auv水下機(jī)器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計(編輯修改稿)
2024-08-26 00:13 本頁面
【文章內(nèi)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(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)核模塊；(4)當(dāng)接收一個信息時，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)津炇諡V波器,通過該可編程濾波器， P87C591確認(rèn)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(yīng)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(jī)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(jìn)行斜率控制，以控制射頻干擾。使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。通過高速光耦6N137將P87C591與CAN總線收發(fā)器進(jìn)行光電隔離，以增強(qiáng)CAN總線節(jié)點的抗干擾能力?？偩€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(shè)計 設(shè)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(nèi)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(jī)間的通訊，視頻圖像、傳感器信息的顯示，實現(xiàn)人機(jī)交互。其結(jié)構(gòu)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(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)串口通訊模塊來實現(xiàn)控制箱對下位控制系統(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)云臺的運動設(shè)定。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(jié)構(gòu)往復(fù)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(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。同上位系統(tǒng)一樣，也采用了順序結(jié)構(gòu)往復(fù)運行。系統(tǒng)上電后，MSP430F149 微處理器首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，包括時鐘配置、I/O 口的初始化、外設(shè)模塊的初始化等。初始化結(jié)束后，開中斷，處理器進(jìn)入串口接收數(shù)據(jù)的判斷循環(huán)當(dāng)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(zhuǎn)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(luò)控制、自適應(yīng)控制、PID 控制算法等都可以達(dá)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(jié)構(gòu)、不同的控制對象、不同的任務(wù)要求而確定。圖41 速度控制經(jīng)用多普勒聲學(xué)測試原理可以獲得水下機(jī)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(jié)構(gòu)如圖41所示。構(gòu)成航行速度閉環(huán)后可以較為精確地控制水下機(jī)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(jìn)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(jìn)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(guān)變量的函數(shù)。根據(jù)我們以往的工作經(jīng)驗，采用自適應(yīng)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、PID 控制算法等均能達(dá)到相應(yīng)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(jìn)中實現(xiàn)的，即由縱傾角的改變而引起上升和下潛。5電機(jī)系統(tǒng)仿真 海洋水下機(jī)器人電動機(jī)的特點海洋水下機(jī)器人電動機(jī)除具有不同的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)外, 還必須具備耐海水腐蝕性、耐水壓機(jī)械結(jié)構(gòu)以及可靠的密封結(jié)構(gòu)。海洋水下機(jī)器人的驅(qū)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(jī)用于大功率液力傳動, 永磁釹鐵硼直流電動機(jī)則用于小功率多臺電機(jī)電力傳動, 近年來又在研制開發(fā)無刷直流電動機(jī), 使之更適于充油式平衡壓力結(jié)構(gòu)。中小型水下機(jī)器人大多用電動機(jī)直接連接螺旋槳?？梢杂弥绷麟姍C(jī)、交流電機(jī)。直流電機(jī)成本低，調(diào)速、控制系統(tǒng)簡單，而交流電機(jī)需要逆變器把直流變成交流，成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。尤其以電池組做動力源的水下機(jī)器人，都采用直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)是近幾年來隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機(jī)，其最大特點是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。通常采用永磁體為轉(zhuǎn)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(hù)簡便。無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，以下簡稱BLDC)是隨著電力電子技術(shù)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(jī)。以其
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