（机械电子工程专业论文）小型潜器参数辨识与悬停控制实验研究.pdf

摘要 升沉补偿是深海采矿技术中尚需解决的关键技术之一。升沉补偿系统需要检 测采矿船的升沉运动，作为升沉补偿控制的信号来源。而检测采矿船的升沉运动 需要一静止坐标作为参考，但在深海环境，难以找到合适的静止参考坐标作为基 准。本课题组提出了用悬浮潜体作参考基准的方法，并进行了先期研究。本文在 课题组相关研究的基础上，完善金鱼二号电子系统，建立基于x p c 环境下金鱼二 号模拟实验系统，并对金鱼2 号潜器参数进行辨识研究，然后对模型进行仿真， 并进行实时控制试验，经过对仿真与实验结果分析，两者基本一致，表明本论文 的控制器是有效的。 文章首先阐述了课题的背景和意义，介绍了国内外相关课题的研究现状。接 着，简要地介绍了金鱼2 号潜器的外形、结构、螺旋桨驱动结构以及潜器电子电 路系统。接着介绍在x p c 目标环镜下如何建立潜器通信系统，各系统软件结构。 接下来介绍了金鱼2 号各参数的辨识研究，包括螺旋桨推进力、等效质量、流体 阻力及步进电机加速曲线等参数，详细介绍了辨识的原理及方案，同时得到可靠 的辨识结果。辨识完成后，把辨识的参数加入到模型中，采用p i d 、模糊及模糊 p i d 选择控制对系统进行仿真，得到仿真结果。然后根据仿真结果，对潜器进行 实时控制研究，得到实验结果，并对实验数据进行分析处理。最后，文章进行了 扼要的总结，同时探讨了该课题的下一步的研究工作。 本文所对金鱼2 号潜器的研究取得了较好的成果，可以为今后研究升沉补偿 系统的参考基准提供参考。 关键字：潜器；悬浮控制；x p c 目标；p i d ；模糊 广东t 业大学t 学硕 j 学位论文 a b s t r a c t h e a v ec o m p e n s a ti o niso n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st h a tn e e dt os o l v e i nd e e ps e am i n i n gt e c h n i q u e h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mn e e d st oe x a m i n e t h eh e a v em o v e m e n to fm i n i n gs h i p ，a n dt a k ei ta st h es i g n a lo r i g i nf o r h e a v ec o m p e n s a t i o nc o n t r 0 1 t oe x a m i n i n gm i n i n gs h i p sh e a v e nm o v e m e n t t on e e das t a ti cc o o r d i n a t ea st h er e f e r e n c e ，b u ti nt h ed e e ps e a e n v i r o n m e n t ，i ti sd i f f i c u l t yt of o u n dt h ea p p r o p r i a t es t a t i cr e f e r e n c e c o o r d i n a t ea st h eb e n c h m a r k a ni d e at h a tas t a t i o nk e e p i n gd i v i n gc a n b eu s e df o ras u i t a b l er e f e r e n c eb e n c h m a r kh a db e e np u tf o r w a r di nt h e p r e v i o u sr e s e a r c ho nt h ist o p i c b a s e dg r o u p ，a n dh a dc a r r i e do nm u c h r e s e a r c ha h e a do fti m e ，h a do b t a i n e ds o m er e s u l t s ，b u tn e e df u r t h e r r e s e a r c h t h i sa r t i c l eb a s e do nt h et o p i c b a s e dg r o u pr e l a t e dr e s e a r c h s f o u n d a t i o n ，p e r f e c tt h ee l e c t r o n i cs y s t e m so fg o l d e n f i s h2 ，e s t a b l i s h e d g o l d e n f i s h2s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do nx p ce n v i r o n m e n t ，a n d i d e n t i f yt h ep a r a m e t e r so fg o l d e n f