水下機器人嵌入式控制系統設計和運動(dòng)控制仿真-

1 引言

智能水下機器人在海洋石油開(kāi)發(fā)、礦物資源開(kāi)采、打撈和軍事等方面都有廣泛的應用前景[1][2][3]。水下機器人已經(jīng)開(kāi)始取代過(guò)去由載人潛器和潛水員所承擔的工作,尤其是在大深度和危險區域發(fā)揮了更大的優(yōu)勢。水下機器人運動(dòng)控制的核心是嵌入式計算機系統,它需具有運動(dòng)控制算法的實(shí)現、數據采集、與外設的通訊等功能[4][5][6]。本文以潛艇式有纜遙控水下機器人(ROV,Remotely Operated Vehicle)為對象設計了基于A(yíng)RM9處理器的嵌入式控制系統,并進(jìn)行了深度控制的仿真實(shí)驗。

2 ROV結構本文設計的可用于水下探測的ROV采用了開(kāi)架式結構,搭載有聲納、姿態(tài)傳感器?？梢栽诎渡峡刂婆_通過(guò)電纜控制ROV完成前進(jìn)、后退、上浮、下沉、左右轉彎等動(dòng)作。ROV結構如圖1所示,耐壓艙在中間,左右兩邊是浮力調節艙。電子艙用來(lái)安裝高、低頻信標機、姿態(tài)傳感器和控制電路等,還可提供鋰電池的空間。浮力艙用來(lái)提供浮力,框架把整體固定在一起,保證最大的穩定性。推進(jìn)器由兩個(gè)螺旋槳推進(jìn)器組成,以保證ROV在水中可以自由地做前進(jìn)、倒退和轉艏運動(dòng)。這種水下機器人結構有利于航向控制和前向運動(dòng)。在水下運動(dòng)時(shí),橫傾和縱傾運動(dòng)對于該ROV是不重要的。水下探測ROV的航行速度較慢,其慢速與穩定性是水底探測任務(wù)所要求的。

基于浮力調節進(jìn)行ROV的升沉運動(dòng)和定深控制可以降低能耗。下潛、上浮運動(dòng)通過(guò)調節兩邊的浮力調節艙的浮力來(lái)實(shí)現。ROV采用雙螺旋槳推進(jìn)器,布置在兩側,平行于中軸線(xiàn)。通過(guò)這兩個(gè)推進(jìn)器,既可以產(chǎn)生前進(jìn)和后退的推力,也可以產(chǎn)生回轉力矩,各自由度之間沒(méi)有耦合。平行布置的兩個(gè)推進(jìn)器連線(xiàn)的中點(diǎn)要與浮心、重心在一條直線(xiàn)上,達到平衡推進(jìn)。在浮力調節系統上采用了變質(zhì)量調節系統,通過(guò)調節左右兩個(gè)浮力艙的注排水量,改變整體浮力減少或增加,從而產(chǎn)生下降或上升的作用力。兩個(gè)浮力調節艙不但能夠調節ROV的浮力,還可調節ROV的姿態(tài)。螺旋槳推進(jìn)器正向時(shí)最大推力為93千克力,反向時(shí)的最大推力為52.2千克力。最大工作水深300m。

3 ROV控制系統設計3.1 傳感器系統水下探測機器人的控制系統分為水下和水上兩部分組成。水上節點(diǎn)采用工控機,工控機安放在母船上,通過(guò)光纖通信與底層的嵌入式計算機實(shí)現數據通信。其上運行Windows操作系統,其功能是監控水下機器人的運行情況,發(fā)送控制命令。水下節點(diǎn)采用基于A(yíng)RM微處理器的嵌入式計算機,負責傳感器數據采集,運動(dòng)控制算法的實(shí)現和通信功能,其上運行QNX操作系統。水下機器人上安裝的傳感器有:(1) 姿態(tài)航向傳感器航向動(dòng)態(tài)精度為0.5度,俯仰和橫滾的動(dòng)態(tài)精度為0.2度,尺寸:106x29x26mm,重量:0.15kg。(2) 運動(dòng)傳感器俯仰和橫滾動(dòng)態(tài)精度為0.03度,升沉精度為5cm或5%,尺寸:

134x120mm,重量:2kg。(3) 測掃聲納,長(cháng)基線(xiàn)和超短基線(xiàn)水聲定位系統?；诙袒€(xiàn)和深度計獲取位置信息,基于姿態(tài)傳感器獲取航向和姿態(tài)信息。(4) 壓力傳感器用于深度測量。(5) 可以搭載成像聲納、水下攝像機、熒光計、照明燈等。3.2 嵌入式控制系統嵌入式控制系統通過(guò)檢測裝置檢測潛器的運動(dòng)狀態(tài),將數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到水面計算機,水面計算機根據預定任務(wù)和預設算法計算出控制量,然后將控制量傳給潛器,再由嵌入式系統控制潛器的運動(dòng)裝置。嵌入式控制系統框圖如圖2所示。

