auv水下機器人運動控制系統(tǒng)設計-wenkub
2022-08-27 00:13:34 本頁面
【正文】 圖25 推力器組成圖26 螺旋槳與推進器示意圖考慮帶定子的導管槳在無限寬廣的靜止流體域中工作的情況。依據(jù)磁場傳遞扭矩，密封問題很容易解決，只要用非導磁材料將電機、減速器包圍起來就解決了動密封難題。機械密封相對而言比較簡單，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。根據(jù)本水下機器人的使用目的，不需要使用六維運動，只要三個自由度即可，即推進、升沉和轉首。圖24組合導航系統(tǒng)總體設計框圖 驅動方式的選用幾乎所有的水下機器人都采用螺旋槳式推進器。以NEMA0183 格式傳輸信息到導航計算機。采用磁羅盤和深度計分別與捷聯(lián)慣導系統(tǒng)構成的組合量測值作為卡爾曼濾波的量測值， 既可以用精度高的子系統(tǒng)的信息修正慣導誤差， 又可以用慣導對動態(tài)響應慢的子系統(tǒng)作補償和校正，從而綜合發(fā)揮各自優(yōu)點。2 總體方案設計 系統(tǒng)組成及工作原理小型水下觀測機器人主要由人機交互平臺、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機四部分組成，操作人員通過有線遙控，結合人機交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動上位系統(tǒng)控制面板上相應的運動控制按鈕即可實現(xiàn)對水下機器人的運動控制，操作簡單、實用。圖中：Eξηζ—慣性坐標系；Oxyz—載體坐標系。左右對稱于縱中剖面，上和下、前和后都不對稱[2]。在控制系統(tǒng)的設計過程中充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操縱性。自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,載體采用模塊化設計思想, 可根據(jù)需要適當增減作業(yè)或傳感器模塊, 載體采用魚雷狀流線外形, 總長約2 m, 外徑25 cm, 基本模塊包括推進器模塊、能源模塊、電子艙模塊、傳感器模塊以及GPS、無線電通訊模塊, 基本傳感器有姿態(tài)傳感器、高度計、深度計和視覺傳感器, 支持光纖通訊, 載體可外掛聲學設備, 通過光纖系統(tǒng)進行遙控操作可實現(xiàn)其半自主作業(yè), 也可在預編程指令下實現(xiàn)自主作業(yè)。關鍵詞：水下機器人；總體設計方案；運動控制系統(tǒng)；電機仿真1 引言近年來國外水下機器人技術發(fā)展迅速，技術水平較高。根據(jù)機器人結構的特點，對模型進行了必要的簡化。設計了機器人的運動控制系統(tǒng)。其中，具有代表性的產品有：美國Video Ray 公司開發(fā)出的Scout、Explorer、Pro 等系列遙控式水下機器人，美國Seabotix公司研發(fā)的LBVROV 系列，英國ACCESS 公司的ACROV系列。系統(tǒng)基本模塊組成設計如圖11 所示[1]。控制器具有足夠的魯棒性來克服建模誤差，以及水動力參數(shù)變化。圖21 AUV水下機器人物理模型 微小型水下機器人動力學分析，采用鋰電池作為能源，尾部為一對水平舵和一對垂直舵，單槳推進，可攜帶慣導設備、探測聲納、水下攝像機、深度計等設備，設計巡航速度約2 節(jié)。因為機器人在航行時速度不高（4 節(jié)），可以對機器人模型進行線性化及一些簡化。圖23為水下機器人控制系統(tǒng)框圖：圖23 水下機器人控制系統(tǒng)框圖捷聯(lián)慣性導航是最常見和應用最廣泛的導航系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)在工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾破壞，是一種自主式導航系統(tǒng)。導航計算機在保證導航運算速度和精度的同時， 還要具有豐富的外設接口，方便與外部多傳感器進行數(shù)據(jù)通信[4]。磁羅盤可以獲取當前載體三維姿態(tài)信息，通過RS232 串口與導航計算機相連，以NEMA0183 格式傳輸信息到導航計算機。80% 以上采用電機推進器，其余采用油壓電機推進器。我們選用了五個直流電機推進器，分別布置在機器人本體的水平左右兩側和后部部垂直處，左右推進器完成推進和轉首兩個動作，垂推進器完成升沉動作。對電機來說，則表現(xiàn)為電機的空載電流增大（有時會增大13倍），這樣的電機用于推力器，會使啟動電壓升高，從而加重推力器非線性。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。設流體為理想且不可壓縮。根據(jù)實際應用環(huán)境，此機器人工作所要求的行走距離不是很大，故設計時采用了有纜遠程遙控方式，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，當設備出現(xiàn)不可預料的故障時可通過纜線撤回安全區(qū)域，不至于丟失。在機器人電子艙內安裝有深度計、溫度計和數(shù)字式電子羅盤傳感器，滿足實際作業(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。總線型結構的所有節(jié)點都共享一個公共的物理通道(即總線)。將CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡應用于水下機器人中。在控制系統(tǒng)中設置與上位PC機相連的節(jié)點1為上位節(jié)點,其它節(jié)點為底層節(jié)點。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：(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個實現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器；(3) CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個完整的CAN信息幀(擴展或標準幀)，通過CPU啟動發(fā)送,信息就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內核模塊；(4)當接收一個信息時，CAN內核模塊將串行數(shù)據(jù)流轉換成并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)津炇諡V波器,通過該可編程濾波器， P87C591確認接收需要的信息。引腳8與地之間的電阻為斜率電阻，其取值決定了系統(tǒng)處于高速方式、斜率控制方式或待機方式?？偩€末端加124Ω的終端匹配電阻，以減少信號反射干擾[6]。圖33 水上控制箱控制系統(tǒng)在該控制系統(tǒng)中采用MSP430F135 作為主處理器，充分應用了其內部集成的14 路12 位模數(shù)轉換器和串口通訊模塊，操作人員只需通過設定控制面板上各按鍵、搖桿，經(jīng)AD 轉換，將各模擬量轉換為數(shù)字量，經(jīng)串口通訊模塊來實現(xiàn)控制箱對下位控制系統(tǒng)各推進器速度、方向的控制、照明燈的亮度調節(jié)以及攝像機云臺的運動設定。下位系統(tǒng)程序主要完成電機速度、方向設定，各傳感器信息的采集，與上位系統(tǒng)的通訊等工作。程序流程圖如圖35 所示。圖41 速度控制經(jīng)用多普勒聲學測試原理可以獲得水下機器人相對于海底或流層的速度，對速度積分后就可以得到行程，這就是多普勒計程儀的基本原理。為了避免這種情況的發(fā)生,可采用最小二乘法對角速度進行濾波平滑，然后再求出角速度測量值，這樣可獲得較好的控制效果。 而縱傾角的變化也常常
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