（精密仪器及机械专业论文）基于DSP的水下机器人嵌入式控制系统设计.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g d s p - - b a s e de m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m d e s i g no f u n d e r w a t e rv e h i c l e c a n d i d a t e ：s h iw e n t a o s u p e r v i s o r ： s u ny a o a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n da c h i n e r y d a t eo fs u b m i s s i o n ： j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t ao fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：史丈橇 ，日期： 2 9 ，0 年3 月占日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圈在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：史文韬 日期：2 ，1 0 年j 月s 日 导师( 签字) ：衲毛 7 州年了月了e t i-i-i-rr-，ilii 下机器人技术得到了迅猛的发展。水下机器人的运动控制性能，是决定水下 机器人是否能良好的完成工作的重要因素。本文开发的运动控制系统就是以 水下机器人为工作载体，完成了水下机器人运动控制系统的设计。 为了赋予水下机器人智能控制和自主导航的能力，解决机器人开发过程 存在着高成本、大功耗等问题，本文应用嵌入式技术开发了水下机器人控制 系统。研究内容主要包括以下三方面： 通过对水下机器人技术和嵌入式技术的研究，设计了基于“d s p + p c i 0 4 的嵌入式运动控制系统。 通过对d s p 控制芯片原理与结构特点的学习，设计了d s p 最小相位系统、 电源模块、时钟模块、p c i 0 4 总线模块以及基于双口r a m 的高速通信接口电 路，完成了具有高速数据处理能力和高效通讯能力，及高集成度和高可靠性 的水下机器人嵌入式控制系统硬件设计。 建立了水下机器人运动坐标系和五自由度运动模型，设计了水下机器人 神经网络幂次指数趋近律滑模控制器和模糊趋近律滑模控制器，并针对深海 静水和有海流两种情况下对于水下机器人的位置控制和速度控制进行了仿真 验证。 针对深海静水和有海流两种情况对水下机器人的单纯滑膜变结构控制方 法和二次型最优化法设计的神经网络幂次指数趋近律滑模控制方法进行了对 比仿真实验，证明了本文所设计的改进滑膜控制器极大地消弱了抖振，控制 效果良好。 关键词：水下机器人；数字信号处理器；改进滑模控制 哈尔滨t 秤大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t a sh u m a ne x p l o r a t i o no ft h eo c e a n sc o n t i n u e dt od e e p e n ，b e i n ga s s i s t a n to f e x p l o i t a t i o no fo c e a n , a u vt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gf a s t t h ep e r f o r m a n c eo f a u vm o t i o nc o n t r o ld e t e r m i n e sw h e t h e ra u vc a l lc o m p l e t et h eg o o dw o r ko f i m p o r t a n tf a c t o r s t h i sp a p e rd e v e l o p e dm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi st ow o r ko na u v t oc o m p l e t et h ea u vm o t i o nc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g n i no r d e rt oa l l o wi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fa u va n da u t o n o m o u sn a v i g a t i o n c a p a b i l i t i e s t od e a l 埘t ht h ev e h i c l ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ee x i s t e n c eo f l l i g h - c o s t ，l a r g ep o w e rc o n s u m p t i o na n do t h e ri s s u e s t h i sp a p e rh a su s e d e m b e d d e dt e c h n o l o g yt od e v e l o pa u vc o n t r o ls y s t e m t h es t u d yi n c l u d e st h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： a f t e rt h es t u d yo fa u va n de m b e d d e dt e c h n o l o g y , w ep r o p o s e dad e s i g nt l l a t b a s e