自主式水下航行器試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

張東昆++侯建釗++高菲

摘 要： 為水下探測(cè)提供試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)自主式水下航行器（AUV）。該航行器可被應(yīng)用于海洋資源調(diào)查、港口安防、水產(chǎn)養(yǎng)殖、地貌觀測(cè)等諸多方面。它可利用自身搭載的聲吶、AHRS等傳感器，實(shí)現(xiàn)水下自主航行、避障；并通過導(dǎo)航算法，實(shí)時(shí)地規(guī)劃最優(yōu)路徑，完成水下地貌觀測(cè)、資源探測(cè)。同時(shí)它也具備在水下未知環(huán)境，構(gòu)建地圖能力。

關(guān)鍵字： 水下航行器； 自主式； 水下試驗(yàn)平臺(tái)； 地貌觀測(cè)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?115?03

隨著對(duì)資源的消耗量和需求量的與日俱增，人們開始加快對(duì)海洋的開發(fā)進(jìn)程。自主式水下航行器（AUV）作為水下探測(cè)的工具引起了世界各國(guó)的重視。它具有水下機(jī)動(dòng)性好、續(xù)航力強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)勢(shì)，在海底地形地貌勘察、水文參數(shù)測(cè)量、深海資源調(diào)查、海洋救助與打撈等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值[1?2]。

為配合海洋的相關(guān)開發(fā)，設(shè)計(jì)了一款自主式水下航行器（AUV）作為試驗(yàn)平臺(tái)。介紹了水下航行器整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 自主式水下航行器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下航行器在外形上仿照魚雷的結(jié)構(gòu)。整個(gè)的艙體設(shè)計(jì)采用流線型，減少它在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，水流對(duì)它產(chǎn)生的阻力[3]；尾部采用圓錐體形，椎體的底部安裝螺旋槳式推進(jìn)器，為航行器提供動(dòng)力，椎體的四個(gè)方向安裝方向舵，控制它的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)航行器的轉(zhuǎn)彎，俯仰，航行器的結(jié)構(gòu)實(shí)物見圖1。航行器艙體上部安裝無(wú)線天線，當(dāng)航行器浮上水面時(shí)，可通過天線與岸基控制平臺(tái)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或是接收新任務(wù)。

航行器的艙體使用鋁合金材料，天線和方向舵使用的尼龍材料，表面用鋁氧化硬化處理，增強(qiáng)抗腐蝕性。為保證航行器運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)艙內(nèi)部的負(fù)載進(jìn)行了合理布局，使航行器的整體重心位于浮心正下方。用鉛塊對(duì)航行器進(jìn)行配重，使其受力均勻、保持“零浮力”，也即在不受任何外力的情況下，航行器的重力大小等于浮力大小，航行器恰好能浮在水的表面。

圖1 自主式水下航行器結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

2 自主式水下航行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)關(guān)系到航行器工作時(shí)的安全性和穩(wěn)定性，它主要由工控機(jī)、PC104、串口服務(wù)器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、聲吶等傳感器、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電路組成，如圖2所示。

圖2 水下航行器的硬件系統(tǒng)框圖

2.1 工控機(jī)和PC104構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)決策系統(tǒng)

工控機(jī)和PC104是水下航行器的大腦，可控制傳感系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并接收傳感系統(tǒng)傳來(lái)的信息，對(duì)其進(jìn)行解析，根據(jù)解析結(jié)果并結(jié)合自身使命發(fā)出決策指令。指令信息通過通信系統(tǒng)傳達(dá)到執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)接收到指令后，將其轉(zhuǎn)化成電機(jī)速度、轉(zhuǎn)向以及舵機(jī)角度的變化。

2.2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

采用瑞士Maxon公司的直流無(wú)刷電機(jī)作為推進(jìn)器，其扭力大，噪音低[4]。驅(qū)動(dòng)器選用的是美國(guó)的COPLEY驅(qū)動(dòng)器，實(shí)物圖見圖3。其優(yōu)勢(shì)在于控制簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，通用性強(qiáng)，配合舵機(jī)的使用，可實(shí)現(xiàn)航行器在水下的前進(jìn)后退、上前下浮、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是航行器完成任務(wù)的基礎(chǔ)，是整個(gè)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。COPLEY驅(qū)動(dòng)器采用數(shù)字增量式PID反饋，擁有電流、電壓、速度三閉環(huán)控制，可以控制有刷、無(wú)刷等不同類型的電機(jī)，它支持RS 232串口和CAN總線協(xié)議，兼容性強(qiáng)。由于支持CAN總線，所以它支持多個(gè)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)使用。

