑还是各大网站的评分纷纷逆袭，再一次证明了电影本身的极佳品质。

极致还原“墨西哥湾”特大灾难 不为名利的“警世之作”

电影《深海浩劫》中，演员们没有身着华丽的衣裳，没有光鲜的外表，在冰冷又危险的钻井平台上，带给了大家一场震撼心灵的求生之旅。影片最大的一个特点就是真实，而这个真实也深深地震撼了每一个人，美国圣路易斯邮报的Calvin Wilson评价道：“这是一个关于其中每个人的电影，无论是马克·沃尔伯格、哈德森或者拉塞尔，他们的表演就是真实，而并不是为了引起大家注意”，NPR(北国国家公共电台)的Bob Mondello则称：“这部电影看起来完全配得上一亿美元的投资，从头到尾的107分钟里，95%的时候都让人紧张地不能呼吸”。

电影《深海浩劫》由好莱坞著名导演彼得·博格执导，马克·沃尔伯格、迪伦·奥布莱恩、吉娜·罗德里格兹、库尔特·拉塞尔和约翰·马尔科维奇联袂出演。该片已于9月30日北美上映，目前总票房超过2500万美元，并且正在极高的口碑加持下，强力逆袭北美市场。

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篇2：深海技术介绍

对于深海装备来讲，最重要的通用性材料有两类，一是耐压性好的结构材料，一是深潜器上大量使用的作为浮力补偿用的浮力材料。

（1）深海装备的耐压壳材料技术

深海这种特殊环境对深海装备的耐压壳材料提出了特殊要求。深海装备耐压壳材料既要有一定的抗蚀性，在一定温度范围内还要有相当稳定的物理性能和适当的延展性，此外还应具有较高的屈服强度和较高的弹性模量。从而使深海装备能够承受住由其工作深度产生的静压强和深海装备在整个服役期内多次下潜和上浮产生的周期性载荷对耐压壳的影响。

目前深海装备耐压壳使用的材料分两种：金属材料和非金属材料。金属材料主要在潜艇和深潜器上使用，非金属材料主要在深潜器上使用。

① 金属材料

目前深海装备耐压壳使用的金属材料主要有两种：钢和钛合金。美、日、英和俄等国潜艇都使用钢为耐压壳体材料，这些国家的一部分潜器使用钛合金作耐压壳体。俄罗斯有四级潜艇使用了钛合金作耐压壳材料，其余潜艇均采用高强度钢作耐压壳体材料。

美海军深海装备耐压壳使用的材料

美海军潜艇的耐压壳主要使用Hy系列调质钢。20世纪60年代以前，美海军潜艇耐压壳的标准用钢为Hy-80。为提高焊接性和焊件韧性美海军曾多次修订了Hy-80钢的军用规范。美海军的“洛杉矶”级潜艇的耐压壳就使用了Hy-80钢。由于在相等重量下Hy-l00钢的屈服强度大于Hy-80钢，因此Hy-l00钢现已成为美国海军潜艇耐压壳的标准用钢。美海军现役的”海狼”级潜艇的耐压壳材料就为Hy-l00钢。美海军最新型核潜艇“弗吉尼亚”级的耐压壳材料计划使用Hy-l00钢。美海军还研制了Hy-l30钢，计划用Hy-l30取代Hy-l00作潜艇耐压壳材料。美海军还在20世纪80年代用Hy-l30钢建造常规动力深海试验潜艇“海豚”号分段和另一艘潜艇的三个分段。

美海军使用Hy系列调质钢和钛合金制造潜器的耐压壳。1969年美海军用Hy-l30钢建造深海救援艇“DSRV-I”号，不久又用于建造“DSRV-Ⅱ”号和核动力深潜器“NR-l”号。美海军的先进蛙人输送系统（ASDS）的前两艘艇ASDSⅠ和ASDSⅡ的耐压壳材料使用的是Hy-80钢。美海军的“海崖”号深潜器使用钛合金（Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo）作耐压壳材料，该潜器下潜深度为6100m。

日本海上自卫队深海装备耐压壳使用的材料

日本海上自卫队潜艇用钢有NS-30、NS-

46、NS-63、NS-80、NS-90和NS-110。二次大战后至20世纪60年代初日本海上自卫队潜艇耐压壳材料使用NS-30和NS-46钢。此后，研制成了NS-63（Hy-80的改进型）、NS-80、NS-90（仿制Hy-l30）钢。NS-90钢除用于潜深达2000m的深海调查船外，NS-63和NS-80钢都已用于建造潜艇。“夕潮”级潜艇的耐压壳使用的是NS-80钢。20世纪80年代日本又研制了强度级别更高的潜艇用钢NS-110。日本海上自卫队的“亲潮”级潜艇的耐压壳就是NS-110制成的。

日本的“深海2000” 深潜器使用钛合金（Ti-6Al-2Nb-4VELI）作耐压壳材料。

英国海军深海装备耐压壳使用的材料 英国海军在二次大战后研制了QT系列潜艇用钢QT-

28、QT-35和QT-42。20世纪50年代用QT-28建造潜艇。1958～1965年间广泛使用QT-35钢建造潜艇。1968年制订了Q1（N）钢的规范。英国还仿制了Hy-l00和Hy-l30，并分别命名为Q2（N）和Q3（N）钢。英国“机敏”级潜艇计划使用Q2（N）作耐压壳材料。

俄罗斯深海装备耐压壳使用的材料

俄罗斯是世界上第一个用钛合金建造潜艇耐压壳的国家，其用钛合金建造潜艇的技术世界领先。俄罗斯先后制造了四级钛合金做耐压壳的潜艇。A级6艘，P级1艘，M级1艘，S级4艘。由于钛合金价格昂贵，俄罗斯的这四级潜艇仅建了11艘。钛合金具有强度高、重量轻、低磁性和耐腐蚀等优点。用钛合金作耐压壳材料可降低潜艇排水量、增大潜深和提高艇的隐蔽性。俄罗斯某些潜艇的耐压壳材料采用CB-2钢。