do n d s p + p c10 4 ”c p ue m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m ，i d e n t i f y i n gt h e s e l e c t i o no f t i st m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pe m b e d d e dc h i p s a f t e rt h es t u d yo fp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fd s pc o n t r o l l e r c h i p ，t h i sp a p e rd e s i g n e dad s p - m i n i m u mp h a s es y s t e m s ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ， c l o c km o d u l e ，p c10 4b u sm o d u l e ，a sw e l la sd u a l - p o r tr a m - b a s e dh i g h - s p e e d c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，c o m p l e t e d 诵t l lah i g h - s p e e dd a t ap r o c e s s i n ga n d e f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o n sc a p a b i l i t i e s ，i n c l u d i n gh i g hi n t e g r a t i o na n dh i g h r e l i a b i l i t yf o ra u v e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g n t i l i sp a p e re s t a b l i s h e dt h ec o o r d i n a t es y s t e ma n dt h e5 - d o fm o t i o nm o d e lo f a u v i td e s i g n e dn e u r a ln e t w o r kp o w e rl a wi n d e xo fr e a c h i n gl a ws l i d i n gm o d e c o n t r o l l e ra n df u z z yr e a c h i n gl a ws l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r t h i sa r t i c l e s i m u l a t e dp o s i t i o nc o n t r o la n ds p e e dc o n t r o lf o r t h es i t u a t i o n so ft h ed e e p s e a h y d r o s t a t i ca n dc u r r e n t s f o rd e e p s e ac u r r e n t sh y d r o s t a t i ca n dt w oc a s e so fu n d e r w a t e rr o b o t ss i m p l y s y n o v i a lv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o da n dq u a d r a t i co p t i m i z a t i o nd e s i g no f n e u r a ln e t w o r ks l i d i n g m o d ep o w e rs u b - i n d e xr e a c h i n gl a wc o n t r o lm e t h o dw e r e 广，p 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a td e s i g n e dt oi m p r o v et h i sp a p e rg r e a t l y w e a k e n e ds y n o v i a lc o n t r o l l e rc h a t t e d n g ，c o n t r o l ，g o o de f f e c t k e yw o r d s ：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 ；d i g i t a ls i g n a lp r o s s e s s o r ；s l i d i n g m o d ec o n t r o l 2 3 控制系统方案设计1 2 2 3 1 控制系统硬件方案设计”1 2 2 3 2 控制系统软件方案设计”1 8 2 4 本章小结2 5 第3 章嵌入式控制系统硬件设计2 6 3 1d s p 的选型及特点2 6 3 1 1d s p 的选型2 6 3 1 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 特点2 9 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最小系统模块设计3 l 3 2 1 电源及复位电路模块设计”3 l 3 2 2 时钟电路模块设计”3 4 3 2 3j t a g 接口模块设计3 6 3 3p c i 0 4 总线模块电路设计3 7 3 3 1p c i 0 4 简介3 7 3 3 2p c i 0 4 总线模块设计3 9 3 4 电平转换模块和双口r