（电子科学与技术专业论文）潜水器姿态与定深控制关键技术研究.pdf

英文摘要 a bs t r a c t t h e r ea r eal a r g en u m b e ro ft h ep o r tc h a n n e l si no u rc o u n t r y , a n dt h ef a i r w a y s i l t a t i o np h e n o m e n o ni sc o m m o n i nt h i sp a p e rt h em a i ns b j u e c ti n v e s t i g a t e di sal ( i i l do f a u vw i t hh y d r o g r a p h i cf e a t u r e sw h i c hi su s e dt om o n i t o rt h ed e p t ho ft h ep o r tc h a n n e l i nr e a l t i m e i no r d e rt oi n c r e a s et h ea u vc o n t r o lp e r f o r m a n c ef o ra c c o m p l i s h i n gt h e m e a s u r i n gm i s s i o ni nas u p e r i o rw a y , t h ev e r t i c a lm o t i o nc o n t r o lo fa u v 一e 印- s e t c o n t r o la n dp i t e l lc o n t r o li ss t u d i e dc h i e f l y f i r s to fa l l ，b a s e do na u vm o v e m e n td y n a m i c sa n a l y s i s ，i n t r o d u c e dt h ea u v s t r u c t u r ea n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ea u vi ti sc o m p o s e do fd s p p r o c e s s o r 、 s i n g l ef r e q u e n c yd e p t hs o u n d e r 、a r r i t u d ec o r r e c t i o ni n s t r u m e n t 、p r e s s u r et r a n s d u c e r s a n ds o m eo t h e rr e l a t e dd e v i c e s u s i n gt h e s et a n s d u c e r sw ec a ng e tt l l ec u r r e n ts t a t eo f m o t i o no fa u v , w i t ht h ef u z z y _ _ p i dc o n t r o la l g o r i t h mt h ed e p t hl i n ea n dt h ep o s t u r ec a n b ec o n t r o l l e dw h e nt h ea u vi ss a i l i n g ，s oi ti se n s u r et h a ta u vs a i ls m o o t hi nt h ep r e s e t d e p t h a tt h es a m et i m et h es u r v e y i n gd a t a sw a ss e n d e dt ot h er e m o t ec o n t r o lc e n t e r , s o i ti sc o m p l e t e dt h et a s ko f m e a s u r i n gw a t e rd e p t hi nt h ep o r tc h a n n e l a u vi sat y p i c a ls y s t e mw h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yh i g hn o n l i n e a r i t i e s ，c o u p l i n g s a n du n c e r t a i n t i e s t oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ef o rc o m p l e xs y s t e m s ，t h em a i n s c o p eo ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h er e s e a r c ho ff u z z yp i dc o n t r o lw h i c hc o m b i n e s t h ea d v a n t a g e so ft h eb o t h b a s e do nt h ec u r r e n ts y s t e mr e s p o n dt od e v i a t ef r o mt h e g i v e ns i t u a t i o na n dt r e n d ，t h ef u z z yp i dc a na p p r o p r