1 导言
智能水下机器人在海洋石油开发、矿藏资源挖掘、打捞和军事等方面都有广泛的使用远景[1][2][3]。水下机器人现已开端替代曩昔由载人潜器和潜水员所承当的作业,尤其是在大深度和风险区域发挥了更大的优势。水下机器人运动操控的中心是嵌入式计算机体系,它需具有运动操控算法的完结、数据收集、与外设的通讯等功用[4][5][6]。本文以潜艇式有缆遥控水下机器人(ROV,Remotely Operated Vehicle)为目标规划了依据ARM9处理器的嵌入式操控体系,并进行了深度操控的仿真试验。
2 ROV结构本文规划的可用于水下勘探的ROV选用了开架式结构,搭载有声纳、姿势传感器。能够在岸上操控台经过电缆操控ROV完结行进、撤退、上浮、下沉、左右转弯等动作。ROV结构如图1所示,耐压舱在中心,左右两头是浮力调理舱。电子舱用来设备高、低频信标机、姿势传感器和操控电路等,还可供给锂电池的空间。浮力舱用来供给浮力,结构把全体固定在一起,确保最大的安稳性。推动器由两个螺旋桨推动器组成,以确保ROV在水中能够自由地做行进、撤退和转艏运动。这种水下机器人结构有利于航向操控和前向运动。在水下运动时,横倾和纵倾运动关于该ROV是不重要的。水下勘探ROV的飞行速度较慢,其慢速与安稳性是水底勘探使命所要求的。
依据浮力调理进行ROV的升沉运动和定深操控能够下降能耗。下潜、上浮运动经过调理两头的浮力调理舱的浮力来完结。ROV选用双螺旋桨推动器,安置在两边,平行于中轴线。经过这两个推动器,既能够发生行进和撤退的推力,也能够发生反转力矩,各自由度之间没有耦合。平行安置的两个推动器连线的中点要与浮心、重心在一条直线上,到达平衡推动。在浮力调理体系上选用了变质量调理体系,经过调理左右两个浮力舱的注排水量,改动全体浮力削减或添加,然后发生下降或上升的作用力。两个浮力调理舱不光能够调理ROV的浮力,还可调理ROV的姿势。螺旋桨推动器正向时最大推力为93千克力,反向时的最大推力为52.2千克力。最大作业水深300m。
3 ROV操控体系规划3.1 传感器体系水下勘探机器人的操控体系分为水下和水上两部分组成。水上节点选用工控机,工控机安放在母船上,经过光纤通讯与底层的嵌入式计算机完结数据通讯。其上运转Windows操作体系,其功用是监控水下机器人的运转状况,发送操控指令。水下节点选用依据ARM微处理器的嵌入式计算机,担任传感器数据收集,运动操控算法的完结和通讯功用,其上运转QNX操作体系。水下机器人上设备的传感器有:(1) 姿势航向传感器航向动态精度为0.5度,俯仰和横滚的动态精度为0.2度,尺度:106x29x26mm,分量:0.15kg。(2) 运动传感器俯仰和横滚动态精度为0.03度,升沉精度为5cm或5%,尺度:
134x120mm,分量:2kg。(3) 测扫声纳,长基线和超短基线水声定位体系。依据短基线和深度计获取方位信息,依据姿势传感器获取航向和姿势信息。(4) 压力传感器用于深度丈量。(5) 能够搭载成像声纳、水下摄像机、荧光计、照明灯等。3.2 嵌入式操控体系嵌入式操控体系经过检测设备检测潜器的运动状况,将数据经过网络传输到水面计算机,水面计算机依据预订使命和预设算法计算出操控量,然后将操控量传给潜器,再由嵌入式体系操控潜器的运动设备。嵌入式操控体系框图如图2所示。