a m 模块设计”4 2 3 4 1 电平转换模块设计”4 3 3 4 2 双口r a m 模块设计“4 4 3 4 3 电路设计要点4 5 lri l卜 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 3 5 本章小结”4 5 第4 章水下机器人的控制算法设计4 6 4 1 水下机器人的运动模型4 6 4 1 1 坐标系的选取及机器人运动参数4 6 4 1 2 空间操纵运动方程”4 7 4 2 模型的可控正则化5 0 4 2 1a u v 的五自由度水动力模型的可控正则化5 0 4 2 2 给定运动跟踪模型的正则化5 2 4 3 水下机器人的改进滑模控制5 2 4 3 1 切换函数的设计5 2 4 3 2 神经网络幂次指数趋近律滑模控制策略一5 4 4 3 3 模糊趋近律滑模控制策略”5 7 4 4 本章小结“6 l 第5 章仿真验证与分析6 2 5 1 引言6 2 5 2 深海无流的静水环境仿真模拟”6 2 5 2 1 水下机器人的位置控制结果6 2 5 2 2 水下机器人的速度控制结果6 4 5 3 有海流状态的仿真模拟6 5 5 3 1 海流为逆流时水下机器人的位置速度控制结果6 5 5 3 2 海流流向为东南2 0 0 时水下机器人的位置速度控制结果6 6 5 3 2 控制结果分析”6 8 5 4 控制方法的对比6 9 5 4 1 深广静水下水下机器人的位置控制结果对比6 9 5 4 2 海流作用下水下机器人的位置控制结果对比7 0 5 4 3 控制结果分析7 l 5 5 本章小结7 2 结论”7 3 参考文献“7 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 9 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 i 皇置暑i 暑一 致j 射”8 0 附录”8l 源的开发殆尽，海洋资源的开发和利用对经济增长与社会发展产生着直接、 巨大的支撑作用。2 1 世纪是海洋的世纪，海洋是人类生存和发展的重要领域， 是人类向海洋进军的世纪。目前，世界各国面临的不仅是保卫自己的海域， 更为重要的是如何开发和利用海洋资源、为本国经济建设服务的问题。作为 人类探索和开发海洋的助手，水下机器人特别是智能水下机器人将在这一领 域占有及其重要的地位。 1 2 水下机器人技术概述 目前用于水下观测考察和开发的主要工具有载人潜水器和无人潜水器 ( 1 兀- i7 m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e s ) 。其中载人潜水器是我们较为熟悉的， 它又可简单分为军用潜水器和非军用潜水器( 如那些用于海底考察的潜水 器) 。目前大多数载人潜水器属于自由航行式潜水器，根据任务的不同，它有： 观察型、水下作业型、潜水员水下出入型等多种类型。世界上第一台载人潜 器叫“a r g o n a u tt h ef i r s t ，是由西蒙莱克于1 8 9 0 年制造的。从2 0 世纪6 0 年 代中期到7 0 年代中期是载人潜器发展的鼎盛时期，其技术发展得较为成熟， 此后逐渐进入低谷i lj 。 无人水下机器人，又可分为以下四类：拖曳式，遥控式水下机器人 ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ，简称r o v ，水面操作员控制) ，无人无缆式水下 机器人( u n m a n n e du n t e t h e r e dv e h i c l e ，简称u u v ，半自主式控制或预编程 控制) ，智能水下机器人( 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 ，全自主 式或智能式控制) 。 其中拖曳式潜水器被拖在母船后面，作为潜水器表面所安装的各种传感 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 器组的承载平台。r o v 是带缆航行的，通过缆来传输能源和通讯信息，而且 r o v 由遥控器直接控制。u u v 不带缆线，随身携带有能源，通过无线通信 方法将遥控器发出的控制信息下达给u u v 。a u v 则不仅自身带有能源，而 且通过主动控制完成预先设定的任务，它与u u v 的区别是其使命执行过程 中不需要与外部通信。 无人无缆水下机器人主要用于军事目的，用于完成诸如海洋传导性、温 度和压力剖面的测绘等任务。在科学研究方面，主要用作活动的水声平台， 兼作水下控制程序系统的研究。目前在工业上应用较少。斯坦福大学开发的 水下机器人o t t e r ( o c e a nt e c h n o l o g yt e s t b e df o re n g i n e e r i n gr e s e a r c h ) 的目 的是使无人、无缆水下机器人成为科学和工业界在开发海洋中常用的一种工 具。 自主式水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理 解、系统集成等技术应用于传统的载体上，在无人驾驶的情况下自主地完成 复杂海洋环境中预定任务的机器人。a u v 与母船之间则没有物理连接，它依 靠自身携带的动力以及机器的智能自主航行。与r o v 相比，a u v 具有活动 范围大、潜水深度大、无脐带纠缠、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支 持系统、占用甲板小、运行和维修费用低等优点。a u v 是一种理想的测量仪 器平台，由于噪声辐射小，可以贴近要观测的对象( 如以设定高度进行海底地 形跟踪) ，因而可以获取采用常规手段不能获取的高质量数据和图像。加之造 价低、隐蔽性好、安全性高( 无人) ，使a u v 正逐步成为海洋观察和探测的重 要手段。依据俄罗斯科学家b c 亚斯特列鲍夫等人所著的水下机器人一 书，第3 代( 智能) 水下机器人是一种具有人工智能的系统，具有很高的自主 能力、记忆能力和学习能力，自主适应外界环境的变化。