i s h2d i v i n gv e h i c l e ，a n dt h e nt h em o d e l s i m u l a t i o n ，f i n a l l yc a r r i e so nt h er e a l t i m ec o n t r o le x p e r i m e n t ，t h r o u g h t h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n a l y s i s ，t h e ya r eb a s i c c o n s i s t e n t ，s h o w st h ec o n t r o l l e ro ft h i sp a p e ri se f f e c t i v e t h e a r t i c l ef i r s td i s c u s s e dt h et o p i cb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c e ， i n t r o d u c e dt h ed o m e s ti ca n df o r e i g nr e l a t e dt o p i cr e s e a r c hp r e s e n t s i t u a t i o n t h e nb r i e f l yi n t r o d u c e dt h es h a p e ，t h es t r u c t u r e ，t h e p r o p e l l e rt h r u s ts y s t e mo fg o l d e n f i s h2d i v i n gv e h i c l ea n dt h ed i v i n g v e h i c l e sc i r c u i t r ys y s t e m t h e ni n t r o d u c e dh o wt oe s t a b l i s ht h ed i v i n g v e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mu n d e rt h e x p ct a r g e te n v i r o n m e n t ，s o f t w a r e s t r u c t u r eo fv a r i o u ss y s t e m s t h e ni n t r o d u c e dg o l d e n f i s h2v a r i o u s p a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nr e s e a r c h ， i n c l u d i n g t h ep a r a m e t e r so f a b s t r a c t p r o p e l l e rt h r u s t ，e q u i v a l e n tm a s s ，f l u i dr e s i s t a n c ea n ds t e p p e rm o t o r a c c e l e r a t ec u r v ea n ds oo n ，i n t r o d u c e di n d e t a i lt h ei d e n t i f i c a t i o n p r i n c i p l e a n dt h e p r o j e c t ，s i m u l t a n e o u s l y o b t a i nt h er e li a b l e i d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s a f t e rc o m p l e t e dt h ei d e n t i f i c a t i o n ，a d d e dt h e i d e n t i f i c a t i o np a r a m e t e r si n t ot h em o d e l ，u s e dt h ep i d 、f u z z ya n df u z z y p i dc h o o s ec o n t r o lt oc a r r yo ns i m u l a t i o nt ot h es y s t e m ，o b t a i n st h e s i m u l a t i o nr e s u l t t h e na c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，c a r r i e do n t h er e a l - t i m ec o n t r o lr e s e a r c ht od i v i n gv e h i c l e ，o b t a i n e dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t ，a