POD矢量推进器水下机器人载体结题报告.doc

哈尔滨工程大学2010年度第一批科研立项（普通型）结题报告POD矢量推进器水下机器人载体(Body of ROV based on vector thruster)石振强，王奥博，李成鑫，邹嵩，刘凡奇（哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨，150001）摘 要：现有水下机器人大多利用多支推进器实现前进和转向动作，牺牲了一部分空间和能量。本项目通过将大型船舶电力推进舱（POD）装置移植嫁接到水下机器人上，置于水下机器人底部，并利用矢量推进技术，可以实现仅利用一套推进器即可完成前进和转向动作，从而节省了搭载其他设备空间，且降低推进器总体噪声， 并可使其机动性能提高。如果能结合自动控制技术及传感器技术，可以推广到大型水下机器人，完成更加精密准确的动作。结合仿生学技术，可以增大推进效率且使操纵更加灵活。关键词：水下机器人；POD推进；矢量推进Abstract: Most existing underwater robot using more than one thruster to realize to advance and to turn direction, sacrifice space and energy. This project will transplant POD device in large vessels on the underwater robot, and by using the vector bottom push technology, can only use one forward and turn to finish thrusters, which saves space to carry other equipments, and reduce noise, and the overall thrusters can make the maneuver performance improvement. If can combine the automatic control technology and the sensor technology, which can be applied to large underwater robot, complete more precise action. Combining bionics technology, it can increase the efficiency and to manipulate more flexible.Key words : ROV ; POD; vector thruster51、引言 现有水下机器人大多利用多支推进器实现前进和转向动作，牺牲了一部分空间和能量。本作品通过将大型船舶电力推进舱（POD）装置移植嫁接到水下机器人上，置于水下机器人底部，并利用矢量推进技术，可以实现仅利用一套推进器即可完成前进和转向动作，从而节省了搭载其他设备空间，且降低推进器总体噪声， 并可使其机动性能提高。如果能结合自动控制技术及传感器技术，可以推广到大型水下机器人，完成更加精密准确的动作。结合仿生学技术，可以增大推进效率且使操纵更加灵活。本项目的目的在于制作一个小型有缆式水下机器人（ROV）并在控制模型创新实验室水池进行试验及调试。最终完成一个可以利用的ROV平台。2、框架部分2.1外部框架水下机器人外部框架采用聚丙烯塑料板制成，无毒、无味,密度小，强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯。且密度接近水，是制作水下机器人的优良材料。图2-1 框架设计图2.2浮力材料浮力材料选用XPS板（挤塑聚苯乙烯泡沫板），该材料具有适中的密度，是低成本水下机器人的常用材料。且具有加工性好，高抗压、吸水率低、防潮、不透气、质轻、耐腐蚀、超抗老化、导热系数低等优异性能。2.3加工组装本项目应用数控雕刻机对所用材料进行加工，保证了精度和系统整体的稳定性。3、推进器推进器选用行星减速电机，其具有大扭力，稳定性强等优点，可以应付所需要承受的环境。4、防水处理本项目所制作的机器人采用哈尔滨工程大学信息与通信工程学院控制模型创新实验室的防水技术，该实验室多年以来一直进行有关水下机器人的制造研究，独树一帜，实力雄厚。利用本技术制作的防水推进器可以承受10个大气压强的压力，效果明显。5、基于POD矢量推进技术的推进系统5.1POD技术简介POD推进器(又称吊舱式推进器)是近年来发展起来的一种新型的船舶推进装置，所谓吊舱式结构，就是推进电机直接和螺旋桨相连，构成独立的推进模块，吊挂于船体尾部。该推进模块由电动液压机构驱动，可以360水平旋转，推进方位角可以人为进行控制和调节，省去了舵机系统。传统的电力推进系统仍采用传统的推进装置，即电动机通过传动轴系与螺旋桨相连。吊舱电力推进则是将推进电机置于船外的吊舱中，发电机和电动机的能量通过电缆传输，省去了舵和轴系。5.2矢量推进推力计算矢量推进器的水平面推力和力矩的计算式：TM=Tcosc Tsin6、矢量推进器的制作本推进器动力部分采用直流减速电机，转速1500r/m，方向控制通过大扭矩舵机，通过主控MCU，结合各部分传感器的反馈信息，输出不同占空比的PWM波对舵机进行精确控制。主控MCU采用MSP430进行控制。6.1主控MCU6.1.1 MP430单片机MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（ 32768Hz ） , 有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（ AM ）和五种低功耗模式（ LPM0LPM4 ）。在等待方式下，耗电为 0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。系统工作稳定。上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障， DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，用看门狗将其复位。丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（ WDT ）、模拟比较器 A 、定时器 A （ Timer_A ）、定时器 B （ Timer_B ）、串口 0 、1（ USART0 、1 ）、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 16 （ P1P6 ）、基本定时器（ Basic Timer ）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获 / 比较功能，大量的捕获 / 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址0访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线； P0 、 P1 、 P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（ DMA ）模块。 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。6.1.2单片机最小系统MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。MSP430F149单片机具有64个双向I/O,外部可接32768hz和8Mhz晶体振荡器，具有16位数据处理能力，内置DOC振荡器。具有4种低功耗模式，MSP430F149通过JTAG下载程序，并具有在线调试功能。6.2舵机及电机驱动舵机驱动是结合430单片机及无线遥控接收机进行对推进器的控制，直流电机采用飞思卡尔电机驱动芯片MC33886，以下是舵机驱动电路及直流减速电机驱动电路：通过以上驱动电路可以实现对舵机及电机的灵活控制，预期指标均可实现。7、结论 经试验，本装置利用在水下机器人上具有一定实用效果，进一步完善后可以做为备用选项在制作水下机器人时参考。但是本作品也存在许多不足之处