圖3 COPLEY驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

協(xié)議轉(zhuǎn)換器的作用是將PC104的串口協(xié)議轉(zhuǎn)換成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需要的CAN總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)二者的通信[5]，其實(shí)物圖見圖4。協(xié)議轉(zhuǎn)換器上的MCU采用的是Microchip公司的dsPIC4011，它是一款集單片機(jī)和DSP綜合功能的16位控制器，既保留了單片機(jī)的基本性能，又豐富了外圍模塊，還兼具了DSP的高速運(yùn)算能力[6]。嵌入式內(nèi)核選用的是μC/os Ⅱ，它由Micrium公司提供，源碼開放，是一種可移植、可裁剪的、搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核。由于μC/os Ⅱ只對(duì)硬件的CPU和定時(shí)器進(jìn)行了抽象，所以移植相對(duì)簡(jiǎn)單；它是基于任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高低進(jìn)行任務(wù)切換的，適用于實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

2.4 檢測(cè)電路模塊

檢測(cè)電路模塊包括艙體內(nèi)部的溫濕度檢測(cè)，電池的電壓、電流檢測(cè)，漏水檢測(cè)等，這些參數(shù)都關(guān)系到水下航行器的安全運(yùn)行[7]，其中泄露檢測(cè)尤為重要。根據(jù)重力原理，如果艙內(nèi)漏水，水會(huì)沿著艙內(nèi)壁流到艙底，所以泄漏檢測(cè)模塊的兩個(gè)探針放到艙的底部，正常情況下這兩探針是斷開的，一旦發(fā)生漏水，流到艙底的水會(huì)將兩探針短路，此時(shí)檢測(cè)模塊就會(huì)檢測(cè)到，通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息[8?9]。圖5為漏水檢測(cè)電路原理圖。

圖5 漏水檢測(cè)電路原理圖

2.5 傳感系統(tǒng)

聲吶、水下攝像頭、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等構(gòu)成了水下航行器的傳感系統(tǒng)。在海底的未知環(huán)境中，AUV惟一可以依賴的是自身機(jī)載的慣導(dǎo)傳感器和聲吶。航行器搭載的聲吶一般有兩種：

（1） 一種是主動(dòng)聲吶，提供障礙物目標(biāo)的距離和角度，可在二維空間上分辨目標(biāo)的輪廓和位置；

（2） 另一種是側(cè)掃聲吶，用于海底地形地貌的勘測(cè)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為航行器提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，它不依賴于任何外部信息，因此非常適合于水下航行器這種工作環(huán)境比較特殊的場(chǎng)合。它在工作時(shí)不向外部輻射任何電磁波，故隱蔽性好[10]。

3 自主式航行器軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自主式航行器的軟件系統(tǒng)采用的是MOOS結(jié)構(gòu)[11]，它由Paul Newman博士提出，已有十多年的開發(fā)歷史，如今已成功地應(yīng)用于國(guó)外的多款水下航行器見圖6。它是一種分布式控制體系結(jié)構(gòu)，專門服務(wù)于水下航行器系統(tǒng)的完全開源的體系結(jié)構(gòu)。其分布式體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是它的精髓所在：將每個(gè)子系統(tǒng)根據(jù)其功能都定義為一個(gè)獨(dú)立的軟件模塊，如此一來(lái)，解決了同步問題，各個(gè)子模塊共同構(gòu)成一個(gè)完整、穩(wěn)定、時(shí)效高的信息交互環(huán)境[12?13]。

傳統(tǒng)的水下航行器軟件系統(tǒng)具有效率低、實(shí)時(shí)性差、占用資源大的缺點(diǎn)，而MOOS體系結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)、分布式、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)很好地解決了這些問題，極大地提高了航行器軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

圖6 水下航行器硬件系統(tǒng)效果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹自主式水下航行器（AUV）試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，包括其機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。多次測(cè)試，性能穩(wěn)定、安全可靠，為海洋探測(cè)提供了完善的試驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] HE Bo， RAN Hong?ge， YANG Ke， et al. Path Planning and Tracking for Autonomous Underwater Vehicles [R]. [S.l.]： ICIA， 2009.

[2] STOKEY R P， VON ALT C， ALLEN B， et al. Development of the REMUS 600 Autonomous Underwater Vehicle [C]// Proceedings of 2005 MTS/IEEE Conference on Oceans. Washington， USA： IEEE， 2005， 2： 1301?1304.

[3] 呂瑞.超空泡航行體動(dòng)力學(xué)建模與姿態(tài)機(jī)動(dòng)魯棒控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] 馬元.自主式水下航行器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014.

[5] 劉衛(wèi)東.基于CAN總線的自主水下航行器內(nèi)部通信與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（6）：1320?1322.

[6] Microchip Technology Inc.dsPIC30F系列參考手冊(cè)[EB/OL].[2012?12?13]. http：//wenku.baidu.com.

[7] 韓盈盈.自主式水下機(jī)器人的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)算法與實(shí)現(xiàn)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2010.

[8] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[9] 馬元，欒寧，管增輝.便攜式水下機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（21）：100?102.

[10] 宋超.基于ELM的AUV決策控制系統(tǒng)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013.

[11] 溫國(guó)曦.AUV組合導(dǎo)航算法研究及基于MOOS平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[12] 姜大鵬.多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[13] 溫秉權(quán).小型淺水域水下自航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)，2005.