auv水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2025-07-15 00:13 本頁(yè)面
【正文】 器，通過(guò)膜片感應(yīng)內(nèi)外側(cè)水壓差來(lái)確定水深，其輸出為4～20mA 模擬電流信號(hào)， 轉(zhuǎn)換為0～5V 的電壓信號(hào)后經(jīng)過(guò)16 位ADC 轉(zhuǎn)換模塊，串行傳送到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。如圖24所示。圖24組合導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 驅(qū)動(dòng)方式的選用幾乎所有的水下機(jī)器人都采用螺旋槳式推進(jìn)器。80% 以上采用電機(jī)推進(jìn)器，其余采用油壓電機(jī)推進(jìn)器。水下機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)水下空間的六維（六自由度）運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)：推進(jìn)（Surge，沿x 軸）、升沉（Heave，沿z 軸）、橫移（Sway，沿y 軸）和三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：轉(zhuǎn)首（Yaw，繞z 軸）、縱傾（Pitch，繞y 軸）、橫搖（Roll，繞x 軸）。為使水下機(jī)器人在所有六維上的運(yùn)動(dòng)都是可控的，須適當(dāng)選用推進(jìn)器的數(shù)量和給予不同的布置。根據(jù)本水下機(jī)器人的使用目的，不需要使用六維運(yùn)動(dòng)，只要三個(gè)自由度即可，即推進(jìn)、升沉和轉(zhuǎn)首。我們選用了五個(gè)直流電機(jī)推進(jìn)器，分別布置在機(jī)器人本體的水平左右兩側(cè)和后部部垂直處，左右推進(jìn)器完成推進(jìn)和轉(zhuǎn)首兩個(gè)動(dòng)作，垂推進(jìn)器完成升沉動(dòng)作。 推力器的組成 推力器是由電機(jī)和螺旋槳組成的，水下機(jī)器人用的電機(jī)需要密封。密封主要有兩種方式，一種是機(jī)械密封，另一種采用磁耦合器。機(jī)械密封相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，但因密封處要承受海水的壓力，其特性因摩擦力的增加而變壞。對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，則表現(xiàn)為電機(jī)的空載電流增大（有時(shí)會(huì)增大13倍），這樣的電機(jī)用于推力器，會(huì)使啟動(dòng)電壓升高，從而加重推力器非線性。為了改善這種情況可以采用充油電機(jī)，由于電機(jī)內(nèi)部充油，因而耐水壓的性能得到極大的改善，而且電機(jī)因密封而引起的摩擦力要小得多，其空載電流的增加也很小，故可以忽略不計(jì)。 采用磁耦合器就是利用電磁力傳遞扭矩，這樣減速器和螺旋槳之間沒(méi)有直接的機(jī)械聯(lián)系。依據(jù)磁場(chǎng)傳遞扭矩，密封問(wèn)題很容易解決，只要用非導(dǎo)磁材料將電機(jī)、減速器包圍起來(lái)就解決了動(dòng)密封難題。采用磁耦合器，推力器的效率略有下降，但性能基本上不受影響。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速不一定完全匹配，為了得到較高的效率，需要采用減速器，有時(shí)為了減小尺寸，采用高速電機(jī)（例如采用10000轉(zhuǎn)/分以上的高速電機(jī)），這時(shí)也需要減速器。這樣組成的推力器如圖25所示。 圖25 推力器組成圖26 螺旋槳與推進(jìn)器示意圖考慮帶定子的導(dǎo)管槳在無(wú)限寬廣的靜止流體域中工作的情況。設(shè)流體為理想且不可壓縮。如圖26所示，建立固定于導(dǎo)管上的直角坐標(biāo)系Oxyz，以螺旋槳槳葉參考線與槳軸交點(diǎn)為原點(diǎn)，x 軸與槳軸中心線重合，指向槳的下游，y 軸垂直向上，z 軸方向由右手法則確定。推進(jìn)器工作時(shí)，導(dǎo)管、定子與槳共同沿x 軸負(fù)方向以勻速V0 前進(jìn)，同時(shí)槳葉繞x 軸以等角速度Ω旋轉(zhuǎn)[5]。 能源供給方式的選用其能源供給方式有兩種選擇：有纜方式或無(wú)纜方式，對(duì)于無(wú)纜水下機(jī)器人能源供給一般在機(jī)器人艙體安裝蓄電池或是帶燃油發(fā)電機(jī)組，這就造成水下機(jī)器人本體體積龐大、超重，此外蓄電池所儲(chǔ)存的能力有限，且受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，此機(jī)器人工作所要求的行走距離不是很大，故設(shè)計(jì)時(shí)采用了有纜遠(yuǎn)程遙控方式，這樣既可減小本體尺寸、重量，又保證了控制操作的有效性和可靠性，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不可預(yù)料的故障時(shí)可通過(guò)纜線撤回安全區(qū)域，不至于丟失。3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含主處理器核心模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊和視頻切換模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人推進(jìn)器的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、上下位機(jī)的通訊以及視頻圖像的切換等。