操作人员只需下达 使命给机器人，与战术甚至与战略有关的任务，都由水下机器人自主完成。 智能水下机器人代表了水下机器人技术目前发展的方向。 a u v 作为一个基本载体，在更新各种机载设备和工具以后，将具有更加 广阔的应用前景。在海底资源的开采中，a u v 可以进行设备的维护和修理， 运送必要的器材和现场地监视和测量；在海洋石油平台建设中，a u v 可以进 行导管架检查、管道检查及维护；在海洋学研究中，a u v 可以用来进行海洋 学的各种测量，比如海底火山活动的观察、监视、布放和仪器回收，进行海 2 h k 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 底采样以及各种生物学、水文学的研究等等。由于a u v 体积小、重量轻、 活动范围广、噪音低等特点，可用于侦察对方水下设施，监听对方潜艇；还 可以用于反水雷，配合反潜训练，防险救生等军事活动。纵观现代a u v 技 术的发展，将来可能向下面4 个发展方向：向远程发展；向深海发展：向功 能更强大的方向发展；向全海深技术发展【2 1 。 1 3 嵌入式系统发展综述 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减、适 应于应用系统、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统，它将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是 系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式，具有软件 代码小，高度自动化，响应速度快等特点。 根据国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 的定义【2 1 ，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( d e v i c e su s e dc o n t r o l ，m o n i t o r ， o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。一般而言，整个嵌 入式系统的体系结构可以分成四个部分例：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件，如图1 1 所示。 、 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 嵌入式处理器嵌入式外围设备 嵌入式硬件平台 图1 1 嵌入式系统的组成 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 纵观嵌入式技术的发展，大致经历了以下3 个阶段【4 叫： 第1 阶段是嵌入式技术的早期阶段，以功能简单的专用计算机或单片机 为核心的可编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。这种 系统大部分应用于各种工业控制和飞机、导弹等武器装备中，早期系统中一 般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束 后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处 理效率较低，存储容量小，几乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。 第2 阶段是以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一 阶段系统的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式，如 p o w e r p c 等，各种商用嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，嵌入式操 作系统能运行于各种不同的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效 率高，并具备高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多 任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具备大量的应用程序接口 ( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第3 阶段是以芯片技术和i n t e m e t 技术为标志的嵌入式系统。微电子技 术发展迅速，s o c ( 片上系统) 使嵌入式系统越来越小，功能却越来越强。 目前大多数嵌入式还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与工业控制技术等结合日益密切，嵌入式技术与i n t e m e t 技术的结合将 推动嵌入式技术的快速发展。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式 市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可 以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势i 纠j ： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供 嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件支持包。 ( 2 ) 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高而日益 提高，使得以往单一功能的设备如：电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再 单一、结构更加复杂。 ( 3 ) 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要 求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不 足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口。软件方面，系统内核 4 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入w e b 浏览器，真正实现随时随地用各 种设备上网 ( 4 ) 精简系统内核、算法、降低功耗和软硬件成本。未来嵌入式产品是 软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内 核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功 能。因此，软件开发人员既要有丰富的硬件知识，又需要掌握先进嵌入式软 件技术。 ( 5 ) 提供友好的多媒体人机界面。嵌入式设备能与用户亲密接触，最重 要的因素就是它能提供非常友好的用户界面、图形界面和灵活的控制方式， 使得人们感觉嵌入式设备就像是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入 式软件设计者要在图形界面、多媒体技术上多下工夫。手写文字输入、语音 拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。 嵌入式控制系统的发展成熟，尤其是d s p 嵌入式芯片已经发展成熟，所 以，本设计采用d s p 作为控制系统的主要控制芯片。 d s p 的发展大致分为3 个阶段【l o j ：2 0 世纪7 0 年代理论先行，8 0 年代产 品普及，9 0 年代突飞猛进。在d s p 出现之前，数字信号处理只能依靠m p u ( 微处理器) 来完成，但m p u 较低的处理速度无法满足高速实时的要求。 直到2 0 世纪7 0 年代，才有人提出了d s p 的理论和算法基础。那时的d s p 仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的d s p 系统也是由分立元件组成的， 其应用领域仅局限在军事及航空航天部门。 随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。 这种d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算 速度却比m p u 快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 d s p 芯片的问世标志着嵌入式应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。 随着c m o s 技术的进步与发展，第2 代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而 生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的 基础。2 0 世纪8 0 年代后期，第3 代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高， 其应用范围逐步扩大到通信和计算机领域。 2 0 世纪9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第4 代和第5 代d s p 器件。 现在的d s p 属于第5 代产品，与第4 代相比，系统集成度更高，将d s p 内 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的d s p 芯片不仅在通 信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们的日常消费领域。经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面， 并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。目前，对d s p 爆炸性需求的时代 已经来临，前景十分可观。 1 4 课题研究意义及主要内容 水下机器人技术是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的。早期的水下 机器人采用数控技术，发展一直很缓慢，随着智能理论和微处理器的出现， 水下机器人才逐渐成为研究的热点。特别是近年来，由于嵌入式系统的高速 发展，水下机器人技术获得了更大的发展机遇。所以，将嵌入式系统应用于 水下机器人系统，对自主式水下机器人的发展具有极其重要的推动作用。 通过本课题全面深入的研究与分析，提供一套符合开放式数控系统要求 的，采用基于d s p 嵌入式控制芯片和p c i 0 4 总线技术的嵌入式控制系统的方 案，为整个控制系统提供更加准确更加快捷的控制，解决小型以及便携式设 备脱离普通p c 在数控领域的应用。为嵌入式系统的研究与发展提供有价值 的参考和借鉴。 本课题主要内容如下： 通过对目前水下机器人的发展历程和现状进行分析，找出更加符合当今 水下机器人发展方向的嵌入式控制方法。 详细研究水下机器人的硬件结构，并通过对其的分析，合理的安排嵌入 式控制系统的硬件结构。 深入的学习d s p 嵌入式控制芯片的原理及硬件结构，并且对d s p 芯片 进行最合理的选型，熟练并掌握利用c 语言对其的编程方法，在其上实现对 水下机器人的控制。 了解并掌握p c i 0 4 总线的硬件结构，并且能对其编程，作为辅助d s p 芯片的模块，对嵌入式控制系统进行更加合理的优化，使嵌入式控制系统更 加完整。 通过对课题的深入认识，对嵌入式控制系统硬件接口电路进行合理的设 计，使控制系统满足设计要求和目的。 