i a t ei n c r e a s e so rd e c r e a s e st h e c o n t r o le f f o r t st or e d u c et h es y s t e me r r o ra n dt om a k et h eo u t p u to ft h es y s t e mt oa g i v e nv a l u et h r o u g ha d j u s t i n gt h ep r o p o r t i o nc o e f f i c i e n t , i n t e g r a lc o e f f i c i e n ta n d d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n to ft h ep i dc o n t r o l l e ro nl i n e as i m u l a t i o no ft y p i c a ls y s t e mi s r e a l i z e ds u c c e s s f u l l yw i t hc o m p u t e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ec o n t r o l l e r h a si m p r o v e dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec o m p a r i s o no ft h i s s c h e m ew i t ht r a d i t i o n a lp i dc o n t r o ld e m o n s t r a t e st h a tt h i ss c h e m er e d u c e dt h e o v e r s h o o ta n dt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ya n d i m p r o v e dt h es t a b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d ：a u v ) s o u n d i n gs u r v e y ；f u z z yc o n t r o l ：p i dc o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：鲎丕墨壅查皇定瀣整剑羞毽煎苤塑究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：肖金鹏 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密酉( 请在以上方框内打“，) 论文作者躲轮嗨导师躲首云哆 日期：尹o 日 j 。 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 第1 章绪论 1 1 引言 近年来随着航运事业的日渐繁荣，船舶的数量和吨位也日渐增大，对港口、 码头、锚地和航道的水深要求也就越来越高。同时，由于泥沙在水流作用下在港 口、航道内不断淤积，使得原有的通航水域不能继续满足通航要求，目前这种港 口航道淤积现象在世界范围内普遍存在，它直接影响航行安全和航运效益， 人们针对航道淤积的问题，开展了多种泥沙预报理论和现场测量技术的研 究。 如果我们能对某港口航道淤积程度进行实时监测，就能够从根本上掌握 泥沙流和水深变化动向规律，依据此，人们就可以及时的改善航道淤积情况。 从而有效避免因船舶装载量过少造成的经济上的损失，也可避免装载量过多 导致的船舶搁浅等问题的发生，这对港口的进一步发展也具有重要的意义。 1 2 目前常用港口航道水深测量技术 2 0 0 0 2 0 0 2 年美国太平洋工程公司和美国海军研究与发展中心联合在w i l l a p a b a y ( w a s h i n g t o n ) 开展港口航道监测与泥沙沉积预报研究，法国u n i v e r s i t yo f p a t r a s 和挪威n o r w e g i a ng e o t e c h n i c a li n s t i t u t e 以及澳大利亚的e m c 国际公司 等都先后开展过相关研究，他们结合航道特点对航道安全进行监测，而且还推出 了泥沙淤积数值预报模型，也得到一定的应用。到目前为止，主要有两类航道监 测方法。其一是船载设备法，也就是利用船载声纳设备( 多波束、侧扫声纳等) 进行现场观测，记录原始数据，这种方法要求测量船反复不断的在航道上进行测 量，才能动态监视淤积变化情况，这对于航道狭长，淤积变化快的港口具有局限 性；其二是数值预报法，这种方法是基于已有的多年积累的泥沙淤积的数据，结 合潮汐、气象、海流、流体力学、水动力学等多门学科的基本理论建立数学模型， 据此预测泥沙淤积规律，指导航道运行以及船舶货运重量。但是这些预报方法都 需要结合具体的港口情况进行研究。目前，在我国主要采取船载设备法1 1 1 | 2 1 。 1 3 水下自治式机器人的发展应用及研究现状 地球上7 1 的面积是由海洋所覆盖，海洋对人类的发展和社会的进步将起到至 关重要的作用，是未来人类赖以生存的资源，而水下机器人作为一种高科技手段 绪论 在海洋开发和利用领域正发挥着越来越重要的作用。当前水下机器人的种类很多， 其中最重要的三种潜水器是载人潜艇、有缆潜水器( r0v ) 、自治式水下机器人。 