② 非金属材料

深海潜器的耐压壳上使用的非金属材料主要有：先进树脂基复合材料和结构陶瓷材料。

先进树脂基复合材料

先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料。先进树脂基复合材料具有比传统结构材料优越得多的力学性能。例如，分别用碳纤维、芳纶纤维和碳化硅纤维增强的环氧树脂复合材料的密度为1.4～2.0g／cm，抗拉强度为l.5～l.8GPa，略高于普通钢材，而比强度则为钢材的4～6倍，比模量为钢材的2～3倍。先进树脂基复合材料除优越的力学性能外，往往还兼有耐腐蚀、振动阻尼和吸收电磁波等功能，因此，在舰船上有广阔的使用前景。

美国海军用石墨纤维增强环氧树脂材料成功地制造出自动无人深潜器AUSSMOD2的耐压壳体。该艇的下潜深度为6096m，按照设计，其耐压壳体的重量／排水量比率不能超过l 0.5。美海军计划用石墨纤维增强环氧树脂材料代替钛合金制造耐压壳体封头。

结构陶瓷材料

陶瓷的强度和弹性模量很高，而且具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温的优点，密度又比一般金属材料低，是很有发展潜力的高比强度材料。但陶瓷固有的脆性使其应用范围受到很大的限制。先进陶瓷材料的研究取得很大进展。用高纯度超细粉料经特殊加工工艺而制成的陶瓷材料显微组织精细，性能优良，如碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等先进陶瓷材料已逐步进入实用领域。陶瓷增韧的研究也取得一定的成果，为结构陶瓷材料的推广应用创造了条件。利用结构瓷材料的高强度制造大深度潜水器的耐压壳体。

美国海军为建造无人深海潜水器而对若干耐压壳体候选材料进行了对比分析。结果表明，对于6096m的潜深，氧化铝陶瓷耐压壳体的重量／排水量比率小于0.60，而同样设计深度的钛壳的该比率则超过0.85。尽管氧化铝陶瓷在几种陶瓷材料中并不是给出最低重量／排水量比率的材料，但由于它成本较低，而且制作工艺比较成熟，故被选中用于制造635mm直径的深潜器耐压壳体。美海军1993年对635mm直径的氧化铝陶瓷耐压壳体并进行了试验。实践证明，在同样排水量(454kg)的情况下，氧化铝陶瓷壳体比Ti-6A-4V壳体的有效载荷高166％；为达到同样的有效载荷，钛壳体的排水量必须增加50％，其重量增加83％。除此而外，陶瓷壳体还具有耐腐蚀、电绝缘、非磁性和可透过辐射等优点。

(2)深海装备的浮力材料技术

为了解决深潜拖体、深潜器和水下机器人等的耐压性、结构稳定性问题，并提供足够的净浮力，人们开始研制高强度固体浮力材料（简称SBM）以替代传统的耐压浮力球和浮力筒。SBM是发展现代深潜技术的重要组成部分，对保证潜器所必须的浮力，提高潜器的有效载荷，减少其外型尺寸，尤其是在建造大深度的潜器中，有着重要的作用。

深海装备使用的固体浮力材料应具有耐水、耐压、耐腐蚀和抗冲击的特性。对于在不同深度使用的固体浮力材料的强度要求不同，水深增加，浮力材料的强度相应增加，密度随之增大，但浮力系数减小。此外，深海装备上使用的高强度浮力材料还应具有吸水率低、吸水平衡的时间短等特点。在浮力材料本身不能满足防水要求的前提下，还需在浮力材料外表面包敷防水层。同时还要保证外表面包敷材料耐腐蚀和抗冲击，以延长深海装备浮力材料的使用寿命。

近年来世界上许多国家都对深海浮力材料开展了广泛的研究工作。已研制出一些深海装备上使用的浮力材料，这些高强度的浮力材料已在民用、商业及军事领域广泛应用，如在水中设备的配重，漂浮于水面或悬浮于水中的浮缆、浮标、海底埋缆机械及声多卜勒流速剖面仪（ADCP）平台、零浮力拖体和无人遥控潜水器（ROV）等上使用。

深海装备上使用的浮力材料实质上是一种低密度、高强度的多孔结构材料，属复合材料的范畴。共分三大类：中空玻璃微珠复合材料、轻质合成材料复合塑料和化学泡沫塑料复合材料。中空玻璃微珠复合泡沫是由空心玻璃小球混杂在树脂中形成的，其中空心玻璃小球占60%～70%的体积；复合塑料由复合泡沫与低密度填料比如中空塑料或大直径玻璃球组合改性而成；化学泡沫塑料复合材料是利用化学发泡法制成的泡沫复合材料。其中，玻璃复合泡沫的最低密度极限是0.5g/cm3，复合塑料的最低密度极限是0.32g/cm3，而化学泡沫塑料的最低密度极限是0.24g/cm3。化学泡沫塑料技术和工艺上还有两个技术难点需要解决: ①泡沫材料的强度和可靠性；②阻水面材的选择及工艺技术。

篇3：深海技术介绍

海水网箱养殖渔业的迅速发展有力促进了我国渔业经济的发展。但长期在浅水海域和内湾进行高密度养殖已经引起水质恶化、环境污染、鱼类品质下降、病害增多等多方面问题, 浅水网箱养殖很难持续发展。同时, 我国是海洋大国, 海域面积高达300万km2, 有广阔的开放式深水海域有待开发[1,2,3]。为拓展养殖海域空间, 保护我国蓝色国土, 减轻环境压力, 保证海水养殖的可持续发展, 在开放式的深水海域进行网箱养殖的必要性日益突出。和普通的海湾浅水网箱养殖不同, 深海网箱养殖装备涉及到网箱的抗浪性能、饵料投喂强度监控及操作的便利性等诸多方面的工程问题。本文针对深水海域的深水网箱养殖装备技术进行综合分析与讨论。

1 网箱抗浪技术研究进展

在深水海域中, 风浪一般较大。尤其是我国东海和南海处于台风多发区域, 风浪对网箱养殖系统的影响尤其明显。2011年强台风袭击海南, 致使当地深水网箱养殖业遭到毁灭性打击, 损失惨重。其中约70%的受灾深水网箱因被台风破坏锚泊系统而被吹走, 约30%的受灾深水网箱被风浪损毁或击沉[35]。为保证养殖鱼群的安全, 网箱必须具有可靠的抗浪性能。就现有研究而言, 网箱抗浪可分为被动抗浪方式和主动抗浪方式。所谓被动抗浪, 就是在台风大浪等恶劣海况时, 网箱利用自身框架的结构强度和锚系结构抵抗风浪的一种方式;主动抗浪是一定程度内的风浪, 网箱依靠自身结构强度和海底锚系结构抵御风浪并正常作业。如风浪超过一定程度时, 网箱则下潜到水下一定深度躲避风浪, 减小风浪对网箱的影响, 保证网箱的安全。下面分别对两种抗浪方式展开讨论。