6 哈尔滨t 程火学硕十学何论文 通过对控制算法的比较，对水下机器人控制系统选择合适的控制算法， 并对所做水下机器人运动控制系统进行仿真验证，通过仿真结果不断改良调 整各种程序和数据。 总结整个学习，研究，设计过程中的得失，总结经验教训，并且通过这 次嵌入式控制系统在水下机器人方面的应用，展望嵌入式控制系统在控制领 域的发展趋势。 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 自主式水下机器人控制系统一般结构 a u v 的控制主要是指对水下载体的控制。一般预编程a u v 载体控制系 统由四个主要部分组成【，即：中央控制系统、运动控制系统、测量系统和 导航定位系统，如图2 1 所示。这四个系统功能大体上包括了水下执行使命 阶段的主要功能。信息测量系统包括a u v 内部状态信息测量和外部参数信 息测量。导航定位系统包括独立导航系统和非独立导航系统。在一些a u v 中还有通讯系统，使操作者能建立与a u v 的联系。 图2 1 自治水下机器人控制系统 2 2 水下机器人运动控制系统控制模式 水下机器人的航行控制是自治水下机器人的底层控制的主要内容，航行 控制的主要参数是深度( 从海面到水下机器人中心的垂直距离) 、高度( 从海 底到水下机器人中心的垂直距离) 、航行速度、航向角( 水下机器人艏向性对 于地理北的夹角) 和位置等。在大多数水下机器人中，为了获得良好的控制 性能，又不使问题复杂化，对这些参数采用单回路闭环控制，不考虑各自由 度之间的耦合。 在不同的水下机器人中，需要实现闭环控制的回路的数量是不一样的， 8 哈尔滨t 稗人学硕十学位论文 一般来说，深度回路、高度回路和航向角回路需要闭环控制，这些闭环回路 有时简称自动定深、自动定高和自动定向，这三个回路是大多数水下机器人 都需要具备的。此外，还有距离( 指水下机器人相对目标的距离) 闭环回路 ( 简称自动定距) 和位置闭环回路( 简称自动定位) ，他们对某些水下机器人 也是需要的【。 1 、自动定深和自动定高 自动定深和自动定高回路在结构上是完全相同的，所不同之处只在于传 感器，如以深度计作反馈元件，就成为自动定深回路，若以高度计构成反馈 回路就是自动定高回路，两种回路不同时使用。不同的水下机器人的自动定 深回路的结构是不同的。如图2 2 所示，是一种情况下的自动定深定高回路 控制方框图。 图2 2 垂直控制方框图 图中口为深度输入，d d 为深度输出，k 8 为纵倾角速率反馈的增益系数， 为倾斜仪输出的纵倾角增益系数。 图中采用了典型的p i d 调节器作为闭环系统的控制器。根据图2 - 2 ： = k p ( d - d o ) + 厂k i ( d l - d o ) d t + k d 磊d ( d , - d o ) + k 0 8 + k d 白 式中，砟、k 、蚝是调节器的系数。 差信号的大小切换积分系数的取值。 k 。= 鬈2 ：爱 9 ( 2 1 ) 为了兼顾快速和精度，可根据误 d o is 0 5 m d ：i 0 s i n ( 2 2 ) 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 在大误差信号状态( 当深度误差大于0 5 m 时) 去掉积分环节，这有利于 提高系统的快速性：当误差信号小于0 5 m 时，引入积分可以提高系统的精度。 如果位置反馈元件换成高度计，上述回路即为自动定高回路。由于两种 回路传递函数的增益系数不同，因而需要适当的改变校正环节参数。 在某些稳心高的较大的水下机器人中，因为存在着较大的扶正力矩，一 般不会产生大的倾角。在这种情况下可以去掉纵倾角和纵倾角速度反馈，而 直接由深度计或高度计闭环。这时定深系统的结构如图2 3 所示。 口 图2 3 自动定深( 定高) 控制方框图 2 、自动定向 自动定向回路的功能是使水下机器人自动保持给定的航向角。自动定向 回路的结构如图2 4 所示，其回路结构类似于自动定深。在航向控制回路中 引入了内环反馈，即角速度反馈，实践表明角速度反馈在改善系统的闭环控 制性能方面十分有效。 图2 4 自动定向控制方框图 图中：m z 。= k p ( l ，一巾。) + k i ，i l ， ( 2 - 3 ) 3 、速度控制 水下机器人中常用的测速元件是计程仪。计程仪有两种，即涡轮式计程 仪和多普勒计程仪。航行速度控制回路是以计程仪作为反馈传感器从而实现 航行速度闭环的控制回路的。涡轮式计程仪主要适用于海流很小的场合，如 l o 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 深海和洋底，它给出的是水下机器人载体相对于海水的运动速度。在海流较 大的场合，用涡轮式计程仪作反馈元件而实现的速度闭环是机器人相对于海 流速度的闭环，并不是机器人相对于海底的闭环。涡轮式计程仪的缺点是精 度低、死区较大。 用多普勒声学测速原理可以获得水下机器人相对于海底或流层的速度， 对速度积分后就可以得到行程，这就是多普勒计程仪的基本原理。多普勒计 程仪测速精度要高于涡轮式计程仪。速度闭环控制回路的结构如图2 5 所示。 构成航行速度闭环后可以较为精确地控制水下机器人在海底的航行速度。 图2 5 速度控制方框图 4 、定位控制 水下机器人精确地进入某个平面位置并保持该位置称为定位控制，有时 亦称为动力定位。这里所说的定位是指在水平面内两维闭环和自动定向，即 在惯性坐标系中保持亏、t 1 和、i ，不变，如图2 6 所示。 善 f 、 少 叩7 - 8 i s x r s 上电次序掉电次序 图3 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上电掉电次序时序 掉电过程中，在内核电压降低到1 5 v 之前，处理器的复位引脚必须插入 最4 , 8 弘s 的低电平。这样有助于i 0 掉电之前，片上的f l a s h 逻辑处于复位状 态。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 供电原理图如图3 5 所示。 