auv水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-在線瀏覽
2024-09-09 00:13本頁面
【正文】 行傳送到導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。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。水下機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)水下空間的六維（六自由度）運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)：推進(jìn)（Surge，沿x 軸）、升沉（Heave，沿z 軸）、橫移（Sway，沿y 軸）和三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：轉(zhuǎn)首（Yaw，繞z 軸）、縱傾（Pitch，繞y 軸）、橫搖（Roll，繞x 軸）。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。 推力器的組成 推力器是由電機(jī)和螺旋槳組成的，水下機(jī)器人用的電機(jī)需要密封。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。為了改善這種情況可以采用充油電機(jī)，由于電機(jī)內(nèi)部充油，因而耐水壓的性能得到極大的改善，而且電機(jī)因密封而引起的摩擦力要小得多，其空載電流的增加也很小，故可以忽略不計(jì)。依據(jù)磁場(chǎng)傳遞扭矩，密封問題很容易解決，只要用非導(dǎo)磁材料將電機(jī)、減速器包圍起來就解決了動(dòng)密封難題。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速不一定完全匹配，為了得到較高的效率，需要采用減速器，有時(shí)為了減小尺寸，采用高速電機(jī)（例如采用10000轉(zhuǎn)/分以上的高速電機(jī)），這時(shí)也需要減速器。 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)管槳在無限寬廣的靜止流體域中工作的情況。如圖26所示，建立固定于導(dǎo)管上的直角坐標(biāo)系Oxyz，以螺旋槳槳葉參考線與槳軸交點(diǎn)為原點(diǎn)，x 軸與槳軸中心線重合，指向槳的下游，y 軸垂直向上，z 軸方向由右手法則確定。 能源供給方式的選用其能源供給方式有兩種選擇：有纜方式或無纜方式，對(duì)于無纜水下機(jī)器人能源供給一般在機(jī)器人艙體安裝蓄電池或是帶燃油發(fā)電機(jī)組，這就造成水下機(jī)器人本體體積龐大、超重，此外蓄電池所儲(chǔ)存的能力有限，且受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響。3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含主處理器核心模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊和視頻切換模塊等，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人推進(jìn)器的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、上下位機(jī)的通訊以及視頻圖像的切換等。前變焦攝像機(jī)安裝有垂直方向一維云臺(tái)，避免攝像死區(qū)。 根據(jù)功能需要，我們選擇了TI 公司推出的MSP430 系列的MSP430F149 作為主處理器，這是一類具有16 位總線的帶FLASH 的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到了廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。利用MSP430F149 定時(shí)器B 比較單元產(chǎn)生的6 路PWM 信號(hào)和5 路方向信號(hào)，分別控制主推進(jìn)器、垂推進(jìn)器、機(jī)械手、攝像機(jī)云臺(tái)電機(jī)速度和照明燈亮度；兩路串口實(shí)現(xiàn)了羅盤數(shù)據(jù)的采集和上位系統(tǒng)的通訊；外部傳感器反饋的模擬信息通過ADC 模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，使芯片豐富的外設(shè)資源得以充分利用。具有延遲小、速度快、易擴(kuò)展、單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障影響小的優(yōu)點(diǎn)。各功能單元直接掛接在CAN總線上,成為控制網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成多主機(jī)結(jié)構(gòu),即每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為一個(gè)主機(jī)，通過CAN通信協(xié)議協(xié)同完成控制任務(wù)?？偩€上各節(jié)點(diǎn)完成不同的任務(wù)和功能，它們大部分時(shí)間并行工作，必要時(shí)通過總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。CAN總線是一種多主總線,理論上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主節(jié)點(diǎn)。PC機(jī)通過串口與節(jié)點(diǎn)1上的CPU通信, CPU再與CAN收發(fā)器通信,實(shí)現(xiàn)信息在CAN總線上的發(fā)送與接收。圖31 CAN 總線通信節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計(jì)框圖CAN總線上各節(jié)點(diǎn)可采用Philips公司生產(chǎn)的單片機(jī)P87C591，除完成節(jié)點(diǎn)自身的控制功能外，還實(shí)現(xiàn)了CAN通信接口。圖32為以P87C591為核心的CAN總線接口電路。 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。本系統(tǒng)中PCA82C250工作于斜率方式，通過Rs對(duì)地連接的電阻對(duì)總線進(jìn)行斜率控制，以控制射頻干擾。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(diǎn)的抗干擾能力。 水上控制箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中，我們采用了常見的小型控制箱作為岸上控制平臺(tái)，其外形尺寸為372mm266mm134mm，具有體積小，攜帶方便的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖33所示。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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。運(yùn)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?cái)帱c(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行主程序。同上位系統(tǒng)一樣，也采用了順序結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)行。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]。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)。具體的方法需根據(jù)不同的載體結(jié)構(gòu)、不同的控制對(duì)象、不同的任務(wù)要求而確定。速度閉環(huán)控制回路的結(jié)構(gòu)如圖41所示。 我們采用分段線性PID 控制算法，即根據(jù)潛器運(yùn)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(yàn)即可確定Kp、Ki、Kd ，如果微分項(xiàng)采用( ek ek 1) / T 直接計(jì)算，由于采樣周期較短, 因此會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲信號(hào)，進(jìn)而影響控制效果。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。一但要求的高度或深度有變化，則必然會(huì)引起縱傾角的變化。因此潛器在垂直面的控制實(shí)際上是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)。將控制算法的矩陣解耦后，其輸出Pn 的計(jì)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)。 為了節(jié)省能源, 垂直控制通常是在AUV 的前進(jìn)中實(shí)現(xiàn)的，即由縱傾角的改變而引起上升和下潛。海洋水下機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分為電力傳動(dòng)和液力傳動(dòng), 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
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