n dc a r r i e saa n a l y s i sp r o c e s s i n go nt h ee x p e r i m e n t a ld a t u m f i n a l l y ，t h ea r t i c l eh a sc a r r i e do nt h em a i ns u m m a r y ，s i m u l t a n e o u s l yh a s d is c u s s e dt h ist o p i cn e x ts t e pr e s e a r c hw o r k t h i sa r t i c l et h a tc a r r i e do nt h er e s e a r c ht ot h eg o l d e n f i s h2h a v e m a d eg o o dp r o g r e s s ，m a yp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h en e x tr e s e a r c ht o h e a v e nc o m p e n s a t i o ns y s t e m sr e f e r e n c eb e n c h m a r k k e yw o r d s ：d i v i n gv e h i c l e ：h o v e r i n gc o n t r o l ：x p ct a r g e t ：p i d ：f u z z y i l l 广东t 业大学t 学硕 ：学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢 意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 明。 7 0 指导教师签字： 存之争 本文储擀修劫 2 0 0 8 年6 月2 日 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论帚一早三百下匕 在人类迈入二十一世纪，世界的经济飞速发展，人类的生活更加富足。但是， 随着经济的发展，人类对资源的需求更加的需求与日俱增，快速消耗导致陆地资 源的不足，国际汽油价格近几年来成倍增长，钢铁、有色金属等原料也居高不 下，陆地资源已不能满足人类的长期需要，因此，海洋资源将成为人类开发和利 用的重要资源。 深海中蕴藏有丰富矿藏，如石油、天然汽、金属结核等重要资源，其中最能 引起人们注意的是多金属锰结核，其经济价值仅次于石油和天然气，广泛分布在 3 0 0 0 6 0 0 0 米深大洋海底瞳1 ，整个大洋底的多金属结核储量约为3 万亿吨，且锰 结核是一种采之不竭的矿产资源，每年产生大量的沉积量。因此，对海洋资源的 开采对人类的发展有着重要而深远的影响。 1 1 1 深海采矿现状 深海采矿是开发和利用海洋资源的重要手段，越来越多的国家加入研发采矿 技术行列，采矿技术也在不断提高。 1 8 7 2 1 8 7 6 年间，英国“挑战号”做环球考察时口1 ，发现世界大多数都有金 属结核矿。但对其进行系统勘探研究是在二次世界大战以后，此时，全球经济在 迅速复苏，人类对多金属结核需求急剧扩大。 上世纪七十年代，以美国人首的发达国家研究了一系列的采矿装置及实验， 并取得了一定的成果，初步确定了采矿系统可采用挖采和提升的方法。挖采可采 用高压水射流的水力集矿方式和机械挖掘的机械集矿方式；提升式可采用气力和 水力提升h 1 。 进入二十世纪八十年代以后，发达国家经济萧条，世界多数海洋强国对深海 广东t 业大学丁学硕 j 学位论文 采矿研究和实验进入低潮，而一些发展中国家，如中国、印度为代表的积极开展 了深海底多金属结核的调查和勘探工作，在此基础上，积极开展深海底多金属结 核的开发技术的研究。目前，印度已经成功才了一套采矿装置，并于2 0 0 0 年4 1 0 米浅海实验成功，并正积极筹划6 0 0 0 米深海采矿实验。 我国早在上世纪七十年代就开始了多金属结核的调查工作畸3 。1 9 9 9 年3 月5 日，我国获得了太平洋中部7 5 万平方公里金属结核矿专属勘探权和优先商业开 采权，拓展了我国战略资源的储备总量，我国已初步研究出一套自己的深海采矿 系统，并于2 0 0 1 年6 9 月在去南抚仙湖进行了1 3 0 米水深实验，采回模拟结核 9 0 0 克，取得满意的结果。 1 1 2 采矿系统 从深海中把金属结核传送到海面采矿船上是采矿系统中的关键技术，目前采 用较多的几种采矿系统有连续绳斗式( c l b ) 开采系统、自动穿梭式采矿车开采 系统、集矿机加管道输送采矿系统1 。在这些采矿系统中，又以集矿机加管道输 送采矿系统应力潜力最大。其中流体提升采矿法最为突出，流体提升式采矿系统 原理图如图卜1 所示： 图1 - 1 ：流体提升式采矿系统 2 第一章绪论 流体提升式采矿系统的原理是通过扬矿管借助流体上升动力将海底的集矿 机采集的金属结核提升至海面采矿船上。该系统由集矿机、输送软管、中间仓、 扬矿管及采矿船等组成。集矿机在海底采集矿物，并对矿物进行清洗、脱泥和破 碎处理，矿物随着流体一起进入输送软管。