嵌入式操控体系的规划依据AT91RM9200处理器,内部集成ARM920T芯核,180MHz运转时有200MIPS处理才能;16KB的数据缓冲,16KB的指令缓冲;全功用MMU(存储器办理单元);16KB的内部SRAM和128KB的内部ROM[7]。水下机器人的嵌入式体系框图如图2所示。经过I2C总线扩展出12位ADC,用于收集深度传感器数据,获取ROV深度。深度传感器的输出信号是4～20mA的电流信号,本体系选用RCV420精细变换器,能够将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出。模数转化器选用AD7992,转化时刻2μs,与处理器经过规范的I2C接口进行数据交换。带光耦隔离器的I/O口用于操控浮力筒的开关。RS422和10M/100M以太网接口,用于和水面计算机通讯。体系中的姿势传感器和信标机都是串口输出,而且通讯部分也需求一个串口,9200处理器内部串行异步收发器的数目不行,所以需求扩展串口,本体系选用SPI接口,外接两片GM8142进行串口扩展。扩展出的4路RS232串口,2路RS232用于收集航向和姿势传感器数据,获取水下ROV的运转状况。别的2路RS232接口收集凹凸频信标机数据。12位DAC来操控推动器电机。本体系选用两片4通道、12位精度、串行输入双极性输出的AD5726做为DAC转化器。调试接口包含:LCD显示器、键盘和触摸屏等人机交互设备。3.3 软件规划水下机器人的运动操控软件在实时操作体系QNX下编写,包含网络通讯模块、串口通讯模块、传感器数据收集模块、数据办理模块、操控器模块。QNX操作体系具有实时性好的特色,选用多进程技能将操控算法、对传感器的信息处理和推力分配算法等统一在实时操作体系的结构下进行办理,然后进步动力定位操控体系的实时性和可靠性。选用多线程技能,接纳网络数据和来自串行通讯的数据,确保程序运转的高效性和实时性。
4 横倾角和深度和谐操控调整和坚持下潜深度是水下机器人的根本飞行才能之一,水下机器人选用了浮力舱调理深度。它的垂直面和谐操控体系方框图如图3所示。经过调整左右两个浮力调理舱的注水量来调理ROV全体的浮力,然后操控下潜或许上浮运动。所以要考虑ROV浮力改变的进程,即左右两个浮力调理舱的充水量。ROV处于水面时是正浮力状况,浮力舱充水后,浮力减小到零,进入水下平衡状况。持续向浮力舱充水,浮力变为负值,ROV下潜,而且下潜速度添加。因为两个浮力舱的容积是必定的,所以有最大负浮力的约束。调理两个浮力桶的总浮力操控ROV的下潜深度,一起别离调理左右浮力桶,发生不同的浮力能够使ROV横倾。但一般状况下横倾角不需求操控,坚持ROV水平就能够了。
横倾角操控的意图是在ROV初始下潜和上浮阶段,操控ROV的姿势。在水下大部分时刻,坚持ROV水平状况就能够了。ROV横倾角
的操控是经过调理ROV左右两个浮力调理舱的不同的注、排水量来发生左右两个浮力调理舱的浮力差,即发生旋转运动的偏倾力矩。在深度操控时,将深度传感器的丈量值作为反应,横倾角操控选用姿势传感器的丈量值作为反应,都选用积分别离PID操控器。横倾角、深度和谐操控器依据输入希望深度与实践深度的误差和希望横倾角与实践横倾角的误差,输出操控ROV下降或许上升所需安稳的作用力,输出操控ROV偏转所需安稳偏转力矩,经过浮力解算输出左右两个浮力调理桶的注、排水量,完结ROV的横倾角操控和深度操控。积分别离PID操控器详细完结如下:⑴ 依据实践状况,人为设定一阀值
⑵ 当
时,也即误差值
比较大时,选用PD,可防止过大的超调,又使体系有较快的呼应。⑶ 当
时,也即误差值
比较小时,选用PID操控,可确保体系的操控精度。写成计算公式,可在积分项前乘一个系数