1.1 网箱被动抗浪技术研究

被动抗浪方式中, 影响网箱抗浪性能的因素主要有两方面, 一是网箱的锚系方式, 二是网箱本身的结构强度[16,17,18,19]。下面分别展开论述。

1.1.1 网箱锚系技术研究

网箱的锚系结构源于船舶、浮体等锚系, 相关研究较多。目前, 国内外对锚系方式研究较多, 常见的网箱锚系方式主要有单点式锚系、多点式锚系、水上网格式锚系和水下网格式锚系方式[1,2,3,4,14,16,19,32]。由于风浪的不确定性和海上实际安装施工中的不规范, 很难保证网箱的结构强度足够和锚泊系统安全可靠。在生产应用中, 其锚泊系统既可以采用多箱体串连式的安装, 也可以根据成本投入情况选用单个网箱独自安装的形式。如养殖海区潮流急, 多网箱组合的栅格式锚泊系统往往具有较高的安全性能。而对于单个网箱的锚泊系统来说, 不同的锚绳安装方法对能否保证安全生产则有很大影响。此外, 网箱锚系主要包括锚绳与海底锚定方式两个关键因素。就锚绳材料而言, 现多采用尼龙材料和尼龙材料与金属锚链组合的方式, 国内已经成功研制出了高强高模聚乙烯纤维材料 (UHMWPE) 锚绳, 笔者已经进行了初步替代试用测试, 效果明显好于传统锚绳。在锚定方式上, 传统方式多数采用重力锚和打桩的形式进行锚系。为提高锚系可靠性, 应用于深海的吸力锚技术则为一种值得考虑的方式, 但应用及设备成本还需进一步研究。

1.1.2 被动抗浪网箱结构研究进展

为承受较大风浪, 设计合理的网箱结构来抵御风浪是多数实用网箱采用的形式。网箱结构主要有柔性结构和刚性结构两种类型。柔性结构网箱中, HDPE网箱是一种应用非常广泛的典型类型[3,4,6,7,8,9,10,11]。挪威最新制造的重力全浮圆形框架网箱, 主框架由HDPE材料制造, 最大周长达120 m, 网深40 m, 每箱可产鱼200 t, 该网箱具有一定的抗浪抗流能力。另一种类型为刚性结构, 主要采用强度大的金属框架和金属网衣制成。日本研制了一种全金属网箱, 金属框架和网衣均采用金属材质, 网箱框架主要为方形全金属框架, 尺寸从10 m×10 m到15 m×15 m不等, 如图1所示。金属网衣材质为锌铝合金, 能有效防止网衣附着物的生长, 由于网衣的自重, 其抗浪抗流性能也比较强。美、澳等制造了蝶形网箱和球形网箱, 可有效避免台风引起的网箱倾覆[20]。图2为美国研制的笼型网箱。

1.2 网箱主动式抗浪研究进展

在台风大浪海况下, 风浪对网箱的冲击影响巨大而且难以预测分析, 仅仅靠网箱本身的结构和锚系则难以抵抗恶劣的台风大浪。所以, 被动抗浪方式的网箱在我国受到相当大的局限。网箱主动抗浪方式是遇到风浪超过一定程度时, 网箱主动下潜到水下躲避风浪, 减小风浪对网箱的影响, 保证网箱及养殖鱼类的安全。网箱沉降的深度可根据风浪等级的大小和网箱所在位置水域的深度进行调整。网箱下潜的关键技术在于保证网箱下潜过程的平稳性, 防止网箱倾覆, 损伤养殖的鱼类海产。不同类型的网箱有不同的升降系统, 如对张力腿式网箱, 可通过收缩锚链的方式实现网箱下潜。大部分网箱通过网箱浮体进水排气来实现网箱的升降[3,17]。常见的一种方式为通过网箱主浮管进、排水实现网箱的升降。笔者提出了另一种下潜方式, 即降落伞方式, 为将沉子配重和网箱浮子集成为一体, 放置于网箱底部的下方, 只需一套气路和控制阀即可。由于配重较大, 这要求网箱底圈强度足够大。经过对照试验, 该方案由于重心明显低于前一种方式, 且便于控制下潜过程平稳性明显优于前者。图3为课题组沉降实验网箱模型照片。

必须指出, 主动升降抗浪方式受到养殖水域深度等海况的限制。一般需要水深在30 m以上的深度, 网箱下潜10 m以上才能躲避12级左右的台风或5~6级大浪;但水深太浅则起不到相应的作用, 如20 m内的海域, 在14级以上的台风大浪时, 海底的浪流也相当巨大, 此时即使网箱下沉, 也难以有效抵御台风大浪。

2 饵料投喂技术研究进展

传统网箱养殖过程中, 饵料投喂主要依靠人工完成, 而在深海网箱养殖中, 由于距离远、浪大等因素, 人工投喂不现实, 机械化、自动化、智能化的饵料投喂技术则显得非常必要。

目前, 集中饵料投喂是饵料发展的主要投喂方式。加拿大Feeding Systems公司成功研制了适用于大网箱、陆基养殖工厂和鱼苗孵化场的自动投饵系统, 并为各种不同的养殖对象分别开发出了不同的投饵控制软件。在自动投饵机和专用软件的配合下很好地提高了饵料的利用率。美国ETI公司生产的FEEDMASTER自动投饵系统在许多国家得到了推广使用。该系统对饲料颗粒基本没有机械损伤和热损伤, 且具有很高的投饵精确性、可靠性和大饲料储存容量。每套自动投饵系统可支持24~60个直径约为10 cm的饲料输送管道。意大利的浮式网箱养殖已于20世纪90年代基本采用了专门的自动投饵技术。意大利Teehno SEA公司于20世纪90年代末研发出了沉式自动投饵机Subfeeder-20[35]。该机主要由HDPE制成。当网箱沉降到海面以下时该机仍可为网箱自动投饵, 实现了在恶劣的天气和海况条件下的自动投饵, 是一种全天候的自动投饵机。挪威AKVA公司的Marina CCS投饵系统饲料投喂已经实现自动化、智能化控制。

