無人水下航行器陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

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1 設(shè)計(jì)背景

水下航行器的研究工作始于二十世紀(jì)四五十年代，最初為研制載人水下航行器。從二十世紀(jì)六十年代開始，研制遙控水下航行器(ROV)。最近20年的研究重點(diǎn)為發(fā)展自主式水下航行器(AUV)。ROV和AUV統(tǒng)稱為無人水下航行器(UUV)[1]。

無人水下航行器在海軍作戰(zhàn)、海洋環(huán)境研究及海洋資源探測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。無人水下航行器航行過程中的障礙識(shí)別和路徑規(guī)劃尤為重要,但海洋模擬存在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集困難、數(shù)據(jù)量大、環(huán)境復(fù)雜、試驗(yàn)對(duì)象易丟失等不足[2-4],對(duì)此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng),主要測定在水深變化和出現(xiàn)障礙物時(shí)的航向變動(dòng),方便觀察試驗(yàn)對(duì)象導(dǎo)航、打舵、深度控制及躲避障礙物的精準(zhǔn)度。這一陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由池體、水深模擬模塊、障礙物模擬模塊和檢測系統(tǒng)組成,池體、水深模擬模塊和障礙物模擬模塊為試驗(yàn)對(duì)象提供模擬的運(yùn)行環(huán)境,檢測系統(tǒng)包含測量單元、數(shù)據(jù)采集和處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、控制單元和數(shù)據(jù)輸出單元,主要測定俯仰角、偏航角及橫滾角等參數(shù)。

2 運(yùn)行環(huán)境模擬

2.1 池體

池體尺寸為3 m×1.5 m×1.5 m,池體四周材質(zhì)為有機(jī)玻璃。池體底部為采用鋼板制作的假底結(jié)構(gòu),通過導(dǎo)向裝置進(jìn)行頂緊固定[5],并采用液壓升降裝置控制升降[6]。試驗(yàn)對(duì)象采用等比例縮比模型,以水下航行布雷器為例,按照1∶5制作縮比模型。水下航行布雷器由高自由度旋轉(zhuǎn)裝置固定在托槽中,即采用單個(gè)滾珠固定在類軸承結(jié)構(gòu)中,以減小轉(zhuǎn)向打舵時(shí)的外部阻力及干擾,滿足在模擬試驗(yàn)中的測定需求[7]。池體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 池體結(jié)構(gòu)

2.2 水深模擬模塊

池體底部采用液壓升降裝置控制假底升降,假底上升時(shí)模擬水下航行布雷器下潛過程,假底下降時(shí)模擬水下航行布雷器上浮過程。水深模擬模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 水深模擬模塊結(jié)構(gòu)

2.3 障礙物模擬模塊

障礙模擬模塊由若干自定義形狀的滑塊和滑道組成,每個(gè)滑塊可模擬不同類型的水下障礙物。滑塊置于池底,由機(jī)械裝置進(jìn)行滑動(dòng)控制。滑塊滑向水下航行布雷器模型近端時(shí),模擬障礙物接近工況。滑塊滑向水下航行布雷器模型遠(yuǎn)端時(shí),模擬障礙物遠(yuǎn)離工況。障礙物模擬模塊如圖3所示[8]。

▲圖3 障礙物模擬模塊

3 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)原理如圖4所示。無人水下航行器的舵機(jī)固定在測試臺(tái)上,加載扭桿的一端固定,另一端通過聯(lián)軸節(jié)與舵機(jī)輸出軸相連,并隨舵機(jī)軸偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形來模擬舵機(jī)所受到的鉸鏈力矩[9]。外部220 V、50 Hz交流電經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，為系統(tǒng)供電。光電編碼器安裝在舵機(jī)輸出軸的近端，用于感知角度變化,同時(shí)轉(zhuǎn)換為正交脈沖數(shù)字信號(hào),經(jīng)接口電路送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理,運(yùn)算后各項(xiàng)測量值顯示在液晶顯示屏上。