水下機(jī)器人本體的左右兩邊各安裝2個(gè)主推進(jìn)器，分別由2 個(gè)直流電機(jī)通過(guò)聯(lián)動(dòng)軸與螺旋槳相連，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；垂直方向安裝有3個(gè)垂推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上升、下沉運(yùn)動(dòng)。前變焦攝像機(jī)安裝有垂直方向一維云臺(tái)，避免攝像死區(qū)。在機(jī)器人電子艙內(nèi)安裝有深度計(jì)、溫度計(jì)和數(shù)字式電子羅盤傳感器，滿足實(shí)際作業(yè)環(huán)境需要，為檢修人員提供了豐富的作業(yè)環(huán)境信息。 根據(jù)功能需要，我們選擇了TI 公司推出的MSP430 系列的MSP430F149 作為主處理器，這是一類具有16 位總線的帶FLASH 的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到了廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。該控制器可以在超低功耗模式下工作，對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境[6]。利用MSP430F149 定時(shí)器B 比較單元產(chǎn)生的6 路PWM 信號(hào)和5 路方向信號(hào)，分別控制主推進(jìn)器、垂推進(jìn)器、機(jī)械手、攝像機(jī)云臺(tái)電機(jī)速度和照明燈亮度；兩路串口實(shí)現(xiàn)了羅盤數(shù)據(jù)的采集和上位系統(tǒng)的通訊；外部傳感器反饋的模擬信息通過(guò)ADC 模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，使芯片豐富的外設(shè)資源得以充分利用?？偩€型結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點(diǎn)都共享一個(gè)公共的物理通道(即總線)。具有延遲小、速度快、易擴(kuò)展、單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障影響小的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)即采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制單元完成機(jī)器人控制系統(tǒng)中的各種控制任務(wù)(如傳感器控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制和通信模塊控制等)。各功能單元直接掛接在CAN總線上,成為控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成多主機(jī)結(jié)構(gòu),即每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為一個(gè)主機(jī)，通過(guò)CAN通信協(xié)議協(xié)同完成控制任務(wù)。將CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水下機(jī)器人中?？偩€上各節(jié)點(diǎn)完成不同的任務(wù)和功能，它們大部分時(shí)間并行工作，必要時(shí)通過(guò)總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。如圖31所示。CAN總線是一種多主總線,理論上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主節(jié)點(diǎn)。在控制系統(tǒng)中設(shè)置與上位PC機(jī)相連的節(jié)點(diǎn)1為上位節(jié)點(diǎn),其它節(jié)點(diǎn)為底層節(jié)點(diǎn)。PC機(jī)通過(guò)串口與節(jié)點(diǎn)1上的CPU通信, CPU再與CAN收發(fā)器通信,實(shí)現(xiàn)信息在CAN總線上的發(fā)送與接收。節(jié)點(diǎn)1與12個(gè)底層節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用的不同具有不同的功能,但它們都具有與CAN總線通信的能力,上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。圖31 CAN 總線通信節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計(jì)框圖CAN總線上各節(jié)點(diǎn)可采用Philips公司生產(chǎn)的單片機(jī)P87C591，除完成節(jié)點(diǎn)自身的控制功能外，還實(shí)現(xiàn)了CAN通信接口。P87C591兼容80C51指令集，并成功地集成了Philips公司的SJAl000 CAN控制器，該嵌入式CAN控制器具有以下特點(diǎn)：(1)完全符合CAN 2. 0規(guī)范，控制CAN幀的接收和發(fā)送；(2) CAN接口包含5個(gè)實(shí)現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄
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