这些水下机器人作为水下观测考察和开发的主要工具，对海洋资源的开发和利用 及其伴随的经济增长的推动作用越来越明显3 1 。 结合本课题研究的重点，在本文只对自治式水下机器人的研究开发现状和发 展趋势作一综述。自治式水下机器人( auv ：a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c i e s ) 或者称智能水下潜航器，这类机器人携带动力能源，凭借自身的自治能力来控制 和管理自己，以完成赋予它的使命。在自治水下机器人技术研究方面，美国、加 拿大、英国、法国、德国、意大利、俄罗斯、日本等国处于领先地位。其中著名 的研究院所有：美国麻省理工学院的s e ag r a n t sa u v 实验室“1 酗1 、美国海军研 究生院( n a v a lp o s t g r a n d u a t es c h 0 0 1 ) 的智能水下运载器研究中心、美国佛罗 里达大西洋大学的高级海洋系统实验室( a d v a n c e dm a r i n es y s t e m sl a b o r a t o r y ) 、 英国的海事技术中心( m a r i n et e c h n o l o g yc e n t e r ) 、日本东京大学1 的机器人 应用实验室( u n d e r w a t e rr o b o t i e sa p p l i c a t i o nl a b o r a t o r y ( u r a ) ) 等。 无缆自治式水下潜航器的历史可以追溯到1 8 0 0 年n 1 。当时出现的著名的“白 头鱼雷 可以看作是它的先驱。5 0 年代末期，美国华盛顿大学开始建造第一艘无 缆水下机器人，它在水文测量方面取得了一些成绩，但后来由于技术上的原因自 治水下机器人在低水平上徘徊了多年，7 0 年代中期由于微电子技术、计算机技术、 人工智能技术、导航技术的飞速发展，人们又对自治水下机器人发生了浓厚的兴 趣，现在它已经成为当今世界海洋工程领域的一个研究热点，全世界现有a u v s 总 数约7 0 艘“1 ，下面的图片中展示了部分著名的水下自治机器人。其中图1 1 海神 号机器人为美国伍兹霍尔海洋研究所研制，它的目标是拜访太平洋1 1 0 0 0 米的“挑 战者深渊 ；东京大学开发的r 2 d 4 海洋探测机器人依靠海底对机器人发出的声波 反射分析海底地形，在印度洋海底发现了世界最大的熔岩平原。这种机器人能自 行躲避障碍，并拍摄高精确度的图像。 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 圈11 美国“海神号”机器人潜艇 图1 2 麻省理工学院水下机器人o d y s s e y i i f i g 11usp o s e i d o ns u b m a r i n e f 镕1 2 m a s s a c h u s e t t s i n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y o d y s s e y i i 图i3 东京大学r 2 d 4 海洋探测机器人 f i g1 3 t o k y o r 2 1 m m a r i n ee x p l o r a t i o nr o b o t 图1 4 加拿大的r a y 号水f 机器人 f i g1 4 c a n a d a “r a y u a n d e r w a t c rr o b o t s 1 9 9 3 年美国研制成功一种自治式深海探测器( a b e ) “1 ，是由一艘水面工作船 引导下潜到调查区的探测器。它可根据事先制定的周期性工作计划，对调查区内 一系列预先指定的地点走航，摄取视频图像或做其它项目测量。 圈1 5 “a b e 深海探测器 f i g1 5 a b e d e e p - s e a d e t e c t o r s - 3 一 在我国，水下机器人在海洋勘探、海洋工程、水下救助以及水下检测等方面 的研究应用从没有停止过，也产生了较好的经济效益和社会效益。我国“8 6 3 ”计 划对a u v 的发展给予了长期支持，国内许多单位如中科院沈阳自动化所、啥尔滨 工程大学、7 1 0 所、西北工业大学、上海交通大学等都对a u v 进行了长期的研究， 并研制了水下机器人实验平台，其中主要水下机器人系统有：国内撮早进行水下 机器人研究的中科院沈阳自动化所研制的“探索者”号“”无缆水下机器人，1 9 9 4 年完成海试，工作水深达1 0 0 0 米，中科院沈阳自动化研究所还对“c r - 0 1 ”号1 和“c r - 0 2 ”号水下机器人“2 1 进行了水下6 0 0 0 米试验，开创了我国水下机器人 研究的新纪元；“十五”期间，7 0 2 所等有关部门承担国家“8 6 3 ”计划自动化领域 的重点项目“7 0 0 0 m 载人深潜器”，争取在2 0 0 5 2 0 1 0 年前研制出能够在深海大洋 底进行多项作业的包括多种资源取样，声学和光学探测、海洋环境要素搠懂的载 人深潜器。到那时，我国地球科学调查研究将进入真正的“上天、入地、下海、 登极”的海、陆、空立体式探测系统。 目is 我国 c r _ o i ”号水下机器人 f i g1 5 c h i n a “c r - 0 1 t m d e r w a t e * r o b o t s 削1 6 “cr 一0 2 ”号水下机器人 r i g1 6 o r - 0 2 ”t m d e l 、；v a t e rr o b o t s 此外还有船舶工业总公司7 1 0 所开发的h d 系列水下机器人1 1 3 1 是一种适合 在各种水域，尤其是在大深度高海流环境中使用的水下机器人。