中间仓是起暂时存储矿物的作用，以 减轻动力需求。最后矿物经过扬矿管输送到海面的采矿船上。 由于海浪的作用，采矿船会随着海浪的波动上下升沉摇摆，扬矿管拖动采矿 装置随采矿船一起上下振动，由于采矿装置重量较大，扬矿管受到较大的拉力振 动，从而容易发生疲劳损坏，扬矿管的使用寿命大大降底，从而严重影响采矿装 置的稳定性、可靠性和使用寿命，进而直接影响到整个采矿系统的效率和经济性。 因此，需在采矿装置的上部与采矿船之间安装一套升沉补偿系统，对采矿装置的 升沉进行补偿，使补偿系统下面的采矿装置处于静止状态，减少扬矿管的疲劳损 坏，从而保证采矿系统工作的稳定性，提高采矿系统的可靠性和经济性。 1 1 3 升沉补偿参考坐标 目前应用于海洋中物体位置测定的主要方法有船载蓝绿激光技术、g p s 全球 定位、岸基雷达定位、海底基定位等方法。蓝绿激光在水中存在衰减快，测深 小的缺点，而g p s 全球定位、岸基雷达定位、海底基定位等方法在精度上无法 满足要求。 广东工业大学在国家自然科学基金项目“深海采矿工程升沉补偿系统的研 究”中提出了“零波面 概念，即把海水看成理想流体，波浪除了在海面传播外， 还在重力方向传播，随着水深的增加，波高将以几何级数减小，当水深达到一定 高度时，波高衰减到零，认识此存处在一个“零波面”，在“零波面处，波浪 的影响为零。如果在“零波面 以下放置一潜器，通过控制使其保存在某一深度， 潜器就可以作为升沉补偿系统的静止参考坐标。我们把这个潜器称之为潜式坐 标。 在潜式坐标上装上信号发射装置，在船上安装信号接收装置，通过信号处理 便可知道船受波浪引起的位移的变化，把位移变化量输给升沉补偿系统控制器， 使升沉补偿系统根据位移的变化作出相应的补偿，以减小扬矿管受到的振动。采 矿船升沉位移检测简图如图卜2 所示。 广东t 业大学丁学硕 j 学位论文 图卜2 采矿船升沉位移检测简图 1 2 国内外相关研究 1 2 1 潜器的研究现状 水下潜器即水下机器人，可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道 敷设和检查、电缆敷设和检查、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。水下机 器人可分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯称遥控潜器( r e m o t eo p e r a t e d v e h i c l e ，简称r 0 v ) ；另一类是无缆水下机器人，习惯称为自治式水下潜器 ( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称a u v ) n 1 。 水下潜器公元1 6 2 0 年首先由荷兰物理学家发明，首先用于军事上。随着时 代的发展，科学技术不断提高，水下潜器外观、性能不断得到改进，逐步向小型 化、智能化、多功能方向发展。 一些发达国家，都在对水下机器人进行深入地研究，根据不同的需要，设计 出各种款式的水下机器人。 美国研制的增强型r e m u sa u v 陋1 ，长度为1 6 m ，质量为3 5 千克，直径1 9 c m ， 最大续航力2 0 h ，备有测扫声纳、测深器、测速仪和光学反向散射传感器。在浅 水域用于水下的情报、监视与侦察及灭雷工作。 加拿大1 9 9 4 年研制出用于铺设北冰洋冰层覆盖下海底光缆的t h e s e u s 潜器： 4 第一章绪论 同年完成7 0 k w h 铝氧燃料电池的潜器，使续航能力达到3 6 小时；1 9 9 7 年又进行 第二代燃料电池试验，使续航力进一步提高。 日本以东京大学生产技术研究所为主，开发出t w i n b u r w e r1 2 、p t e r o a l 5 0 & 2 5 0 等多个型号的观测型潜器，主要用于观察海底电缆的铺设和维护情况。近 年来又研制出具有很强水下探测能力的“淡探”和“t r i d o g l ”等小型水下智能 机器人。 法国e c a 公司的m i s t e r 研制有浅海、深海两种类型的水下潜器。浅海工作 深度为3 0 0 米，长、宽、高分别3 2 m 、1 1 m 和1 2 m 。深海工作深度为3 0 0 0 米， 长、宽、高分别3 5 m 、1 3 5 m 和1 4 m 。a l i s t e r 是一种多用途a u v ，a l i s t e r 的 导航系统包括普勒测速计程仪、光纤陀螺、g p s 接收机、高度计、压力传感器、 避碰传感器、三轴磁罗经等。 此外，英国于9 5 年开发出a u t o s u b l 型潜器用于海洋科学研究。丹麦在潜 器的研究中也是一个很出色的国家，其研制出的典型潜器是m a r i d a n l 5 0 和 m a r i d a v 6 0 0 ，已作为产品在世界市场上出售。 我国在近十几年来，也对水下机器人进行深一步的研究开发，并且取得了较 多的成果。借助8 6 3 计划，中船重工7 0 2 所，中科院沈阳自动化所，中科院声学 研究所，哈尔滨工程大学等单位都组建了专门研究机构。