▲圖4 檢測系統(tǒng)原理

3.1 測量單元

系統(tǒng)以增量型光電編碼器作為角位置測量元件[10-11],測定俯仰角、偏航角及橫滾角等參數(shù),對(duì)在航行過程中障礙識(shí)別和路徑規(guī)劃的精確度進(jìn)行模擬試驗(yàn)。根據(jù)分辨率、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械結(jié)構(gòu),選擇型號(hào)為ZKT-59的光電編碼器。

3.2 數(shù)據(jù)采集和處理單元

數(shù)據(jù)采集和處理單元包括數(shù)字信號(hào)處理器、電源、時(shí)鐘和外擴(kuò)存儲(chǔ)器等。舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)短時(shí)、快速,對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集和處理速度要求比較高,因此選用TMS320LF2407A型數(shù)字信號(hào)處理器作為系統(tǒng)的核心處理器。該處理器指令周期為2.5 ms,實(shí)時(shí)控制和運(yùn)算能力強(qiáng),具有豐富的硬件資源和外設(shè)接口,內(nèi)置正交編碼脈沖電路,不需其它輔助電路就可處理光電編碼器的輸出信號(hào),還具有轉(zhuǎn)向判別和四倍頻功能。采用10 MHz有源晶振,經(jīng)LF2407A內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻之后達(dá)到頻率為40 MHz的工作時(shí)鐘。采用MAX811型電源監(jiān)控器件來進(jìn)行電源監(jiān)視和復(fù)位控制操作。采用CY7C1021型靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器,具有64 KByte×16 bit的存儲(chǔ)空間,讀寫周期為12 ns,數(shù)字信號(hào)處理器能夠?qū)ζ溥M(jìn)行零等待讀寫。外擴(kuò)存儲(chǔ)器設(shè)于數(shù)字信號(hào)處理器的外部總線上,片選端口通過跳線與數(shù)字信號(hào)處理器的PS引腳或DS引腳相連,可以作為程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

光電編碼器工作電壓為+5 V。編碼器的正交信號(hào)和零位信號(hào)分別經(jīng)74LVC245型芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字存儲(chǔ)示波器的正交編碼脈沖電路單元和捕獲單元。傳感器的輸出信號(hào)線統(tǒng)一進(jìn)行屏蔽處理,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.4 控制單元

試驗(yàn)前需設(shè)置系統(tǒng)的配置,例如采樣周期等。測量中為實(shí)現(xiàn)在任意位置的相對(duì)零位建立、絕對(duì)/相對(duì)位置切換、60進(jìn)制/10進(jìn)制顯示切換和液晶顯示清零等功能,系統(tǒng)采用四個(gè)獨(dú)立的鍵盤來分別進(jìn)行控制。在系統(tǒng)工作的配置階段和測量階段，鍵盤所實(shí)現(xiàn)的功能是不同的,可通過在軟件上設(shè)置不同階段的標(biāo)志變量來判斷鍵盤處于何種階段，可實(shí)現(xiàn)何種功能。

3.5 數(shù)據(jù)輸出單元

數(shù)據(jù)輸出單元用于顯示參數(shù)名稱及測量值,參數(shù)名稱用漢字顯示,測量值通過字符顯示。為滿足顯示容量的需求,采用240×128點(diǎn)陣式液晶模塊,內(nèi)置T6963C型控制器,包含美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼字符發(fā)生器,每屏可顯示15×8個(gè)漢字或30×16個(gè)字符,能夠同時(shí)顯示指標(biāo)要求的各項(xiàng)測量信息。數(shù)字信號(hào)處理器采用間接控制方式控制液晶模塊,液晶顯示采用5 V電壓器件,與數(shù)字信號(hào)處理器之間需加入電平轉(zhuǎn)換單元以避免處理器損壞。

4 結(jié)束語

無人水下航行器陸地模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案包含池體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)硬件,可模擬水下航行器在水深變化及出現(xiàn)障礙物時(shí)的工況,測定航行器俯仰角、偏航角及橫滾角等參數(shù)，為無人水下航行器的設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。