【導(dǎo)讀】壞直接關(guān)系到深海采礦的成敗。深海機器人行走在深海底4000-6000米，環(huán)境復(fù)雜多。閥，從而控制深海機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。的履帶速度內(nèi)環(huán)控制器，對左右履帶的速度進行精確的調(diào)節(jié)。和方向角的外環(huán)控制則依據(jù)人工駕駛經(jīng)驗整定的專家控制規(guī)則，對其進行專家控制。深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)是一個實時多任務(wù)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的單任務(wù)順序執(zhí)行機制不能。現(xiàn)問題，則可能影響整個系統(tǒng)的運行，只能靠復(fù)位來解決，系統(tǒng)的可靠性不高。實時性和可靠性。仿真結(jié)果表明，本文所用控制算法對深海機器人的行走控制具有

　　

【正文】 定，運動坐標(biāo)系 ZYXO ???????????? 是由固定坐標(biāo)系 OXYZ先繞 Z軸旋轉(zhuǎn)角度 Ψm，得到坐標(biāo)系 ZYXO ???? ，然后再繞 XO?? 軸旋轉(zhuǎn)角度 θ，得到坐標(biāo)系 ZYXO ???????? ，最后繞 YO?? 軸旋轉(zhuǎn)角度 α得到坐標(biāo) ZYXO ???????????? 。這里涉及的三次旋轉(zhuǎn)都按右手法則，例如，繞 OZ軸旋轉(zhuǎn)時，由 OX 軸向 OY 軸方向旋轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)。此時，三個角度： Ψm為定義為磁方位角， θ定義為橫滾角， α定義為俯仰角。 圖 坐標(biāo)變換圖 因為方向余弦矩陣是正交矩陣，它的逆矩陣存在且就等于它自身的轉(zhuǎn)置矩陣。所以從 ZYXO ???????????? 到 OXYZ 的逆過程的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： ???????????????????????????????????zyxmmmmzyxHHHC o sS i nS i nC o sHHH00000???? 公式 （ ） ?????????????????????????????????????????zyxzyxHHHC osS inS inC osHHH????00001 公式 （ ） ? ?ZZ ? Z? Z? ? ? ? ? ? ? X ? ?XX ?? X? Y ? ?YY ?? Y? 旋轉(zhuǎn)順序 ??? 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計 ?????????????????????????? ?????????????????????zyxzyxHHHC o sS i nS i nC o sHHH????00100 公式 （ ） 由式（ 24）（ 25）（ 26）可得 ?? SinHC osHH zxx ????????? 公式 （ ） ????? C o sS inHC o sHS inS inHH zxy ????????????? 公式 （ ） 由式（ 23）得到方位角為 ?? ?????? Si nHC osH C osSi nHC osHSi nSi nHtg zx zyxm ??????? ????????????? ? 1 公式 （ ） 由式（ 29）方位角的計算公式可以看出，在捷聯(lián)方位測量系統(tǒng)中并不需要知道各個分量之間的比例關(guān)系就可以進行方位解算。 (2)數(shù)字羅盤 HMR3000 的應(yīng)用 基于磁阻傳感器 HMR3000 羅盤模塊的數(shù)字羅盤經(jīng)系統(tǒng)以其價格便宜、操作簡單、具有數(shù)字化接口、便于數(shù)據(jù)處理等優(yōu)勢，在船舶導(dǎo)航中得到越來越普的應(yīng)用 [15]。 HMR3000 是一款集航向、俯仰和橫滾三個旋轉(zhuǎn)量測量于一體的磁敏傳感器，由三軸磁阻傳感器和一個充有液體的兩軸傾斜傳感器組成，可以得到進行傾斜補償后的航向數(shù)據(jù)，并且?guī)в须娮悠胶饧埽浜较蚪嵌鹊木_度可以達到 ? ，俯仰和翻滾方向的精度可以達到 ? ，分辨率達到 ? ，即使在傾斜達到 ?40 時，也能給出精確的航向角。其內(nèi)部全部采用貼片元件，不含任何移動元件，非常堅固可靠，并且其輸入電壓范圍廣、功耗低、體積小，適合安裝在各種平臺上使用。圖 是 HMR3000的原理圖。 圖 HMR3000 原理圖 磁場 ASCII 輸出 微處理器 傳感器 傾斜 磁阻 IIR濾波器 航向計算 非線性濾波器 RS232 RS485 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計 HMR3000 數(shù)字羅盤由內(nèi)置單片機控制傳感器的測量時序，所有控制 HMR3000操作的參數(shù)都存儲在內(nèi)置 EEPROM 中 [16][17]。 