国内主要在大型集中送料式投饵系统方面开展了研究和试验。但由于成本较高, 操作复杂, 一般养殖用户难以承受, 所以这种投喂系统目前还难以推广。由于集中饵料投喂装置成本高, 需配置专用工作船, 消耗功率大, 也需要人工定时操作投喂。一般养殖渔民难以承受, 这适用于大型养殖企业。

基于上述原因, 笔者提出了一种分布式智能投喂装置与技术。在网箱群中, 每个网箱配置一个智能投喂装置, 形成网箱群投喂装置的分布式布置。投喂装置通过无线信号接收发送系统可实现网箱饵料的无线远程投喂、饵料投喂情况监控等功能, 形成智能化的投喂系统。借鉴意大利的沉式自动投饵机方式, 笔者所在课题组研制了分布式智能投喂装置。这种投饵装置以投放颗粒饵料为主, 单个饵料箱容积可根据鱼群数量确定, 一般可满足7d左右的饵料供应。由于不需要大型的饵料投喂工作船等投入, 这将极大降低饵料投喂装置成本与人工操作强度, 并实现网箱养殖的精准投喂。图7和图8为课题组研制的两种不同类型的分布式智能投喂装置。

3 网箱能量供给系统研究进展

深水海域一般具有距离陆地较远、风浪较大的特点。而在此海域的深水网箱要实现升降、智能投喂和网箱监控、信息传输等功能, 能量动力来源则尤为重要。目前最常见的方式为外部能量供给系统, 一种方式为电缆供电方式, 由于距离陆地较远, 电缆供电的方式成本非常高;另一种为配置工作船方式, 这也是多数网箱养殖系统采用的方式。工作船上配置柴油发电机, 再配置其他机械等进行养殖网箱群的饵料投喂、信息监控等日常操控, 这无疑增加了网箱养殖的人工和设备成本。如何实现深海网箱系统的能量自我供给则是一个值得研究的课题。一方面的研究是利用海上风能和太阳能为网箱系统提供能量, 另一方面是利用海流能、波浪能为网箱系统供能。英国杜伦大学研制了利用风能和太阳能互补功能的饵料投喂系统[17,18,19,36], 如图9所示。国内也开展了利用太阳能提供电能、GSM模块和自动补充充气装置实现网箱的远程遥控升降操作[25,34]。由于风能和太阳能不稳定, 且发电功率较小, 风能光能供电系统并未进入实用阶段。而海洋中的波浪能、海流能的能量密度远远大于风能、光能, 且规律性强, 间隔时间短, 是一种有待开发利用的可再生能源。笔者所在课题组提出了利用海洋能发电系统为网箱系统提供动力来源, 在养殖网箱周围安装低流速启动的既能捕获波浪能、也能捕获潮流能的低流速发电系统, 一方面起到发电目的, 另一方面达到减少网箱内部水流速度, 起到阻流作用, 有利于鱼群的生长。图10为研制的S型阻力型波流发电桨叶。同时研制了漂浮式波浪能、潮流能耦合发电平台, 该平台可为20个左右的网箱群提供持续稳定的电能。图11为供电平台在海上的调试阶段。

4 结论与展望

本文针对深海网箱的适用海域和自身特点, 对养殖网箱从近岸海湾走向开放式海域、从浅水走向深海过程中迫切需要解决的网箱抗浪性、饵料智能投喂、网箱系统能量供给等关键技术研究现状及趋势进行了讨论和分析。总的来说, 为拓展养殖海域和提高鱼类品质, 适用于深水海域的网箱装备需求潜力巨大。在借鉴国外先进技术的同时, 笔者认为发展国内深水海域网箱养殖装备技术具有如下趋势和特点:

1) 中国东海、南海等海域具有浪大流急的特点, 尤其是台风大浪对网箱的破坏特别巨大。研发抗浪能力强的主动沉降式网箱则是今后的发展方向。

2) 要实现网箱系统的沉降抗浪、智能投喂、远程监控等功能, 持续稳定的电能供给是基本保障。利用小功率波浪能、潮流能发电装置一方面可为网箱系统提供电能, 另一方面可为网箱系统起到阻流作用, 这也是网箱能量供给的一个发展趋势。

3) 深海网箱养殖辅助设备应兼顾一定的经济实用性。采用分布式智能投喂方式可大幅降低装置成本和人工操作强度, 更容易为广大养殖用户接受。

篇4：卡梅隆:深海的艺术与技术

挑战“最深渊”

卡梅隆不畏个人危险，对探知深海奥秘始终充满着热情和迷恋。他曾说，“骄傲自豪地活着，是我一直努力的方向，即使这要花费大量的时间和金钱。”

从1989年拍摄电影《深渊》开始，到1997年对沉睡于大西洋底的“泰坦尼克”号完成探险拍摄，卡梅隆的深海探险活动一发而不可收，他的“烧钱”行动也从未停止过。他在澳大利亚成立了一个公司，花8年时间研制成功了“深海挑战者”号，并完成了此次对“挑战者深渊”的探险。

早在1960年1月23日，时任美国海军上尉的唐·华尔什和“曲斯特”载人潜水器设计者的儿子亚格斯·皮卡德就曾乘坐“曲斯特”号下潜到马里亚纳“挑战者深渊”的底部，创造了10916米的深度纪录。但令人遗憾的是，他们只待了20分钟，由于潜水器卷起了海床上的大量泥沙，两人几乎什么都没看到，甚至连一张照片也没有留下，更没有取到任何海底样品。人们只能凭借仪表的记录，承认他们曾经到达过这一深度。此次，卡梅隆的下潜“是人类第一次真正有机会看一眼这片像外星球一样的风景。”

