水下航行器模擬平臺智能小車(chē)的設計

摘要：為了使水下航行器裝入密封艙后所有模塊正常運行，設計了一個(gè)模擬平臺，涵蓋了模擬電路、數字電路、信號處理、無(wú)線(xiàn)射頻、電源、傳感器等方面，特別是小車(chē)軌跡使用上層的PID參數的智能化控制，具有遠距離數據傳輸能力和遠程控制能力。通過(guò)平臺模擬水下航行器的運動(dòng)狀況，對加速度與速度、周?chē)h(huán)境的溫度與濕度、電池的狀態(tài)等參數采集，達到實(shí)驗目的，同時(shí)節省人力物力，方便、適用性強。
關(guān)鍵詞：水下航行器；模擬平臺；智能小車(chē)；參數采集

進(jìn)入21世紀以來(lái)，隨著(zhù)世界經(jīng)濟的發(fā)展，各國對資源的需求量不斷增加，而陸地資源日趨緊張，各國便將目光投向了廣闊的海洋。海洋監測技術(shù)成為海洋資源開(kāi)發(fā)的支撐，隨著(zhù)海洋開(kāi)發(fā)的不斷深入，越來(lái)越多的實(shí)驗需要在真實(shí)海洋環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗時(shí)的海況成為了影響和制約實(shí)驗可行性和結果正確性的關(guān)鍵因素，再加上海洋項目的成本比較高，就需要一個(gè)智能平臺來(lái)實(shí)驗水下航行器的功能，更加接近的模擬實(shí)驗的環(huán)境，通過(guò)各種傳感器的綜合運用，這樣才能在真實(shí)的環(huán)境中得到更加有效的數據，從而更加合理的開(kāi)發(fā)和利用海洋資源，造福人民，保衛祖國的海疆。

1 系統的總體架構
整個(gè)系統由四部分組成：無(wú)線(xiàn)部分，數據采集處理部分，電機驅動(dòng)部分和供電部分，每部分由單獨單片機作為主控芯片，各部分間利用CAN總線(xiàn)交互數據。無(wú)線(xiàn)部分由GPS模塊、無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊和無(wú)線(xiàn)控制器組成，負責衛星定位、數據收發(fā)等功能；數據采集處理部分由各種傳感器和數據采集處理板組成，負責周?chē)h(huán)境要素的收集、處理工作和轉速的返回；電機驅動(dòng)部分由空心杯直流電機、直流電機驅動(dòng)器和編碼器組成，負責驅動(dòng)直流電機和控制直流電機的轉速達到預期的速度；供電部分包括蓄電池、電池管理板和電壓轉換板，負責為系統各部分提供所需電壓和能量。整個(gè)系統的組成框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計
單片機采用Microchip公司出品的高性能dsPIC30F4011，內部帶有DSP引擎，能進(jìn)行大規模、高速的數據處理，并內置A／D轉換模塊、SPI總線(xiàn)模塊、CAN總線(xiàn)模塊、UART模塊等，利用這些模塊可以簡(jiǎn)化外圍電路的設計，增強系統的可靠性，縮短開(kāi)發(fā)周期。軟件植入μCOSⅡ操作系統，它是一個(gè)基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，可以實(shí)現多任務(wù)調度，提高了系統的有效性、穩定性和可靠性。
2．1 參數采集板的設計
參數采集板主要用于采集風(fēng)速、風(fēng)向、轉速以及加速度和GPS數據等。參數采集板功能框圖如圖2所示。

2．1．1 風(fēng)速風(fēng)向測量
采用PH100SX風(fēng)速風(fēng)向傳感器，由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。風(fēng)速傳感器給出的是頻率信號且頻率在1 kHz以下，采用單片機的輸入捕捉來(lái)測量。每當風(fēng)速傳感器頻率信號上升沿剄來(lái)時(shí)輸入捕捉就會(huì )產(chǎn)生中斷，此時(shí)記下定時(shí)器中的數值，通過(guò)兩次中斷記下的兩個(gè)數值相減，同時(shí)根據定時(shí)器周期，就可以算出風(fēng)速信號的頻率值，再利用風(fēng)速計算公式(1)算出風(fēng)速。風(fēng)向傳感器的變換器采用精密導電塑料電位器，從而在電位器的活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出，經(jīng)過(guò)單片機的A／D采樣轉換為10位數字信號，然后根據風(fēng)向公式(2)計算出風(fēng)向值。把數字羅盤(pán)的正方向、智能平臺的正方向、風(fēng)向傳感器的定北點(diǎn)規定在一條直線(xiàn)上，用航向角來(lái)修正風(fēng)向，得到實(shí)際的風(fēng)向數值，即偏離地理北的角度。經(jīng)過(guò)協(xié)議轉換后，將這些風(fēng)速、風(fēng)向、加速度以及羅盤(pán)數據GPS數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。
風(fēng)速計算公式：
V=(0．3+0．0877×f) (1)
式中：V為風(fēng)速值(單位：m／s)；f為信號頻率；0．3和0．087 7為常系數(不同型號的風(fēng)速傳感器的系數不一樣)。
風(fēng)向計算公式：
D=360°×R0／R+ (2)
式中：D為相對風(fēng)向值(單位：(°))；R+為電位器電阻(單位：Ω)；R0為輸出電阻(單位：Ω)。