HMR3000 可以配置數(shù)字羅盤輸出 3 類NMEA 標(biāo)準(zhǔn)語句（ HDG、 HDT 和 XDR）， 3 類專用語句（ HPR、 RCD 和 CCD），并且在數(shù)據(jù)輸出前有一串 ASCII 字符頭信息。它與外界通信的接口簡單，用標(biāo)準(zhǔn)的RS232 T 型頭接口，采用串行通信的方法，為傳輸波特率可選擇從 1200bit/s 到 38 400bit/s，可以方便的采集數(shù)據(jù)，供 CPU處理。 由于 HMR3000 與外部的通信通過 RS232 接口或 RS485 接口，因此不能直接與 ARM 進行通信，必須通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路進行通信。 HMR3000 數(shù)字羅盤上自帶有標(biāo)準(zhǔn)的 D 型 9 針插頭，可以利用該插頭通過 MAX3232 芯片 ，連接到 ARM 的串口。這里需注意的是，在使用串口連接 ARM 時， HMR3000 的 9 針串口的 3 管腳經(jīng)常會出現(xiàn)連接錯誤。這主要是因為 HMR3000 的輸出數(shù)據(jù)在連接到 D 型插頭時，為了方便和 PC 機的連接已經(jīng)調(diào)換了 3 腳的順序，因此只要將 HMR3000 的 3 腳按順序連接到對應(yīng)的管腳就可以了。 當(dāng) HMR3000 采用不同的電源時，其 RS232 有兩種不同的接法，如圖 所示。 （ a） 接入未經(jīng)穩(wěn)壓的電源 （ b）接入穩(wěn)壓的電源 圖 兩種不同電源的接口電路 在本文中采用的是接入穩(wěn)壓電源的接口電路。 D/A 轉(zhuǎn)換器 深海機器人在海底的行走靠的是液壓驅(qū)動系統(tǒng)，其系統(tǒng)驅(qū)動框圖如圖 所示。8 V+ 5 GND 3 Rx 2 Tx GND 5 Tx 3 Rx 2 HMR3000接口 5V DC 穩(wěn)壓電源 ARM接口 GND 5 Tx 3 Rx 2 9 V+ 5 GND 3 Rx 2 Tx HMR3000接口 未經(jīng)穩(wěn)壓電源 615V DC ARM接口 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計 該液壓系統(tǒng)主要由電液比例閥、變量泵、履帶行走馬達組成。其中變量泵內(nèi)部自帶有電液比例閥對履帶行走馬達進行調(diào)整。 圖 深海機器人行走的液壓驅(qū)動系統(tǒng)框圖 從液壓驅(qū)動系統(tǒng)框圖可以看出，深海機器人行走控制關(guān)鍵在于電液比例閥的控制。 電液比例閥是在 普通液壓閥基礎(chǔ)上加上電氣控制部分發(fā)展起來的。電氣控制部分包括電放大器和比例電磁鐵。將控制信號加人電放大器，使比例電磁鐵按比例產(chǎn)生控制力與位移，能實現(xiàn)對壓力和流量的比例控制。其工作原理為 :利用電 — 機械轉(zhuǎn)換器來操縱變量泵的變量機構(gòu)，利用電信號來實現(xiàn)變量泵的變量功能。當(dāng)輸入電信號時，電信號經(jīng)處理放大后向電液比例控制閥的電磁鐵輸入直流電流，電磁鐵產(chǎn)生與輸入電流成一定比例的電磁力，作用在電液比例閥的閥芯上，改變閥口的開口度，使變量機構(gòu)的活塞桿左右移動，從而改變斜軸泵的傾角，使其排量發(fā)生變化。因此變量泵的排量能連續(xù)按比 例地隨輸入信號的大小而改變。變量泵的排量直接調(diào)節(jié)進入定量馬達的流量。因此，通過調(diào)節(jié)輸入電信號的大小，可以改變電液比例閥的電流，便可調(diào)節(jié)進入定量馬達的流量，從而改變定量馬達的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)集礦機左右履帶速度的可調(diào)特性。 深海機器人采用的是不帶反饋的比例方向控制閥，接受來自主控制器的的電壓控制信號。而本文采的 D/A轉(zhuǎn)換器 DAC1210采用的是電流開關(guān)型電路，輸出的是電流信號，因此必通過外接電路進行電流 — 電壓的轉(zhuǎn)換，常用的方法是外接由運算放大器組成的電流 —電壓轉(zhuǎn)換電路，其原理如圖 [18]： +R 2= RR 1= 2RR 3= 2RV R E FR f bI out 1I out 2AGND+V O U T 2V O U T 1D /A 圖 電流 —電壓轉(zhuǎn)換電路 其中 VOUT1為單極性輸出，若 D為輸入數(shù)字量， VREF為基準(zhǔn)參考電壓，且為 n位的 D/A轉(zhuǎn)換器，則有： vo Vi + 控制器 電液比 例閥 變量泵 液壓馬達 履帶 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計 nDVREFV OU T 21 ??? 