auv水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-wenkub
2022-08-27 00:13:34 本頁(yè)面
【正文】 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。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。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。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。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。以NEMA0183 格式傳輸信息到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。采用磁羅盤和深度計(jì)分別與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成的組合量測(cè)值作為卡爾曼濾波的量測(cè)值， 既可以用精度高的子系統(tǒng)的信息修正慣導(dǎo)誤差， 又可以用慣導(dǎo)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的子系統(tǒng)作補(bǔ)償和校正，從而綜合發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)。2 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成及工作原理小型水下觀測(cè)機(jī)器人主要由人機(jī)交互平臺(tái)、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機(jī)四部分組成，操作人員通過(guò)有線遙控，結(jié)合人機(jī)交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動(dòng)上位系統(tǒng)控制面板上相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制按鈕即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用。圖中：Eξηζ—慣性坐標(biāo)系；Oxyz—載體坐標(biāo)系。左右對(duì)稱于縱中剖面，上和下、前和后都不對(duì)稱[2]。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操縱性。自治水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,載體采用模塊化設(shè)計(jì)思想, 可根據(jù)需要適當(dāng)增減作業(yè)或傳感器模塊, 載體采用魚(yú)雷狀流線外形, 總長(zhǎng)約2 m, 外徑25 cm, 基本模塊包括推進(jìn)器模塊、能源模塊、電子艙模塊、傳感器模塊以及GPS、無(wú)線電通訊模塊, 基本傳感器有姿態(tài)傳感器、高度計(jì)、深度計(jì)和視覺(jué)傳感器, 支持光纖通訊, 載體可外掛聲學(xué)設(shè)備, 通過(guò)光纖系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作可實(shí)現(xiàn)其半自主作業(yè), 也可在預(yù)編程指令下實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)。關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；總體設(shè)計(jì)方案；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；電機(jī)仿真1 引言近年來(lái)國(guó)外水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)水平較高。根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，具有代表性的產(chǎn)品有：美國(guó)Video Ray 公司開(kāi)發(fā)出的Scout、Explorer、Pro 等系列遙控式水下機(jī)器人，美國(guó)Seabotix公司研發(fā)的LBVROV 系列，英國(guó)ACCESS 公司的ACROV系列。系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計(jì)如圖11 所示[1]?？刂破骶哂凶銐虻聂敯粜詠?lái)克服建模誤差，以及水動(dòng)力參數(shù)變化。圖21 AUV水下機(jī)器人物理模型 微小型水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析，采用鋰電池作為能源，尾部為一對(duì)水平舵和一對(duì)垂直舵，單槳推進(jìn)，可攜帶慣導(dǎo)設(shè)備、探測(cè)聲納、水下攝像機(jī)、深度計(jì)等設(shè)備，設(shè)計(jì)巡航速度約2 節(jié)。因?yàn)闄C(jī)器人在航行時(shí)速度不高（4 節(jié)），可以對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行線性化及一些簡(jiǎn)化。圖23為水下機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖：圖23 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航是最常見(jiàn)和應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在工作時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在保證導(dǎo)航運(yùn)算速度和精度的同時(shí)， 還要具有豐富的外設(shè)接口，方便與外部多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[4]。磁羅盤可以獲取當(dāng)前載體三維姿態(tài)信息，通過(guò)RS232 串口與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)相連，以NEMA0183 格式傳輸信息到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。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。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。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。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(shè)流體為理想且不可壓縮。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。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?？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)。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。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)。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存器；(3) CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個(gè)完整的CAN信息幀(擴(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)幀)，通過(guò)CPU啟動(dòng)發(fā)送,信息就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內(nèi)核模塊；(4)當(dāng)接收一個(gè)信息時(shí)，CAN內(nèi)核模塊將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?yàn)收濾波器,通過(guò)該可編程濾波器， P87C591確認(rèn)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(jī)方式?？偩€末端加124Ω的終端匹配電阻，以減少信號(hào)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(yīng)用了其內(nèi)部集成的14 路12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和串口通訊模塊，操作人員只需通過(guò)設(shè)定控制面板上各按鍵、搖桿，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換，將各模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)串口通訊模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)控制箱對(duì)下位控制系統(tǒng)各推進(jìn)器速度、方向的控制、照明燈的亮度調(diào)節(jié)以及攝像機(jī)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)設(shè)定。下位系統(tǒng)程序主要完成電機(jī)速度、方向設(shè)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(xué)測(cè)試原理可以獲得水下機(jī)器人相對(duì)于海底或流層的速度，對(duì)速度積分后就可以得到行程，這就是多普勒計(jì)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(duì)角速度進(jìn)行濾波平滑，然后再求出角速度測(cè)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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