基于ARM自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紀(jì)慧鑫 楊毅 鄭東東 張翔 葉柱

摘 要：為了解決自主式水下機(jī)器人智能控制問題，設(shè)計(jì)了一種自主式水下機(jī)器人。文章從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面介紹了自主式水下機(jī)器人，利用PID控制算法對水下機(jī)器人運(yùn)動控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究。PID算法對自主式水下機(jī)器人進(jìn)行回路控制，實(shí)現(xiàn)對水下機(jī)器人航向角度進(jìn)行控制，從而提高穩(wěn)定性能。通過研究自主式水下機(jī)器人及其控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水下機(jī)器人對目標(biāo)進(jìn)行鎖定進(jìn)行觀測，優(yōu)化了自主式水下機(jī)器人的工作性能和指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：自主式水下機(jī)器人；PID控制算法；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動控制；控制器

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0041-02

Abstract： In order to solve the intelligent control problem of autonomous underwater vehicle （AUV）， an autonomous underwater vehicle （AUV） is designed. In this paper， the autonomous underwater vehicle is introduced from the aspect of system design， and the experimental study on the motion control of the underwater vehicle is carried out using the PID control algorithm. PID algorithm controls the autonomous underwater vehicle loop， to achieve the control of its heading angle， so as to improve the stability performance. Through the research of autonomous underwater vehicle and its control system， it can get the underwater vehicle to lock and observe the target， and optimize the working performance and index of the autonomous underwater vehicle.

Keywords： autonomous underwater vehicle； PID control algorithm； system structure； motion control； controller

引言

作為一種水下無人航行器的自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），在21世紀(jì)軍用和海洋開發(fā)等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，已成為向深海領(lǐng)域發(fā)展研究的一個(gè)大熱點(diǎn)，特別是自主式水下機(jī)器人核心技術(shù)之一的控制體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已成為其實(shí)現(xiàn)水下自主作業(yè)探索海洋的關(guān)鍵。目前來說，AUV的控制體系結(jié)構(gòu)基本可分為四模塊：反應(yīng)式結(jié)構(gòu)模塊、分層遞接結(jié)構(gòu)模塊、包容式結(jié)構(gòu)模塊和混合結(jié)構(gòu)模塊。為實(shí)現(xiàn)其體系結(jié)構(gòu)模塊的優(yōu)虐勢互補(bǔ)，可以將不同體系結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合以設(shè)計(jì)出一種全方位混合式控制體系結(jié)構(gòu)；本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：自給能源，能依靠自身的自治能力來管理和控制自己來完成水下作業(yè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人設(shè)計(jì)總體分為：主機(jī)控制模塊、傳感器操作模塊、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊、算法控制軟件模塊，其系統(tǒng)層次如圖 1 所示。

2 水下機(jī)器人系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計(jì)

自主式水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近似于船體的結(jié)構(gòu)，但傳動效率高。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮水下機(jī)器人的各部分空間，確保設(shè)備完好無損且方便控制，又要防止各器件之間互相產(chǎn)生影響，減少機(jī)器人壽命，確保發(fā)揮出機(jī)器人的最大的性能、作業(yè)時(shí)間和效率。它的整體形態(tài)設(shè)計(jì)包括五個(gè)主要部分：外部形體結(jié)構(gòu)、防水艙、推進(jìn)控制器、電源盒以及通信傳感器設(shè)計(jì)。外部形體結(jié)構(gòu)主要是將水下機(jī)器人電氣系統(tǒng)、控制器、通信系統(tǒng)分別固定到機(jī)器人機(jī)體上，要保證器件和系統(tǒng)能夠安全有效率的作業(yè)，為此，在電氣系統(tǒng)外部設(shè)計(jì)了一個(gè)密封艙，防止水下作業(yè)時(shí)有水進(jìn)入電氣系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人如圖2所示。

2.2 推進(jìn)器布置設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人的推進(jìn)器數(shù)量主要取決于其航行方向、時(shí)間、作業(yè)功能特點(diǎn)的強(qiáng)弱，一般來說功能越強(qiáng)，作業(yè)環(huán)境越復(fù)雜，推進(jìn)器數(shù)量越多。推進(jìn)器在作業(yè)時(shí)能夠快速準(zhǔn)確的讓機(jī)器人到達(dá)指定目標(biāo)位置，在航行中俯仰角決定水下機(jī)器人的上升和下降運(yùn)動；而歐拉角中，航向角決定著水下機(jī)器人的航行方向，是水下機(jī)器人在航行過程中至關(guān)重要的；為確保其水下正常作業(yè)，通常將重心設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的中心方面偏下的位置，用來抵消其不良運(yùn)動的產(chǎn)生，增加機(jī)器人的運(yùn)動平穩(wěn)能力和自主控制能力。