国内已成功地研制了 6 0 0 0 米无人无缆自治水下机器人“c r 0 1 、7 8 8 军用水下机器人、捞雷潜器、常 压潜水装具、灭雷潜器、移动式救生钟和7 1 0 3 深潜救生艇等：诸多技术方面都己 取得实用性进展。特别是近年来在路径规划、动力定位、光学声学图像识别及 导引、力感机械手等智能技术方面取得了关键性的突破，己基本具备研制各种潜 水器的能力。“c r 一0 2 自治水下机器人是在“c r 一0 1 的基础上作进一步改进而 研制的自治水下机器人。在“c r - 0 2 ”上1 ，采用了对转槽道推力器，使得“c r - 0 2 刀 在仍采用原转速控制硬件的基础上，不增加总长的条件下大大提高其垂直面内的 机动能力，为机器人的爬坡创造了条件。现在“c r 一0 2 ”己完成海试，投入使用。 目前我国正在研制7 0 0 0 米载人潜器。 1 2 2 潜器悬停控制发展现状 潜器悬停控制需要控制系统能够有效地补偿波浪的干扰。潜器悬停控制一般 5 广东t 业大学t 学硕卜学位论文 使用的控制方法有p i d 控制、滑模控制、模糊p i d 控制、自适应控制等多种控制 方法n 0 3 。 韩国j 一f l o t s ，d m l a n e ，e t r u c c o ，f c h a u m e t t e 在2 0 0 1 年采用p i d 控 制方法对a n g u s 0 0 3 潜器进行了悬停控制试验，在试验中，他们使扰动水流的 速度为一定值，测试在不同的水流速度下潜器悬停控制水平方向和垂直方向的位 置误差，在水流的水平流速与垂直流速分别为0 1 m s 和0 1 m s 的情况下，水平 方向和垂直方向位置误差分别达0 9 5 m m 和5 6 0 m m ；水流的水平流速与垂直流速 分别为0 2 m s 和0 5 m s 的情况下，水平方向和垂直方向误差分别达3 3 6 5 m m 和 1 4 5 5 m m 。控制精度随着水流速度的增加而降底。 美国加利福尼亚斯坦福大学航空机器人实验室k o r t n e ynl e a b o u r n e 、 s t e p h e nmr o c k 和s t e p h e nd f l e i s c h e r 等人把v e n t a n a 潜器潜入到水下9 0 0 米深地方进行了悬停控制试验n2 】，分别采用p i d 控制方法和滑模控制方法控制潜 器悬停，在有较大的水流干扰下，水平方向和垂直高度位置误差分别为1 5 m m 和4 m m ，试验比较成功。 西班牙g i r o n a 大学使用视觉传感器定位对u r i s 水下潜器进行悬停定位n 3 1 ， 潜器潜入海里3 米深处，海浪产生明亮的浪花，浪花在视觉传感器中转化为光亮 的图像，悬停定位系统能够根据图像找到它的位置并使潜器返回悬停点。 相对国外，国内对潜器悬停控制研究相对较少，广东工业大学在潜器悬停控 制中先后研制了金鱼一号n 4 3 和金鱼二号水下潜器n 5 1 ，使用模糊p i d 对其进行控 制，在静止的水中并且无外部干扰力的情况下误差控制在+ 3 a m 范围内，但没有 对模型进行参数辨识，也没有通过仿真获取较佳的控制参数，存在响应时间较长、 稳态误差较大等不足，还需要进一步提高控制效果。本文研究的小型潜器是金鱼 二号潜器，进一步提高金鱼二号悬停控制精度和抗干扰能力等。 1 3 本课题的来源 本论文的研究工作是国家自然科学基金项目“深海采矿工程升沉补偿系统的 研究”( n o 5 9 9 7 5 0 1 8 ) 的研究内容之一，是广东省教育厅自然科学基金项目“海 洋水下潜式坐标的研究”( n o z 0 3 0 2 5 ) 的研究内容的一部分。 6 第一章绪论 1 4 论文主要工作及论文结构 1 4 1 主要完成工作 1 对研究内容进行调研，搜集国内外相关资料，为研究工作提供参考。 2 完善金鱼二号电子电气系统。 3 基于x p c 目标环境建立金鱼二号通信系统。 4 选定辨识方案，对金鱼二号各参数进行辨识。 5 建立p i d ，模糊及模糊p i d 选择控制仿真模型，对金鱼二号控制进行仿真。 6 建立金鱼2 号的实时控制实验环境，并对其进行实时控制实验研究，并分 析实验结果。 1 4 2 论文结构 本论文共分六章。第一章绪论叙述论文研究的背景、研究目的和意义，介绍 了国内外相关领域的研究现状与本课题的来源；第二章介绍了金鱼二号机械传动 结构及电子电气系统；第三章介绍在x p c 目标环境下如何建立通信系统；第四章 潜器各参数的辨识，选定实验方案，并辨识有关参数；第五章采用p i d 、模糊和 模糊p i d 选择控制方法，在s i m u l i n k 中建立仿真模型，得到仿真结果；第六章 采用p i d 、模糊及模糊p i d 选择控制对潜器进行实时控制实验，并对实验数据进 行分析处理，并与仿真结果对行对比。最后进行了简单的总结和展望。 7 广东t 业大学t 学硕十学位论文 第二章金鱼二号机械结构及电子电气系统 2 1 金鱼二号机械结构及传动装置 金鱼二号潜器是闭式结构，呈圆柱形，高6 1 0 r a m ，直径，3 2 0 m m ，重量约4 1 千克。金鱼二号机械结构主要由壳体和螺旋桨推进系统二个部分组成，总体结构 见图2 - 。 