基于DSP的AUV推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石恒碩 白少偉

摘 要 基于DSP單片機(jī)和CAN總線，設(shè)計(jì)了一種AUV推進(jìn)系統(tǒng)，包含系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)，依靠DSP的高主頻、高運(yùn)算能力，CAN總線的可靠性和實(shí)行性，最終達(dá)到AUV推進(jìn)系統(tǒng)在水下作業(yè)的穩(wěn)定要求。

【關(guān)鍵詞】DSP CAN總線 推進(jìn)系統(tǒng)

1 引言

自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是作為一種潛水設(shè)備和運(yùn)載工具供人類利用海洋的過(guò)程中，在一般潛水技術(shù)不可到達(dá)的深度或環(huán)境下進(jìn)行綜合考察完成多種作業(yè)任務(wù)。AUV推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)AUV在水下的推進(jìn)和方向控制，水下環(huán)境復(fù)雜多樣，因此設(shè)計(jì)一套安全可靠的推進(jìn)系統(tǒng)，確保AUV具備高穩(wěn)定性、高推進(jìn)效率、高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，成為AUV設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。DSP性能強(qiáng)勁，擁有高主頻、高運(yùn)算的能力，并且具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠完成復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)更高精度的處理任務(wù)，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示系統(tǒng)架構(gòu)框圖，AUV上層核心主控電腦將電機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)偏角等控制指令通過(guò)CAN總線傳到DSP，DSP接收到指令分解后，推進(jìn)指令通過(guò)串口傳輸?shù)诫姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，航向指令通過(guò)PWM傳輸?shù)蕉鏅C(jī)，帶動(dòng)舵片偏轉(zhuǎn)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通信模塊

DSP與AUV上層核心主控電腦信息傳輸采用CAN總線通信的方式，CAN總線通信是串行總線通信協(xié)議，具有很高的可靠性和實(shí)時(shí)性，通信速率最高1M比特率，通信距離最遠(yuǎn)10km，廣泛用于汽車(chē)內(nèi)部各模塊通信。此模塊CAN總線通信收發(fā)芯片采用TI公司的SN65HVD230，具備良好的抗干擾能力和較高通信速率，需要注意的是：通信時(shí)，在CANH和CANL節(jié)點(diǎn)之間需要加一個(gè)120歐姆的匹配電阻，否則通信指令會(huì)有亂碼或通信不成功。

3.2 串口通信模塊

此AUV系統(tǒng)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用美國(guó)copley公司生產(chǎn)的ACM-090-24，能提供的持續(xù)電流是12A，峰值電流24A，用以驅(qū)動(dòng)額定功率250W，額定扭矩3N/m的直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部已集成驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路，與外部通信接口是串口通信，所以通過(guò)DSP的串口模塊與其通信，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的RS232串口的RXD、TXD需要電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232才能接到DSP的引腳上。

3.3 PWM模塊

控制AUV航向的舵機(jī)內(nèi)部集成舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，DSP將航向指令由PWM進(jìn)到舵機(jī)的信號(hào)調(diào)制芯片進(jìn)行調(diào)制，得到偏置電壓，芯片內(nèi)部產(chǎn)生周期20毫秒，寬度為1.5毫秒的基準(zhǔn)電壓，偏置電壓和基準(zhǔn)電壓比較獲得的電壓差輸出到驅(qū)動(dòng)芯片決定舵機(jī)正反轉(zhuǎn)，反饋電位計(jì)輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板進(jìn)行負(fù)反饋，當(dāng)電壓差為零時(shí)，舵機(jī)達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)位置停止轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)镈SP的端口驅(qū)動(dòng)能力有限，所以PWM模塊需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)芯片采用74hc245，其是典型的CMOS型三態(tài)緩沖門(mén)電路、八路信號(hào)收發(fā)器。PWM1、PWM2、PWM3、PWM4分別控制上下左右四個(gè)舵機(jī)。

4 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖，DSP在接收到來(lái)自主控電腦的命令后將指令分解，當(dāng)控制命令是電機(jī)指令時(shí)，通過(guò)串口發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將接收到的串口數(shù)據(jù)處理生成相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電機(jī)。而電機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等以串口的方式發(fā)送給DSP，最后通過(guò)CAN總線發(fā)送到主控電腦。當(dāng)控制命令是舵機(jī)指令時(shí)，通過(guò)PWM發(fā)送給舵機(jī)，舵機(jī)在執(zhí)行相應(yīng)的命令之后將轉(zhuǎn)動(dòng)的角度反饋到DSP中，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)控制算法的調(diào)節(jié)達(dá)到預(yù)期的旋轉(zhuǎn)角度，保證舵片的精確轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)或舵機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主動(dòng)將報(bào)警信息回傳給DSP，DSP通過(guò)CAN總線上傳到主控電腦進(jìn)行應(yīng)急處理，由此形成一個(gè)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于DSP的AUV推進(jìn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，包含硬件電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)，整個(gè)AUV推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，滿足AUV在水下執(zhí)行任務(wù)的要求。將DSP移植到UCOS-II中，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，是下一步研究的重點(diǎn)。

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作者單位

中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東省青島市 266100