《深渊》的拍摄其实根本没有在海洋中，它的绝大部分水下场景是在位于美国南卡罗来纳的盖法泥水下40英尺的一个核反应堆半成品中拍摄完成的，但这部影片的拍摄却开启了卡梅隆迈向深海探险的第一步。接下来为了探索“泰坦尼克号”的海底残骸，通过实体摄影来加强电影的历史真实性，卡梅隆召集俄罗斯、美国和加拿大的科学家、摄影师、水手和历史学家，于1995年组织了12次下潜，他们使用俄罗斯两艘“和平号”载人潜水器下潜到约3700米“泰坦尼克”号残骸深处，还用一台遥控潜水器进入残骸内部，拍摄到“泰坦尼克”号沉没后人所未达的地方，获得了最佳拍摄视角和效果。

纪录片《深海异形》也是卡梅隆深海探险的成果，他乘俄罗斯“和平”号和美国“阿尔文”号多次亲临大西洋、太平洋海底裂隙冒着黑烟的热液活动区进行实地拍摄，抓取了附近海底生物的珍贵照片。去年8月16日，卡梅隆甚至异想天开地在俄罗斯贝加尔湖水下1600米深处度过了56岁的生日。对于马里亚纳海沟“挑战者深渊”的探险，卡梅隆表示，“所有这一切的目标并非仅仅是破纪录以及做一些哗众取宠的下潜。我希望能够挑战的不仅是科学知识，还有工程技术的极限。”

与其他深海探险家独自深海探险以满足个人好奇的举动不同的是，卡梅隆通过海底实地拍摄，生动地展示了常人难以想象的丰富多彩的深海画面，极大地满足了人类探知深海奥秘的渴望。这正是他的影片获得巨大票房收入的真正原因。事实上，人们的胃口又一次被他下潜到“挑战者深渊”吊了起来，迫切期待看到11000米深处的“外星风景”。

促进深潜技术发展

人类的深海探险随科技进步而不断发展，同时人类对探知深海的渴望也推动了深海技术的创新。在深海载人潜水器的关键技术中，难度最大的无疑是载人球舱设计和加工制造。载人球舱的直径越大，对材料的要求就越高，加工制造难度就越大。为了减少潜水器总体重量，近年来制造的载人球壳多采用比重小、强度大的钛合金材料。目前，用于深海科学考察的几型载人潜水器的载人球舱直径都在2.0米左右，以保证3个下潜人员的生存活动空间。

卡梅隆的11000米载人潜水器，目的是为了极限探险，不像用于深海科学考察的载人潜水器那样需要几千次的下潜寿命，它的设计寿命也许几次就可以满足要求，因此无须在可靠性方面花太多精力。为了保证载人球壳能够耐受1100个大气压的考验，同时为了减小制造难度，节省经费开支，只能尽可能地减小球壳的直径，自己受委屈“蜗居”在直径只有1.09米的球壳内。这样的载人球壳只需采用普通的高强度钢就可以制造，而无需采用强度高、但价格昂贵的钛合金材料。

对于一次深海探险来讲，“蜗居”在这样狭小空间内6??7个小时，也许可以勉强接受，但要求他第二天连续下潜，则是不可想象的。这次探险随行的一个心理学家说，“下次下潜至少要在几个星期之后，以使卡梅隆的身心健康得到恢复。”显然，“深海挑战者”号无法匹敌用于深海考察的载人潜水器每天都需要下潜的频度要求。

但卡梅隆的“深海挑战者”号潜水器也有其自身的特点，比如，它装备了8台高清摄像机，其中有4台安装在载人球壳的外面。这正是他的老本行3D电影的拍摄要求。他的团队为这次探险专门开发了可以在水下拍摄3D影像的系统，以获得最佳的水下拍摄效果。这种技术创新为深海摄像技术的发展做出了贡献。

目前的几型科学考察用潜水器下潜和上浮的速度都在1??2节之间，如果以这样的速度下潜到挑战者深渊，需要4小时，来回就要8小时，极大地限制了海底作业时间。而“深海挑战者”号下潜速度却提高到了4.5节，这一技术大大节省了下潜上浮时间，有效地增加了潜水器海底工作时间。

卡梅隆的技术攻关团队潜心8年时间，终于实现了前人无法达到的目标。这些技术创新无疑将在深海技术领域掀起一股强劲的创新热潮。

据不完全统计，目前全世界仍在使用的各类载人潜水器约有90艘，有的用于深海科学考察，有的用于海底观光或海底探险。其中潜深超过1000米的仅有12艘，更深的潜水器数量则更少。目前拥有6000米以上深度载人潜水器的国家包括美国、日本、法国和俄罗斯。中国的“蛟龙号”载人潜水器设计深度7000米，去年开展了5000米級载人深潜试验，下潜深度达到5188米，今年夏季将进一步开展7000米级深潜试验。

根据深海技术的成熟度和中国不断发展的经济技术实力，考虑深度指标突破和经济适用等方面的因素，中国确定了研发7000米载人潜水器的目标，并计划实现5项标志性突破，包括：在世界上同类型的载人潜水器中具有最大工作深度——7000米，这意味着该潜水器可在占世界海洋面积99.8%的广大海域使用；与其他国家载人潜水器相比具有最为强大的动力，这表明该潜水器能长时间进行水下作业、具有从事高强度作业的能力；具有针对作业目标稳定的悬停定位能力，为潜水器完成高精度作业任务提供可靠保障；具有先进的水声通信和海底微地形地貌探测能力，高速传输图象和语音，探测海底的小目标；配有多种高性能作业工具，确保载人潜水器能在特殊的海洋环境或海底地质条件下完成保温保压取样和潜钻取芯等复杂任务。

实现深海极端环境下海底作业是“蛟龙号”载人潜水器研发的真正目的。“蛟龙号”5000米深潜试验的成功，标志着中国具备在全球70%以上海洋区域开展深海科研和资源勘查的能力。极端深海环境的挑战成就了中国载人深潜技术的发展成熟。有理由相信，中国的载人深潜队伍一定能够在7000米级海试中创造新的辉煌。

篇5：深海技术介绍

王玉堂

抗风浪深海网箱是指在相对较深的海域，即通常在水深２０米以上的海域设置和进行水产养殖活动的网箱。这里的“深海”是相对于近海沿岸而言的，并非是海洋学或海洋地理学上的概念。

