auv水下機器人運動控制系統(tǒng)設計(編輯修改稿)
2024-08-26 00:13 本頁面
【文章內容簡介】 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。圖32為以P87C591為核心的CAN總線接口電路。P1. 0、P1. 1分別對應CAN的收(RxDC)和發(fā)(TxDC)線。 圖32 CAN總線接口電路CAN總線收發(fā)器選用Philips公司的PCA82C250，以差分方式發(fā)送。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。本系統(tǒng)中PCA82C250工作于斜率方式，通過Rs對地連接的電阻對總線進行斜率控制，以控制射頻干擾。使用雙絞線作為傳輸介質。通過高速光耦6N137將P87C591與CAN總線收發(fā)器進行光電隔離，以增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力。總線末端加124Ω的終端匹配電阻，以減少信號反射干擾[6]。 水上控制箱控制系統(tǒng)設計 設計中，我們采用了常見的小型控制箱作為岸上控制平臺，其外形尺寸為372mm266mm134mm，具有體積小，攜帶方便的特點。其內部硬件模塊主要包含主處理器核心模塊和液晶顯示模塊，完成上下位機間的通訊，視頻圖像、傳感器信息的顯示，實現(xiàn)人機交互。其結構框圖如圖33所示。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。 控制系統(tǒng)軟件設計上位系統(tǒng)程序主要完成系統(tǒng)上電初始化，控制面板各按鍵、搖桿信息的采集，液晶模塊顯示，與下位系統(tǒng)的通訊等工作。它采用順序式結構往復運行。運行過程中可以被中斷子程序中斷，執(zhí)行完中斷子程序之后返回斷點處繼續(xù)執(zhí)行主程序。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。同上位系統(tǒng)一樣，也采用了順序結構往復運行。系統(tǒng)上電后，MSP430F149 微處理器首先進入系統(tǒng)初始化程序，包括時鐘配置、I/O 口的初始化、外設模塊的初始化等。初始化結束后，開中斷，處理器進入串口接收數(shù)據(jù)的判斷循環(huán)當中[7]。程序流程圖如圖35 所示。圖35 下位系統(tǒng)程序流程圖4 控制算法4. 1 轉艏控制選用正確的控制方法是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要環(huán)節(jié)。采用神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制、PID 控制算法等都可以達到潛器穩(wěn)定運行的目的。具體的方法需根據(jù)不同的載體結構、不同的控制對象、不同的任務要求而確定。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。速度閉環(huán)控制回路的結構如圖41所示。構成航行速度閉環(huán)后可以較為精確地控制水下機器人在海底的航行速度。 我們采用分段線性PID 控制算法，即根據(jù)潛器運行的速度不同采用不同的PID 參數(shù). 離散后的PID控制算法為： (1)潛器在不同的速度下可采用不同的控制參數(shù)值，經(jīng)過試驗即可確定Kp、Ki、Kd ，如果微分項采用( ek ek 1) / T 直接計算，由于采樣周期較短, 因此會產(chǎn)生較大的噪聲信號，進而影響控制效果。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。4. 2 深度( 高度) 和縱傾控制深度( 高度) 和縱傾控制又稱為垂直面的控制。潛器在航行過程中，其高度或深度的變化通常是在運動中實現(xiàn)的。一但要求的高度或深度有變化，則必然會引起縱傾角的變化。 而縱傾角的變化也常常引起高度或深度的變化。因此潛器在垂直面的控制實際上是一個多輸入多輸出系統(tǒng)。這里A0 為給定矩陣，A 為反饋矩陣，E 為誤差矩陣，H0、P 0 分別為給定的高度和縱傾角，H、P 分別為采集的高度和縱傾角。將控制算法的矩陣解耦后，其輸出Pn 的計算方法如下:A0 =[H0 P0] A =[H P] E =[e1 e2]=[H0 – H P0 – P] (2)其中, f 1 和f 2 分別為e1 和e2 的函數(shù), f ( x) 為其它有關變量的函數(shù)。根據(jù)我們以往的工作經(jīng)驗，采用自適應控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法、PID 控制算法等均能達到相應的控制要求，定深控制方法與定高控制方法相似,垂直控制量是一個力矩，它被用來改變AUV 的縱傾角。 為了節(jié)省能源, 垂直控制通常是在AUV 的前進中實現(xiàn)的，即由縱傾角的改變而引起上升和下潛。5電機系統(tǒng)仿真 海洋水下機器人電動機的特點海洋水下機器人電動機除具有不同的電氣性能和結構參數(shù)外, 還必須具備耐海水腐蝕性、耐水壓機械結構以及可靠的密封結構。海洋水下機器人的驅動方式分為電力傳動和液力傳動, 供電方式分為電纜供電和蓄電池( 鎳氫電池、銀鋅電池和燃料電池等) , 供電電壓為幾十伏到幾千伏, 功率為幾百瓦到一百多千瓦, 交流異步電動機用于大功率液力傳動, 永磁釹鐵硼直流電動機則用于小功率多臺電機電力傳動, 近年來又在研制開發(fā)無刷直流電動機, 使之更適于充油式平衡壓力結構。中小型水下機器人大多用電動機直接連接螺旋槳。可以用直流電機、交流電機。直流電機成本低，調速、控制系統(tǒng)簡單，而交流電機需要逆變器把直流變成交流，成本高，系統(tǒng)復雜。尤其以電池組做動力源的水下機器人，都采用直流電機。無刷直流電機是近幾年來隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機，其最大特點是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機械接觸機構。通常采用永磁體為轉子，沒有激磁損耗，沒有換向火花，沒有無線電干擾，運行可靠，維護簡便。無刷直流電機(Brushless DC Motor，以下簡稱BLDC)是隨著電力電子技術及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機。以其
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