確保機(jī)器人水下作業(yè)運(yùn)行平穩(wěn)，其布置方法可以按照下面幾個(gè)要求來實(shí)現(xiàn)：

（1）應(yīng)最大可能的使縱向、橫向、豎向的合力交于一個(gè)匯聚點(diǎn)，而且這點(diǎn)要最大可能的接近機(jī)器人的重心，除去不良的附加運(yùn)動給系統(tǒng)及自身帶來控制上的麻煩。

（2）在水平航線航行過程中，理論上推進(jìn)器的位置與自身前進(jìn)動力坐標(biāo)系保持平行，可以獲得最大的前進(jìn)動力，但是水下機(jī)器人形體較小空間有限，設(shè)備之間布置比較密集，推進(jìn)器的布局、航行動力會受到的影響，航行過程中動力降低，影響推進(jìn)器的推進(jìn)效率。為了保持推進(jìn)器的效率，可以在航行中讓推進(jìn)器與理想坐標(biāo)軸軸線之間有一個(gè)小小的偏差度，大約在5°～15°，而cos5°～cos15°的值仍然接近于1，其誤差非常之小，所以推進(jìn)器的推力不會損失太多。

2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制驅(qū)動系統(tǒng)以ARM為核心，與高性能的PC104芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而可以對多種信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)化控制，通訊方面采用異步串行通訊接口與PC104進(jìn)行對接，并反饋上傳推進(jìn)器的速度信息，以此接收更多的速度數(shù)據(jù)信息。每個(gè)驅(qū)動器以單片機(jī)為核心組成一個(gè)速度驅(qū)動模塊，方便對推進(jìn)器進(jìn)行有效的控制，信息發(fā)送以PWM形式向各個(gè)MOS管發(fā)送命令，間接向各驅(qū)動器發(fā)送速度控制命令，推進(jìn)器接收到命令之后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過接收反饋信息以此來實(shí)現(xiàn)由發(fā)送PWM到MOS管組成速度驅(qū)動模塊之間的閉環(huán)控制?？刂乞?qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 基于ARM控制器的控制回路設(shè)計(jì)

3.1 ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺

ARM嵌入式系統(tǒng)系列處理器是英國的ARM公司設(shè)計(jì)的主流嵌入式處理器，主要以ARM9TDMI和ARM9E-S。ARM9與ARM7相比處理數(shù)據(jù)速度方面，ARM9頻率高，速度快。ARM9處理器高于ARM7處理器的性能，作業(yè)中ARM9通過減少指令周期和增加頻率，大大增強(qiáng)了其處理能力。所運(yùn)用的ARM主要是以ARM922T為核心的UP-ZCP320C處理器平臺。

3.2 水下機(jī)器人航向控制設(shè)計(jì)

圖4為水下機(jī)器人航向理想控制框圖。程序開始后會等待串口讀事件的發(fā)生，接收數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看到系統(tǒng)顯示的輸出，就可以計(jì)算出航向角度與系統(tǒng)輸出角度的差指，設(shè)為PID_X。當(dāng)角度差PID_X在第二象限時(shí)，系統(tǒng)會向水下機(jī)器人推進(jìn)器發(fā)送飽和控制信號0x941E，推進(jìn)器使機(jī)器人盡快向右邊轉(zhuǎn)動來縮小PID_X的絕對值，接近目標(biāo)角度；相反當(dāng)角度差PID_X在第三象限時(shí)，系統(tǒng)會向水下機(jī)器人發(fā)送飽和控制信號0x6BE2，推進(jìn)器讓機(jī)器人向左轉(zhuǎn)動來縮小PID_X的絕對值；而當(dāng)PID_X為其他情況時(shí)，控制器利用PID算法計(jì)算出需要推力大小，以此來實(shí)現(xiàn)改變機(jī)器人航行角度。使其回歸設(shè)定角度附近。在實(shí)驗(yàn)過程中程序是一直循環(huán)工作的，會不斷的調(diào)整推進(jìn)器推力大小，使機(jī)器人在理想條件下航行角度在設(shè)定的航行角度。

4 結(jié)束語

通過對水下機(jī)器人的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)自主式水下機(jī)器人。水下機(jī)器人主要以ARM為核心，與高性能PC104進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用傳感器作為數(shù)據(jù)的處理中心并配合控制推進(jìn)器達(dá)到機(jī)器人精確控制的目的。ARM通過與各種系統(tǒng)對接協(xié)調(diào)配合的作業(yè)方式，來完成水下作業(yè)的任務(wù)和下潛目標(biāo)。

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