2 1 1 壳体 图2 - 1 ：金鱼二号 f i g2 1 ：g o l d e n f i s h2 壳体是薄壳结构，有一定的抗耐压强度，整个壳体是密封的，用来保护和安 装电子元器件及检测设备，同时，壳体提供了浮力，与重力构成了一对反作用力， 平衡了力的作用，减轻螺旋桨负担，便于对潜器进行控制。壳体材料为普通钢材， 壳体外面涂上一层油漆，防止壳体生锈。壳体两测面分别开有两个方形口，采用 有机玻璃密封，便用对内部电线维护和观察内部情况。壳体上下端各有一密封槽， 靠密封圈保证壳体与两端盖密封，壳体如图2 - 2 所示。 第二章金鱼二号机械结构与电子电气系统 图2 - 2 ：金鱼二号外壳图 f i g2 2 ：g o l d e n f i s h2s h e l l 2 1 1 螺旋桨及其传动装置 本实验采用螺旋桨为金鱼二号提供动力，金鱼二号上、下两端各有两个螺旋 桨，分别采用步进电机驱动。整个装置由步进电机、齿轮减速箱、同步带传动机 构，螺旋桨机构组成，整体结构如图2 3 所示。 图2 - 3 ：推进器结构立体图 f i g2 - 3 ：t h r e e d i m e n s i o n a lm a po fp r o p e l l e r 1 同步带轮2 同步带3 步进电机4 电机支架5 齿轮6 减速箱7 减速箱固定架8 同步 9 广东t 业大学t 学顾卜学位论文 带张紧装置 图2 - 4 为传动装置结构简图，从图中可以清楚地了解到传动过程，步进电 机启动后，带运齿轮1 转动，齿轮1 带通过减速比带动齿轮2 ，齿轮2 通过同速 比带动齿轮3 ，然后各自经过同步带带动螺旋桨，由图可以看出，两螺旋桨转向 相反，速度相同。 图2 4 ：传动装置结构简图 f i g u r e2 - 4 ：t r a n s m i s s i o ns t r u c t u r ed i a g r a m 1 步进电机2 齿轮13 齿轮24 齿轮3 5 齿轮46 同步带轮7 螺旋桨 螺旋桨的推进力计算是一个复杂的问题，文献 1 8 给出了推力公式： t = 册2 d 4 墨 ( 3 1 ) j 式中： 丁螺旋桨推进力 p 流体密度 栉螺旋桨转速 d 螺旋桨直径 厨推进力系数，它与螺旋桨的几何参数( 如叶片数量、叶片的螺距和 叶片形状) 有关，这个系数计算比较复杂，可采用辨识的方法计算，以第4 章节 将详细介绍。 1 0 第一二章金鱼- 二号机械结构与电了电气系统 2 2 金鱼二号电子电气系统 金鱼二号内部电子电气系统包括潜器运动控制电路及安全保护电路，其中运 动控制电路由步进电机控制电路，信号采集电路及与上机位通信的主机构成，做 成三块电路板，分别称为步进电机控制卡，信号采集卡和主机。而安全保护电路 主要是为了防止漏水或短路时电子元件短路损坏及对人体的危害。 2 2 1 运动控制电路 金鱼二号运动控制电路结构图如图2 - 5 所示，由主机、步进电机控制卡、信 号采集卡和压力传感器等组成。 i 上位机f _ 一一一t 薪厂一疆三可一i 主机l 笠旦一可 步进电机控制卡1步进电耖。控制卡2i 口勺小：希卜 i 步进电机驱动器l步进电机驱动器2 | i 压力传感器l l 步进电机1 li 步进电机2 l 图2 5 ：金鱼二号运动控制电路结构图 f i g2 - 5 ：g o l d e n f i s h2c i r c u i ts t r u c t u r eo f t h em o v e m e n tc o n t r o l 2 2 1 1 压力传感器金鱼二号装备了压力传感器，型号为k y b l 8 g i l 0 2 v p i c 2 ， 精度达到0 1 ，误差在_ + 2 m m 以内。实验室模拟环境最大水深为1 - 6 米，而压力 传感器最大量程为2x1 0 4 p a ，相当于两米的水深，压力传感器输出4 2 0 m a ，电 流信号，经过转换后输出1 5 v 的电压信号。 2 2 1 2 信号采集卡信号采集卡包括微处理器模块，a d 转换模块，采样保持 模块，数据存储器模块，定时监视器模块和串口通信模块等。整个结构框图如图 2 6 所示。 广东t 业大学t 学硕l j 学位论文 地址锁存 r a m 定时监视 r s 2 3 2 m c s 信号采集卡 a d _ 一 = 二 【采样保持器 二二 眵路选择开关 主机ii 压力传感器 图2 - 6 ：信号采集结构框图 f i g2 - 6 ：s i g n a la c q u i s i t i o ns t r u c t u r ed i a g r a m 1 微处理器采用8 9 c 5 2 单片机，它包含有1 2 8 字节r a m 、4 k 字节f l a s hr o m 、 3 2 条i o 口线、3 个1 6 位定时计数器、6 输入4 优先级嵌套中断结构、1 个串 行i o 口以及片内振荡器和时钟电路。 2 a d 转换芯片采用了a d 5 7 4 ，它是一种1 2 位的a d 转换芯片，带有三态缓 冲器，1 次转换时间最大3 5 脚，位逐次比较式可以直接与位或位微处理器相连， 而无需附加逻辑接口电路。 3 采样保持器采用了l f 3 9 8 ，它能快速捕捉某一时刻的电压信号，捕捉时间 小于1 0 艘，而且它的精度很高，可满足采样的要求。 