r 春s i 蚀r - o o - _ 言s w 警毡业 r _ _ 1【y v o c 知 产 图3 5t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 供电原理图 3 3 哈尔滨丁稗人学硕+ 学何论文 3 2 2 时钟电路模块设计 在d s p 系统中，时钟电路是处理数字信息的基础，同时它也是产生电 磁辐射的主要来源，其性能好坏直接影响到系统是否正常运行，所以时钟电 路在数字系统设计中占有至关重要的地位。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 处理器内部集成了振荡器、锁相环及工作模式选择等 控制电路。振荡器、锁相环主要为处理器c p u 及相关外设提供可编程的时钟， 每个外设的时钟都可以通过相应的寄存器进行编程设置。 锁相环是一种控制晶振使其相对于参考信号保持恒定相位的电路，在数 字通信系统中使用比较广泛。目前微处理器或d s p 集成的片上锁相环，主要 作用则是通过软件实时的配置片上外设时钟，提高系统的灵活性和可靠性。 此外，由于采用软件可编程锁相环，所涉及的系统处理器外部允许较低的工 作频率，而片内经过锁相环微处理器提供较高的系统时钟。这种设计可以有 效地降低系统对外部时钟的依赖和电磁干扰，提高系统启动和运行的可靠性， 降低系统对硬件的设计要求。 时钟电路设计遵守以下几点原则p 副： 1 ) 当系统要求多个不同频率的时钟信号时，首先应选可编程时钟芯片， 这样有利于信号的同步。 2 ) 当系统要求单一时钟信号时，应该选择晶体时钟电路。 3 ) 当系统要求多个同频时钟信号时，可选择有源的晶振作为时钟电路。 4 ) 应该尽量使用d s p 片内的p l l ，降低片外时钟频率，提高系统的稳 定性。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的片上品振和锁相环模块为内核及外设时钟信号， 并且控制器件的低功耗工作模式。片上晶振模块允许两种方式为器件提供时 钟信号，即采用无源晶体或有源晶振。 有源晶振不需要d s p 的内部振荡器，将外部时钟源直接输入d s p 芯片 内部。他的优点是信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单( 主要是 做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的p i 型滤波网络，输出端用一 个小阻值的电阻过滤信号即可) ，不需要复杂的配置电路。具体设计方法是4 脚加上5 v 电压，2 脚接地，1 脚悬空，就可在3 脚得到所需要的时钟。如图 3 4 需要精确匹配外围电路( 用于信号匹配的电容、电感、电阻等) ，更换不同频 率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。无源晶体时钟电路如图3 7 所 不o p 2 4 p f 图3 7 无源晶体时钟电路 如图所示，在d s p x l x c l k i n 引脚和x 2 引脚间加入一个石英晶振，我 们这里选用3 0 m h z 的晶体，经过软件设计p l l 系数，5 倍频即可得到 t m s 3 2 0 f 2 812 时钟频率15 0 m h z 。电路中两个2 4 p f 的电容起到滤波的作用。 3 5 3 2 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 称为连接测试组接i ：l 。它是1 9 8 5 年制定 的检测p c b 和i c 芯片的一个标准，1 9 9 0 年被修改后成为i e e e 的一个标准， 即i e e e l 4 4 9 1 9 9 0 1 3 6 1 。j t a g 接口用于连接最小系统板和仿真器，实现仿真 器对d s p 的访问，j t a g 接口的连接需要和仿真器上的接口一致。通过这个 标准，可对具有j t a g 接口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。在便 捷扫描技术已出现近2 0 年的今天，该技术标准已经具有良好的信誉，并得到 广泛的认可。j t a g 仿真信号线采用1 4 线仿真头，如图3 8 所示。 垒鉴! 塑 l2 1 坚塑 三i l n 。 3 1 ：鱼型q 差瓣耋 t d o 二： g n d 匹鉴堕! ；l ；!堑登呈 t c k ：二 g n d e m u o ： e m u i 图3 9 小于6 英寸的j t a g 连接电路图 如 示的电路连接方法。 v c c 一厶一 ii 霉00 。k ，【】4 k 7 】4 k 7 i i1 3 j 1 4 2 l 3 v o c u n u 图3 1 0 大于6 英寸的j t a g 连接电路图 其中必须在t m s 引脚、t d i 引脚、t d o 引脚、t c k r e t 引脚上加上驱 动。 本设计的d s p 与仿真器之间的连接电缆不会超过6 英寸，所以采取图 3 8 所示j t a g 电路连接方法。 3 3p c i 0 4 总线模块电路设计 3 3 1p c i 0 4 简介 p c i 0 4 是一种工业计算机总线标准训。提到p c i 0 4 ，我们就必须提及著 名的i s a 总线，因为这二者之间有着天然的联系。 1 9 8 1 年，美国i b m 公司制造出了世界上第一台个人计算机_ p c 机， 与此同时，i b m 提出了p c 总线( p c ) ( t 总线) ，这是一种8 位总线。1 9 8 4 年，提出p c a t 总线，这是一种1 6 位总线。而为了开发与i b mp c 兼容的 外围设备，行业内便逐渐确立了以i b mp c 总线规范为基础的i s a ( 工业标 准架构：i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线。1 9 8 7 年i e e e 正式制订了i s a 总线标准。 3 7 印 一 d 一 哈尔滨丁柙火学硕十学何论文 p c i 0 4 是i s a ( i e e e 9 9 6 ) 标准【3 9