国外应用深海网箱养鱼已有１０多年的历史，一般称作“离岸养殖”或“离岸网箱养殖”。通常在深海网箱养殖的种类为游动性或游泳能力较强的海洋鱼类。其中养殖设备较好，性能较稳定和养殖技术水平较高的有挪威的三文鱼深海网箱养殖、日本的深海网箱养殖紫及美国的深海网箱养殖鲑鳟鱼类等。深海网箱养鱼技术传入我国的时间不长，只有３－４年，可以说，我国的深海网箱养鱼技术还处于试验应用阶段。

一、深海网箱的种类

深海网箱的种类因分类依据的不同有不同的称谓。

１、根据网箱的设置和抗风浪状态可分为浮式和沉浮式（升降式）两种。浮式网箱常年漂浮在水面上，不作沉浮运动；可以设置于水质较好的半开放性水域，抗风浪性能较好，一般可抵御６－８级风浪；其优点是便于日常的管理维护和养殖操作，缺点是对网箱框架的材质及整体性能要求较高，要求坚固耐用，这种网箱是目前世界上使用最多、最普遍的一种深海网箱养殖设备。“沉浮式”或“升降式”深海网箱与浮式网箱有所不同，在风平浪静时浮于水面，而当台风来临时则沉到水下６－８米处，以避免风浪的冲击，一般可抵御１０－１２级风浪。这种网箱又可以分为“自沉式”和“助沉式”两种。自沉式网箱上设有风浪监测和自动沉降系统，当风浪达到一定强度和网箱感受到一定的压力时，便自动而迅速沉入水下，不需要人工辅助下沉；而助沉式则网箱则需要根据天气情况而人工辅助下沉。这类网箱的优点是抗风浪能力很强，可以设置于较开放的水域；缺点是对设备性能要求高于浮性网箱，使其造价更高，通常高于浮性网箱５０％左右。

２、根据网箱的材质可分为金属网箱和塑料网箱两类。金属网箱又有

铝合金质网箱和不锈钢质网箱两种。这类网箱除材质上的要求外，其它方面的要求与塑料网箱基本相同，其形状有方形、长方形和圆形等；规格上从１２ｘ１２ｘ６－８到２５ｘ２５ｘ６－８不等，其中方形和长方形网箱的总体框架内又可单设一只网箱或２－４个小网箱。这类网箱可以设置于半开放或风浪不大的开放水域，可以抵抗４－５米的风浪。其优点是因在网箱上设有较宽阔的工作通道，故生产操作及管理维护较为方便，所需的配套及辅助设施较少；缺点是造价很高，一般相同面积的金属网箱造价要高出浮性塑料网箱的２－３倍。塑料网箱又称ＰＥ网箱，这是目前世界各国生产上应用最多的网箱。这类网箱的形状有方形、长方形和圆形等，方形和长方形的规格与金属网箱大体相同，而圆形网箱的规格大小不一，一般为周长１６－１５０米。这类网箱的优点是造价较低，约为金属网箱的２５％左右，可抵抗４－５米风浪，可设置于半开放性海域；缺点是箱体有一定的扭曲性，在风浪较大的海域设置时易于扭曲、缠绕。

３、根据箱体的形状可分为锥体网箱和平底网箱两类。锥体网箱又称碟式网箱，箱体呈锥形，是为方便捕捞而设计的；平底网箱的箱体为正规的正方体、长方体、棱柱体和圆柱体。

此外，按养殖种类的生活习性又可分为游泳性和鲆鲽类养殖网箱。前者用于游泳性能力较强的鱼类养殖，而后者用于鲆鲽类等底栖性鱼类的养殖。

二、深海网箱养鱼发展动态及国产化现状

（一）国外深海网箱是近１０多年来才发展起来的全新的养殖设施，它综合运用了计算机控制技术、新材料技术、防海水腐蚀技术、抗紫外线技术、鱼类育种新技术等。到目前为止，应用这一水产养殖技术的国家和地区还不多，仅挪威、美国、智利、日本、俄罗斯等１０多个国家能开发生产出这种养殖设施。从总体上看挪威是目前这一领域技术上较先进的国家，而且配套设备也最为齐全，应用的规模也较大，但因其售价较高，每组（４只网箱）的售价高达１００－４００万元人民币，还不包括配套设备，这对我国养殖生产者的经济水平而言不大适用，一般的养殖者难以承受。日本、美国的深海网箱制造技术也已基本成熟，但在本国内的应用量

也不是很大，且用于养殖的都是在当地富有很高附加值的高级海水鱼类，或用作某些重要的试验研究用途，因其造价也较高，一般的生产应用并不多见。

（二）我国的引进与国产化状况

我国真正认识和开始引进深海网箱是自１９９８年后才开始的，到目前为止，只有浙江、福建、广东和海南四省从挪威、美国、丹麦及我国的台湾省引进约６套２４只网箱，目前的试养殖运行情况尚可，但因其进口价格较高（１００－４００万元人民币之间），加上我国水产品市场价格问题，养殖效益难以充分发挥，目前还不具备大规模推广应用的经济条件。从目前的经济情况上测算，大多数养殖单位和个人多倾向于购置每组（４只网箱）售价２０－１００万元之间的深海网箱养鱼设施，为此，近３年来国内的一些科研单位展开了抗风浪深海网箱设施与设备的研制和国产化开发工作，以期降低生产成本，缩短与国外同类技术水平间的差距。但到目前为止，还存在一些技术及材质、加工工艺上的问题，还没有一个经技术鉴定而定型的产品，如抗风浪能力较低，沉浮设施的性能不稳定，自动化程度低及配套水平差等，还需要做更多的科研攻关工作。

不过经过近３年的科研攻关，在某些技术方面已取得实质性进展。如有的产品已在抗风浪、抗附着和水下投饵等设备和技术方面都取得了实质性进展，预计不久的将来有望全面突破深海网箱的国产化技术。

三、抗风浪深海网箱养鱼技术在我国的发展前景分析

综合分析我国海洋渔业资源状况及管理趋势、海水鱼类养殖发展趋势、近海水质环境及海水鱼类的市场需求状况等因素，可以确定抗风浪深海网箱养鱼技术在我国将会很快发展起来。因为它有如下优点：