4 数据存储器模块8 9 c 5 2 单片机片内只有2 5 6 字节r a m ，对于数据采集系 统来说，2 5 6 字节的存储空间可能不够用。因此系统扩展了4 k 的外部r a m 6 2 2 5 6 。 5 监视定时器模块采用了m a x 8 1 3 ，监视器的作用是为了防止程序跑飞，提 高系统的可靠性和安全性。 6 串口通信模块采用r s 2 3 2 通信接口，r s 2 3 2 通信接口是美国电子工业协会 ( e i a ) 正式公布的串行通信接口标准，也是目前最常用的串行接口标准，容易实 现。 。 2 2 1 3 步进电机控制卡步进电机控制卡由微处理器模块、定时监视器模块和 串口通信模块组成。从p 2 0 口发出脉冲，来控制步进电机速度，p 2 2 通过改变 高底电平来改变电机旋转方向。微处理器也是采用了8 9 c 5 2 单片机，结构如图 2 - 7 所示。 1 2 第二章会鱼二号机械结构与电了电气系统 图2 7 ：步进电机控制卡结构图 f i g2 7 ：s t e pm o t o rc o n t r o lc a r d 2 2 1 4 主机本实验在p c 机与下位机之间增加了一个主机，主机功能是实现 对信号的传递和解释，并与下位机实现多机通信。主机也包含微处理模块、定时 监视器模块和串口通信模块。微处理器采用了台湾的华邦电子公司( w i n b o n d ) 推出的高速、高集成、增强型m c s 一5 1 系列高性能单片机w 7 7 e 5 8 ，它的系统速度 要比传统5 1 系列单片机快2 5 倍左右，指令集与5 1 系列单片机完全兼容，其内 置3 2 k b 可重复编程的f l a s h ，具有2 个增强型全双工串行口。主机要实现与p c 机和下位机的同时通信功能，必有具有两个串口，而w 7 7 e 5 8 的2 个增强型全双 工串行口在这里正好满足要求，从而简化采用两片单片机设计的复杂电路。主机 结构图如图2 8 所示。 2 2 2 安全保护电路 图2 - 8 ：主机结构图 金鱼二号采用了1 1 0 伏交流电源供电，这高电压在发生短路和漏电时容易对 操作人员和靠近水池的其他员产生危害，同时容易对潜器内各电子元件造成损 坏，因此采用一定的安全保护电路是完全必要的。安全保护电路包括开关通断电 路和漏水保护电路。 广东t 业大学t 学硕 ：学位论文 2 2 2 1 开关通断电路当发生潜器漏电或短路时，需要及时关断电源开关，远 程开关能更方便、及时地关断电源，起到保护作用，开关通断电路如图2 9 所示。 图2 9 - 开关通断电路 f i g2 - 9 ：s w i t c h o f fc i r c u i t 本电路采用了弱电控制强电的方法，保护操作者的人身安全。在变压器和通 用2 2 0 伏交流电源之间，接入了断路器m u l t l 9c 4 5 n ，起过载和短路保护作用。 2 2 0 伏交流电经m u l t y 9c 4 5 n 后分成两路，一路送到t 2 变压器，把2 2 0 伏交流 电转变成1 2 交流电，再经过桥式整流电路和电容滤波电路转换成1 2 伏直流电源， 再通过接通和断开开关和继电器。另一路经过t l 变压器转变成i i 0 伏交流电源， 提供给潜器内各电机。继电器k m i 具有弱电电路自锁及强电电路通断功能，当 s n l 按下时，继电器k m i 绕线得电，同时接通k m i a 、k m i b 、k m i c 触头，在s n l 松开的情况下，继电器k m i 自锁得电，同时强电电路接通，潜器内电机组得电。 当s n 2 按下时，弱电电路断开，继电器k m i 失电，强电电路断开，潜器内电机组 失电。 2 2 2 2 漏水保护电路在潜器内部底面，安装了四个水敏感器，当发生漏水时， 水敏感器两端接通，得到的信号经过放大，驱动三极管开关电路，使继电器k m 2 得电，断开强电电路，使整个潜器失电。 1 4 第二三章金鱼二口程序及通信系统 第三章金鱼二号程序及通信系统 3 1 金鱼二号通信系统结构 金鱼二号潜器采用了m a t l a b 工具中x p c 目标来实现通金鱼二号的通信系统， 整个通信系统结构如图3 一l 所示。 l 宿主机i j 串口通信 l 目标机l j 串口通信 i 婪i 串口通信i甲h 啦日 l 步进电机信号采集卡步进电机 l 控制卡l 控制卡2 图3 - i ：金鱼二号通信系统结构 f i g u r e3 1 ：g o l d e n f i s h2c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e x p c 目标采用双机通信的方法，实现目标机与i o 接口通信。本系统中，宿 主机与目标机采用串口通信，而目标机与主机也采用串口通信，目标机需要两个 串行接口。而主机与各下位机之间同样采用了串口通信。 3 2x p c 目标 x p c 目标n 6 3 是m a t h w o r k s 公司提供和发行的一个基于r t w 系统框架的附加产 品，可将i n t e l 8 0 x 8 6 p e n t u i m 计算机或p c 兼容机转变为一个实时系统，是一种 用于产品原型开发、数据采集和实时控制的p c 机解决途径。 