公式 () VOUT2為雙極性輸出，且可推導(dǎo)得到 ?????? ?????????? ???? 121212313nDVREFV O U TRRVREFRRV O U T 公式 () RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器 目前比較常用的通 信總線有 CI2 總線、 SPI總線、 CAN總線、 RS23 RS485等，在現(xiàn)實應(yīng)用中，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用 RS485串行總線標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到深海機器人工作在深海 40006000米的海底，故選用 RS485總線。 RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至 200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送狀態(tài)須由使 能信號加以控制。 RS485最大的通信距離約為 1219米，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸距離成反比，在 100Kb/S的傳輸速率下，才能可以達到最大的通信距離，如果需要傳輸更長的距離，需要加 RS485中繼器。正是因為 RS485具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點使其成為首選的串行接口。 RS485采用DB9芯插頭座。其進行兩點之間遠程通信時的連接電路如圖 。 圖 RS485兩點傳輸電路 在與上位機 進行通信的時候，上位機用的是標(biāo)準(zhǔn)的 RS232接口，因此如何有效、可靠地實現(xiàn) RS232與 RS485之間的轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)系統(tǒng)通信的前提。現(xiàn)在電子市場上已有現(xiàn)成的 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器銷售，但性價比很低，因此自行設(shè)計了一個簡單可靠TxD 使能 RxD RxD TxD 使能 基于 ARM 嵌入式系統(tǒng)的深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)的研究 第二章 深海機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計 實用的 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，其原理圖如圖 [19][20][21]。 圖 RS232/RS485轉(zhuǎn)換器原理圖 從附錄 1中可以看到這種方案巧妙地利用光電隔離器特性和 RS232工作時 RTS線和 TXD線之間電平關(guān)系。三片光電隔離器使上位機與 RS485之間完全沒有了電的聯(lián)系，從而提高了工作的可靠性，當(dāng) RS232的 RTS端為邏輯電平 1（ 12V）時，光電隔離器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通，輸出端為 TTL邏輯電平 1（ +5V），此時選中 RS485的 DE端允許 RS485接收，這樣， RS232的 TXD端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（工作邏輯與 RTS端相似）。當(dāng) RS232的 RTS端為邏輯電平 0(+12V)時，光電隔離器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，輸出端為 TTL邏輯電平 0(0V)，此時選中 RS485的RE端允許 RS485發(fā)送。當(dāng) RS485的 R端的輸出為邏輯電平 1時，光電隔離器發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導(dǎo)通， RXD電平為 12V，電容被充電到 12V以使其輸出也變成 12V，即邏輯電平 1；當(dāng)其輸出為邏輯電平 0時，光電隔離器發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，這時，其輸出為 +5V，也在 RS232邏輯電平 0的范圍之內(nèi)，即為邏輯電平 0。 其它器件的選擇 由于主控制器 ARM屬于微處理器沒有集成相應(yīng)的儲存器，所有必須擴展 RAM和ROM來存放數(shù)據(jù)和程序，因此擴展了兩片 Hynix公司的 SDRAM來存放數(shù)據(jù) ,型號為HY57V561620，每一片的存儲容量是 32M。另外擴展一片 Intel公司的 NorFlash用于存放系統(tǒng)程序，型號為 E28F128J3，容量為 128M。 在系統(tǒng)中需要使用 +12V， +5V， +、 ，其