（一）海水鱼类的养殖是弥补资源不足的一条有效途径。海水鱼类的市场空间还有很大。国际市场的潜在需求很大，而目前我国优质海水鱼类的总体产量很有限，据统计资料表明，２０００年我国海水鱼类的捕捞总产量为５１２．６万吨，而养殖总产量还不足５０万吨。随着经济海洋渔业资源的日趋枯竭及海洋捕捞“零增长”战略的实施，优质海水鱼类的养殖步伐将加快，因此，将会带动深海网养鱼事业的发展。

（二）近海水环境的日益恶化将使得养殖空间向外拓展。

由于工业废水、城市污水、油类污染及养殖自身污染等原因，使得近岸沿海水域的污染日趋严重，养殖水环境日益恶化，已不再适合大规模、高密度的水产养殖业发展，迫使水产养殖向离岸较远的深水水域推移，而抗风浪深海网箱养鱼恰好符合这种需要，拓展了水产养殖的水域。

（三）深海网箱养鱼是促使渔民转产转业的良好途径。

受海洋渔业资源捕捞过度及实施海洋捕捞“零增长”战略的影响，大批渔民面临转产转业的问题。这些渔民长期以来一直以捕捞为生，失去海上捕捞生产和生存空间后急需寻求新的生产和生存空间，而发展深海网箱养鱼有利于促使他们转产转业。

四、当前发展深海网养鱼中存在的问题及对策

到目前为止，我国已发展抗风浪深海网箱养鱼５０余只，其中浙江省２０多只、青岛市６只、深圳市４只、海南省４只、福建省１２只、山东的威海市辖４只等，其中大部分是进口产品，另有近８０只网箱计划年内下水。从目前的情况看，我国在发展抗风浪海水网箱养鱼中还存在一些问题，需及时采取相应对策以解决。其中主要的有：

（一）尽快攻克深海网箱国产化难点。进口产品的价位都较高，一般在每组１００－４００万元人民币之间，而且不包括辅助设备。这个价位一般的养殖者和养殖单位都难以承受，因而阻碍了深海网箱养鱼业的发展。因而，加大国产化攻关力度，降低造价和售价，提高性能已是当务之急。

（二）各级渔业行政主管部门应加强组织和引导工作。目前，我国捕捞渔民的转产转业压力很大，失去海上捕捞的生产空间后又难以在陆找到生产空间，没有耕地等生产资料，因而，引导他们从事深海网箱养鱼可为他们提供新的生产空间，以保障他们的生活。但因渔民的经济实力、组织程度、养殖技术水平等方面存在一些问题，而这一群体又关系到渔村的社会稳定事宜，因此，各级政府渔业部门应投入一定的财力和物力，定点示范，有效引导，有效组织和管理，使他们走上新的生产岗位安居乐业，维护渔区的社会稳定。

（三）各级水产技术推广部门要做好技术服务工作。深海网箱养鱼技

术有别于陆上和近海养殖，加上渔民对网箱的设施性能、维修管理及养殖生产技术等了解甚少，这需要各级水产推广部门加强技术服务、技术培训和技术指导工作，使他们尽快掌握这一生产技能。

（四）科研部门要配合做好优良养殖种类的选择，解决苗种的生产性繁殖及鱼种培育技术、饲养管理技术及饲料技术等，以保证深海网箱养殖业的健康发展。

篇6：一种用于深海装备的着陆控制技术

深海装备 开发及其 配套技术 是海洋技 术领域的 重要分支 , 在国防安 全 、 海洋科学 调查 、 海洋资源 勘探 、 水下工程 等多个领 域有着广 泛的应用 。 本文根据 深海装备 在海底作 业中出现 的实际需 求 , 针对需要 在海底复 杂地形下 平稳着陆 , 保持水平 姿态进行 作业的情 况 , 提出了一 种用于深 海装备的 四足着陆 控制技术 , 并制作了 实现该技 术的原理 样机 。 该样机采 用了传感 器技术 、微处理技 术 、 水下密封 技术等构 成系统单 元的硬件 , 在研究和 分析了国 内外深海 装备着陆 及调平技 术方案的 基础上 , 采用了一 种创新性 的 “二次调平 ”机制 , 并通过自 适应控制 理论设计 实现了一 种水下四 足着陆算 法 , 在实验室 水池中实 现了原理 样机在模 拟海底地 形下的平 稳着陆与 调平功能 。 与以往研 究相比 , 该技术能 实时根据 地形地貌 , 自主 、平稳地着 陆到海底 地面 , 辅助勘探 工作顺利 进行 , 大大提高 了水下资 源采集的 能力 。

1系统工作原理

深海装备 的着陆控 制系统的 工作示意 图如图1所示 。 系统分为 水上的甲 板供电单 元和水下 作业平台 两个部分 。 母船行驶 到指定海 域后 , 下放搭载 了着陆控 制系统的 深海装备 进行水下 作业 。 当整个装 备离底10 m时 , 着陆控制 中的距离 调平系统 被触发 , 4个安装在 支腿底部 的距离传 感器开始 测距 , 并通过RS-232总线将数 据传送到 主控模块 。 主控模块 进行数据 处理计算 后 , 输出PWM信号给电 机驱动模 块 , 从而通过 电机的转 动调整各 个支腿的 长度 , 完成第一 次调平工 作 。 随着整个 装备的继 续下降 , 当离底距 离小于0.5 m时 , 距离调平 系统停止 工作 。 随后装备 坐底 , 角度调平 系统被触 发 , 安装在平 台中央的 角度传感 器将实时 的水平X、Y两个方向 的角度通 过I2C总线传送 给主控模 块 , 通过数据 融合解算 , 反复调节 各个支腿 的伸缩长 度 , 使整个装 备尽可能 地水平着 陆在指定 的海底 。 当X、Y的角度同 时小于1° 时 , 角度调平 系统暂停 工作 , 从而完成 整个装备 的第二次 调平工作 。 这一调平 技术可为 该深海装 备的执行 机构平稳 、可靠地进 行水下作 业 ( 如钻机钻 具下行 、CPT探针下行、ROV或HOV机械手取样等) 提供一系列的保障 。