嵌入式控制系統的設計基于A(yíng)T91RM9200處理器,內部集成ARM920T芯核,180MHz運行時(shí)有200MIPS處理能力;16KB的數據緩沖,16KB的指令緩沖;全功能MMU(存儲器管理單元);16KB的內部SRAM和128KB的內部ROM[7]。水下機器人的嵌入式系統框圖如圖2所示。通過(guò)I2C總線(xiàn)擴展出12位ADC,用于采集深度傳感器數據,獲取ROV深度。深度傳感器的輸出信號是4～20mA的電流信號,本系統采用RCV420精密變換器,可以將4～20mA的環(huán)路電流變換成0～5V的電壓輸出。模數轉換器選用AD7992,轉換時(shí)間2μs,與處理器通過(guò)標準的I2C接口進(jìn)行數據交換。帶光耦隔離器的I/O口用于控制浮力筒的開(kāi)關(guān)。RS422和10M/100M以太網(wǎng)接口,用于和水面計算機通信。系統中的姿態(tài)傳感器和信標機都是串口輸出,并且通訊部分也需要一個(gè)串口,9200處理器內部串行異步收發(fā)器的數目不夠,所以需要擴展串口,本系統采用SPI接口,外接兩片GM8142進(jìn)行串口擴展。擴展出的4路RS232串口,2路RS232用于采集航向和姿態(tài)傳感器數據,獲取水下ROV的運行狀態(tài)。另外2路RS232接口采集高低頻信標機數據。12位DAC來(lái)控制推進(jìn)器電機。本系統采用兩片4通道、12位精度、串行輸入雙極性輸出的AD5726做為DAC轉換器。調試接口包括:LCD顯示器、鍵盤(pán)和觸摸屏等人機交互設備。3.3 軟件設計水下機器人的運動(dòng)控制軟件在實(shí)時(shí)操作系統QNX下編寫(xiě),包括網(wǎng)絡(luò )通信模塊、串口通信模塊、傳感器數據采集模塊、數據管理模塊、控制器模塊。QNX操作系統具有實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn),采用多進(jìn)程技術(shù)將控制算法、對傳感器的信息處理和推力分配算法等統一在實(shí)時(shí)操作系統的框架下進(jìn)行管理,從而提高動(dòng)力定位控制系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。采用多線(xiàn)程技術(shù),接收網(wǎng)絡(luò )數據和來(lái)自串行通訊的數據,保證程序運行的高效性和實(shí)時(shí)性。

4 橫傾角和深度協(xié)調控制調整和保持下潛深度是水下機器人的基本航行能力之一,水下機器人采用了浮力艙調節深度。它的垂直面協(xié)調控制系統方框圖如圖3所示。通過(guò)調整左右兩個(gè)浮力調節艙的注水量來(lái)調節ROV整體的浮力,從而控制下潛或者上浮運動(dòng)。所以要考慮ROV浮力變化的過(guò)程,即左右兩個(gè)浮力調節艙的充水量。ROV處于水面時(shí)是正浮力狀態(tài),浮力艙充水后,浮力減小到零,進(jìn)入水下平衡狀態(tài)。繼續向浮力艙充水,浮力變?yōu)樨撝?ROV下潛,并且下潛速度增加。由于兩個(gè)浮力艙的容積是一定的,所以有最大負浮力的限制。調節兩個(gè)浮力桶的總浮力控制ROV的下潛深度,同時(shí)分別調節左右浮力桶,產(chǎn)生不同的浮力可以使ROV橫傾。但一般情況下橫傾角不需要控制,保持ROV水平就可以了。

橫傾角控制的目的是在ROV初始下潛和上浮階段,控制ROV的姿態(tài)。在水下大部分時(shí)間,保持ROV水平狀態(tài)就可以了。ROV橫傾角

的控制是通過(guò)調節ROV左右兩個(gè)浮力調節艙的不同的注、排水量來(lái)產(chǎn)生左右兩個(gè)浮力調節艙的浮力差,即產(chǎn)生旋轉運動(dòng)的偏傾力矩。在深度控制時(shí),將深度傳感器的測量值作為反饋,橫傾角控制采用姿態(tài)傳感器的測量值作為反饋,都采用積分分離PID控制器。橫傾角、深度協(xié)調控制器根據輸入期望深度與實(shí)際深度的偏差和期望橫傾角與實(shí)際橫傾角的偏差,輸出控制ROV下降或者上升所需穩定的作用力,輸出控制ROV偏轉所需穩定偏轉力矩,通過(guò)浮力解算輸出左右兩個(gè)浮力調節桶的注、排水量,實(shí)現ROV的橫傾角控制和深度控制。積分分離PID控制器具體實(shí)現如下:⑴ 根據實(shí)際情況,人為設定一閥值

⑵ 當

時(shí),也即偏差值

比較大時(shí),采用PD,可避免過(guò)大的超調,又使系統有較快的響應。⑶ 當

時(shí),也即偏差值

比較小時(shí),采用PID控制,可保證系統的控制精度。寫(xiě)成計算公式,可在積分項前乘一個(gè)系數

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