x p c 目标是一种可以对基于p c 硬件的实时系统进行设计、测试、调参的解 决方案。这种方案采用宿主机一目标机设计，需要两台p c 机来进行实时操作，即 “双机”模式。宿主机用于运行s i m u l i n k ，而目标机则用于执行所生成的代码。 图3 - 2 为x p c 目标环境。 广东1 = 业人学工学硕上学位论文 参数调可、监视等 图3 - 2 ：x p c 目标环境 f i g3 - 2 ：x p ct a r g e te n v i r o n m e n t 在该环境下，用户可以以一台安装了m a t l a b 、s i m u l i n k 、s t a t e f l o w ( 供选 择) 的台式机为主机，采用s i m u l i n k 建立仿真模块或采用s t a t e f l o w 建立状态流 程图，然后在主机上采用r t w 、s t a t e f l o w 编码器和一个c 编译器先生成一个c 代码程序，然后创建一个目标代码。再由目标代码生成可执行代码，把该代码从 宿主pc 机中下载至目标pc 机上，并在其中运行x p c 内核，然后就可以实运行 测试工作。x p c 目标应用程序开发流程如图3 3 所示。 开始 七多 建立si m u ii n k 模型 乡 通过r t w 生成c 代码 jl ， 通过第三方编译器生成目标代码 七多 转换为可执行代码 七乡 下载到目标机 1 0 ) ， 则能获取n 个螺旋桨推进力只( i = 1 ，2 ，3 ，n ，n 1 0 ) ，得到一些离螺旋桨推进力与 螺旋桨转速离散点，即： 艏 篱 为 扣 博 佃 5 篓世鲁一缎掉账垲蟹 广东t , l k 大学t 学硕f ：学位论文 互= 髟q 2 e = k a 哆2 只= k d o 嘎2 ( 4 1 0 ) f n = k d ： 由于误差和干扰存在，可用式( 4 4 ) 表示螺旋桨的推进力。在m a t l a b 软件 中可使用多项式拟合函数p o l y f i t ( x ，y ，n ) 处理离散实验数据，得到螺旋桨推 进力多项式方程。 4 3 2 实验装置 前文提到，螺旋桨推进力跟螺旋桨叶片数量、叶片的螺距和叶片形状有关，而形 状很难精确地测量，因而常常采用特定装置对螺旋桨的推进力进行测定，然后根 据式( 4 5 ) ，通过输入和改变螺旋桨转速国，用拉力传感器测量出其拉力，就 可以算出螺旋桨推进力参数a o 、卧a 2 。为此，本实验设计了一套螺旋桨推进力 系数辨识装置，可在线对螺旋桨推进力进行测量，整套实验装置如图4 6 所示。 实验装置包括宿主机、目标机、拉力传感器、放大电路、信号采集卡等，采 用了x p c 目标技术来控制和改变电机速度，目标机连接了潜器内部主机。拉力传 感器输出的电压信号经过放大，再用信号采集卡采集信号。宿主机与目标机采用 了串口通信模式，而目标机与主机也是采用串口通信，目标机具有两个串行端口， 而潜器则完全浸入到水池中。 2 8 第四章金鱼二号参数辨识 宿主机 目标机 图4 6 ：螺旋桨推进力实验装置 f i g4 - 6 ：p r o p e l l e rt h r u s te x p e r i m e n t a ld e v i c e s 4 3 3 基于x p c 目标编写电机控制模型 在s i m u l i n k 环境下新建一模型窗口，在模型窗口中加入r s - 2 3 2b i n a r ys e n d 模块，用于发送电机转速及电机旋向数据。需要发送的数据包括下位机地址、步 计数器值发送数据 0( 步进电机1 ) 地址 1 步进电机1 方向 2步进电机1 转速 3 ( 步进电机2 ) 地址 4 步进电机2 方向 5 步进电机2 转速 表4 1 ：数据发送流程表 t a b l e4 - i ：s e n dd a t af l o w 进电机转速及方向，引入一个自建s 函数模块，用来对数据进行解释，在输入端 口面板内添加五个输入信号，分别为步进电机1 转速、方向、步进电机2 转速、 2 9 广东t 业人学丁学硕卜学位论文 方向、记数器，采用分时发送方式。程序流程如表4 1 。 在cm e xs 函数输入端口中，加入四个常数变量、一个计数器，四个常数别 量分别定义为两个电机转速及方向，计数器则实现分时发送。让计数器从0 到5 重复计数，当计算器为0 时，s 函数模块把步进电机1 的地址送给串口发送模块 r s 2 3 2s e n d ，目标机则把该数据发送给了主机，当计算数器1 时，发送步进电机 l 的旋转方向d i r o ，计数器为2 时，发送步进电机1 的速度值u 0 ，以此类推， 当计数器为3 、4 、5 、时，发送步进电机2 的地址、旋转方向d i r l 、速度值u 1 。 s 函数模块不断判断计数器的值，然后选取不同的数进行发送。模型如图4 7 所 示。 图4 7 ：电机控制模型 f i g4 - 7 ：m o t o rc o n t r o lm o d e l 4 3 4 拉力传感器及其放大电路 此实验采用儿b s - 4 型拉力传感器，量程为5 0 0 克，它具有高精度( 达0 1 ) 、 高灵敏度、温漂小、