2系统硬件设计

系统的硬 件设计主 要包含主 控模块 、 传感器模 块和步进 电机驱动 模块 , 如图2所示 。

本系统选 择意法半 导体公司 生产的STM32F103VCT6作为控制 模块处理 器 , 其工作频 率高达72 MHz, 内部集成 嵌套矢量 中断控制 器NVIC、64 Kb闪存 、20 Kb的RAM , 支持SWD调试 , 多个16位定时器 可以实现 输入捕获 、PWM输出等功 能 , 另外芯片 内部集成2个SPI外设接口 、2个I2C接口 、5个U (S) ART等外设 , 完全能满足本系统 设计的资 源要求[1]。

角度传感 器采用的 是ADI公司生产 的采用MEMS技术的三 轴加速度 计ADXL345, 具有小巧 轻薄 、 超低功耗 、 可变量程 、 高分辨率 等特点 ; 具有SPI和I2C数字输出 功能 ; 最大量程 可达±16 g, 另可选择±2、±4、±8 g量程 , 可采用固 定的4 mg/LSB分辨率模 式 , 该分辨率 可测得0.25°的倾角变 化 。 在系统工 作时 , 微处理器 通过SPI总线访问ADXL345的寄存器 中的X、Y、Z的值 , 经过处理 得到水平X、Y方向的倾 角值[2]。

距离传感 器是直接 采用Tritech公司生产 的Micro Sounder高度计 , 其工作频率为500 k Hz , 测量范围0 . 5 m ~ 50 m , 分辨率达 到1 mm , 完全符合 本系统设 计要求 。 其通过RS232总线将高 度值以ASCII码的形式 传送给微 处理器 。

电机驱动 模块采用 的是以THB7128作为驱动 芯片 , 其特点是 :低功耗 、多种细分 、高细分 , 且电机运 行稳定, 无噪声 , 不失步。 采用两片6N137高速光耦隔离输入 , 在保护控 制器的同 时 , 更高的传 输速率让 步进电机 工作更加 稳定准确 。 在系统工 作时 , 微处理器 通过2个I/O与一路驱 动电路相 连 , 分别控制 步进电机 的转速和 转向 。

3系统软件设计

整个着陆 控制系统 以STM32微处理器 为控制核 心 , 使用C语言编写 。 着陆控制 系统软件 包括高度 计和姿态 模块数据 的采集 、数据处理 和PID控制三个 部分 。

3.1高度计的数据采集及处理

测距模块 程序设计 可以分为 以下几个 步骤 , 如图3所示 。

( 1 ) 系统初始 化

上电后 , 对系统时 钟 、I/O口 、UART初始化配 置 。

( 2 ) 微处理器 接收高度 数据

单片机微 处理器接 收中断程 序 , 判断是否 接收到高 度计发送 数据的请 求 , 如果接收 到发送请 求 , 则单片机 进入到接 收数据状 态 , 存入预先设定 好大小的 数据缓存 区 。

( 3 ) 数据解析

从数据缓 存区提取5帧完整字 符串类型 的数据 , 将其转化成 浮点型数 据 , 求出这组数据的 平均值 , 存入数组 变量 。

3.2倾角计的数据采集及处理

ADXL345寄存器中 存放的是X 、 Y 、 Z 3个方向的 加速度值 , 微处理器 通过SPI总线取出 数据 , 计算得到X、Y方向的倾 角值 , 软件流程 图如图4所示 。

3.3着陆控制系统主程序设计

着陆控制 系统主程 序的软件流程 图如图5所示 。程序将采 集到的高 度计和倾 角计数据 进行解析 、 判断 、 运算 , 结合PID算法 , 获得电机 控制量 。

距离调平 系统采用 向平均值 靠拢的方 法 , 设H为各个支 腿的高度 值 , i为支腿编 号 , j为测量序 数 , P、I、D分别为PID调节中的 比例 、 积分和微 分参数 , M为电机控 制量 。 通过4个支腿的 高度值Hi ( i = 1 , 2 , 3 , 4 ) , 分别计算 出误差 △Hi:

根据实验 得出的PID参数P、I、D, 分别计算 出各自的 控制量MPi、 MIi、 MDi[3,4]:

根据式 (2) ~ (4) 计算出总 的电机控 制量 :

角度调平 系统采用 位置误差 控制调平 的方法 。 当整个设 备坐底后 , 各个支腿 承受较大 的力 , 因此采用 各支腿只 升不降 , 其他支腿 向最高点 靠拢的方 式 , 可以快速 平稳地完 成系统的 “微调 ”。

在如图6所示的模 型分析图 中 , OX0Y0为水平坐 标系 , OXY为平台坐 标系[5,6]。 其中 , 平台长为La, 宽为Lb, 平台与X、Y方向的倾 角分别为 α、β。 首先根据 α、β 的大小判 断出最高 的支腿 ; 其次 , 设平台的4个支点的 坐标为 (xi, yi, 0 ) ( i = 1 , 2 , 3 , 4 ) , 根据数学 推算 , 得出各个 支点的坐 标为 :

当平台刚 落地后 , 各个支点 在OX0Y0中的纵坐 标的初值 :

根据式 (7) , 这里必有 最高腿存 在 , 同时假定i=h, 且zi≤zh。 那么动作 过程中 , 各腿的高 度差满足 :

若 α、β 都大于零 , 可判断出 支腿1为最高腿 , 支腿3为最低腿 , 则有 : e1= 0 , e2= αLa, e3= αLa+ βLb, e4= βLb。

支腿总的 行程量为 :

4系统调试与结论

在实验室 水池中搭 建的试验 环境如图7所示 。 在水池底 部模拟一 个高低不 平的复杂 海底环境 , 并将整个 装置通过 滑轮吊到 半空中 , 处于模拟 海底的正 上方 ; 接通电源 , 通过滑轮 将装置缓 缓下放 ; 下放过程 中 , 4个支腿将 会通过水 底的实际 环境自动 调节各个 支腿的高 度 , 进行 “ 粗调 ” ; 当4个支腿到 达底部时 , 倾角传感 器开始工 作 , 进行 “ 微调 ” ; 当倾斜度 小于阈值 时 , 调平结束 , 着陆成功 。 图7所示为调 平过程中 各个支腿 的高度曲 线 。 结果表明 , 系统工作 正常 , 能很好地 在水下完 成平稳的 着陆 。

参考文献

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