它能进行多方向 自由运动，可配有近、中距离声纳和电视、高精度水下大地定位系统、多种水下 作业机械手。主要是进行商业用途，具有一定的统一性；西北工业大学小型智能 水下航行器“”，具有一定的自主操控性能。此外，我国的预编程a u v 技术已经 走在国际的前列。从整体上来讲，a o v 正在由研究开发阶段开始走向应用阶段。 a u v 可以作为一种较理想的测量仪器平台，由于噪声辐射小，活动范围大、 潜水深度深、又不会涉及到生命安全问题、可以贴近要观测到对象( 如可咀接近 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 沉船或是以一定深度跟踪海底地形进行水文测量等) 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。对a u v 的开发研究将具有无限广阔的前景。 总的来说，随着关键技术的日趋成熟，a u v 的应用前景将十分广阔，新的应 用领域会不断涌现，也会吸引越来越多的研究者参与auv 的开发 1 , 5 - 1 8 1 0 1 4 课题来源和论文主要内容 针对特定港口航道及河道水域特点，为实现对航道实施定期或不定期勘测， 保障这些水域的船舶作业安全，结合当前国内外研究现状，并对港口水文地理环 境进行实际考察之后，本系统提出了一种较便捷的监测技术方案：设计一个小型 无人无缆自治式潜水器，它融合了水下自动航行控制技术、避碰技术、导航定位 技术、定水深航行精确控制技术、多波束水深测量技术、姿态校正技术等，实现 港口航道的水深适时监测。该自治式潜水器在水下定深航行，依靠其自身的控制 能力自主航行，对整个航道泥沙淤积情况进行跟踪测量，并将得到的水文测量数 据通过水声通信系统实时发送到上层控制中心。 图1 7 潜水器系统示意图 f i g 1 7a u vs y s t e md i a g r a m 图1 7 中显示了整个潜水器的功能结构框图及其重要的外围设备。图1 8 所 示为我们所设计的潜水器在海边码头实验时所拍摄的现场实物图。本文主要研究 设计了潜水器内部水深测量模块和底层姿态与定深控制模块。系统的硬件设计是 潜水器姿态与定深控制的硬件控制系统 船与轮机工程学会( s n a m e ) 术语公报的体系，建立两个坐标系，一个是固定坐标 系e 一亏q ，坐标原点选大地上一定点，其中e 毛轴指向正北方向，er i 轴指向正 东方向，e 轴垂直指向地心；一个是运动坐标系o - x y z ，坐标原点定于潜艇上， 随潜艇一起运动，其中o _ x 轴指向船艏方向，o _ y 轴指向右舷方向，沪z 轴垂直指 向舱底。各坐标系按右手系确定。潜艇的运动就转化成运动坐标系相对于固定坐 标系的变化。潜艇垂直面内的运动可简化分为平移运动和旋转运动。平移运动就 是实现潜水器的上浮、下潜。潜水器绕0 - x 轴旋转就是横倾运动，旋转的角度r o l l 即为横倾角度；绕o _ y 轴旋转就是纵倾或称为俯仰运动，旋转的角度p i t c h 即为 俯仰角度。知道了潜艇下潜的深度、横倾角度和纵倾角度这三个参数信息，我们 就能完全掌握潜水器在垂直面内的运动情况，从而使我们的姿态与定深控制有了 可衡量其性能的尺度。 虽然目前有许多关于潜艇的运动模型，但是潜艇的运动系统是一个严重滞后、 惯性大、非线性、具有参数时变特性以及运动环境干扰复杂的系统，很难用一个 精确的数学模型来描述，即便是现在世界上普遍采用的六自由度运动方程也与实 际的运动存在一定的差异，再加上我们设备条件的限制，无法有效的测量我们所 设计的潜水器在水下运动的水动力系数，所以仅根据上述三个参量下潜深度、 横倾纵倾角度提供的信息，我们将完全从控制的角度出发，对潜水器的运动偏差 从外部进行纠正和补偿，从而使潜水器能够维持较平稳的姿态以一定深度航行。 ( 垂向) z 毛( 北向) x u ( 横滚) 图2 1 潜水器空间运动示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a 铲a mo f 也es p a c em o v e m e n to f a u v 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 2 2 潜水器主要系统模块与功能 水下潜水器内部控制功能主要由以下几部分构成：( 1 ) 通信控制模块( 2 ) 自 动航行模块( 3 ) 避碰模块( 4 ) 姿态与定深控制模块( 5 ) 环境监测控制模块。图 2 2 显示了整个控制系统的构成框图。 图2 2 潜水器控制系统构成框图 f i g 2 2c o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a mo f a u v 现将各功能模块简要介绍如下： ( 1 ) 通信模块：主要有两个功能，一是接收上层远程控制平台下达的航行区 域、航行深度、测量任务等信息；二是收集潜水器各功能模块的运行状态以及各 传感器数据，将这些信息及时反馈给远程操作终端。当涌浪对潜水器影响较小时， 采用v h f 无线通信模块实现潜水器与远程控制系统的通信，而当潜水器受涌浪影 响较大时，无线通信模块将失效，此时启动水声通信系统，从而实现潜水器与远 程控制系统的无中断通信。 ( 2 ) 自动航行模块：在无人操纵的情况下，此模块通过相关控制算法实现潜 水器朝着预订航线的自主航行。 ( 3 ) 避碰模块：在航行过程中如果遇到障碍物，避碰系统会将规避策略传递 给自动航行系统，使其重新规划路径，绕开障碍物航行，保障潜水器安全。 ( 4 ) 姿态与定深控制模块：主要实现潜水器姿态控制以及定深度航行控制， 潜永器姿态与定深控制的硬件控制系统 确保潜水器能在一定深度下平稳航行。潜水嚣在水下运动时，为了保持艇内设备 的工作条件或使用条件，要求潜艇保持一定的航深及姿态，但在复杂的波浪力以 及各种变化的海况影响下，潜艇的运动状态发生改变。在高海况下这种改变更是 剧烈，所以潜水器的姿态与定深控制一直是潜艇操纵性研究中的重点和难点，这 也是本论文研究的重点，在下面的章节中将陆续详细介绍。 ( 5 ) 环境监测控制模块：监铡艇内环境如温度、湿度、气压、氢气浓度等以 及各设备的正常运转情况，确保潜水器运动过程中的安全性，一旦出现危险，采 取紧急措施。 将上述功能模块以最优的方式融合起来，组成水下潜航测量艇的控制体系。 图2 3 中即为潜水器主处理器控制盒实物图。潜水器能够实现方位、角度、姿态、 深度等多传感器信息的采集以及实时监控潜航艇状态，在一定程度上能适应水下 环境的不确定性、非线性以及大量干扰的存在。 图2 3 潜水器主处理嚣控制盘实物图 f i g2 3 a u v m a i n p r o c e s s o r c o n o l b o x p h y s i c a l m a p 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 2 3 姿态与定深控制系统硬件结构设计 2 3 1 微控制器选择 微控制器是潜水器姿态与定深控制的核心，一切任务的分配、执行、信息的 采集、数据的加工处理以及更为重要的通信和控制的命令都要由微控制器统一调 度安排，对其性能的要求至关重要，它也将决定了潜水器姿态与定深控制系统性 能的好坏。 综合考虑硬件的运算速度、数据处理能力、有关的i 0 接口要求、可扩展的 外围存储空间以及满足系统要求的监测与控制任务，我们选用t i 公司生产的 t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3d s p 作为主控制器嘲踟。 t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3d s p 为高性能3 2 位浮点d s p ，主频可高达3 0 0 m h z ( 实际使用中 配置为2 2 5 删z ) ，处理速度高达2 4 0 0 m i p s 1 8 0 0 m f l o p s ，实现高速运算和大容量存 储。t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3 采用了2 级c a c h e 结构，片上共有2 6 4 k x 8 位存储器，其中4 k 8 位l i pc a c h e 、4 k x 8 位l i dc a c h e 、2 5 6 k 8 位l 2l c a c h e 。并有丰富的 片上外设资源，其中包括2 个m c a s p 、2 个m c b s p 、2 组i i c 总线、1 组1 6 个g p i o 、 2 个3 2 位通用定时器、1 个1 6 位主机接口h p i 。此外，t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3 还有3 2 位 的e m i f 总线，有4 个空间，每个存储空间可寻址范围2 5 6 m 字节，时钟可由外部 引脚输入或是内部时钟提供，最高时钟频率为i o o m h z 每个空间均可与s d r a m 、 s b s r a m 和异步外设( s r a m 、f l a s h 等) 实现无缝接口，可访问的数据宽度有8 1 6 3 2 位。 2 3 2 微控制器扩展及其各功能的实现 本控制系统的决策与规划、传感器数据采集、通讯和测量以及执行机构的动 作都是以t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3d s p 为核心来实现的。图2 4 显示了本系统的构成框图。 潜水器姿态与定深控制的硬件控制系统 首垂直升降电机a 尾垂直升降电机b 控制 o 控制 罨墓 n 处嚣 理s 器墨 串 压力传感器 串口 数字单频测深仪 图2 4 潜水器姿态与定深控制系统硬件框图 f i g 2 4a t t i t u d ea n dd e e pc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f a u v t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3d s p 处理器通过串口实现与压力传感器、姿态校正仪、数字单 频测深仪等传感器的实时通信，准确提取当前潜水器下潜深度、艇身的俯仰摇摆 幅度以及此时距离海底的深度，然后将这些状态反馈信息综合分析处理得出当前 的执行任务，通过i o 控制口将命令传递给首尾两个垂直升降电机。此外，通过 串口将潜水器各种状态信息、故障监测信息以及水深测量数据借助无线通信模块 传送给远程监控台。 为满足上述外设需求，在硬件设计上就需要增加一些串行通信口和i 0 控制 接口。系统的硬件设计是采用s e e d - d e c 6 7 1 3 板卡，其基本配置有：外扩s d r a m ， 基本配置2 m x 3 2 位；外扩f l a s h ，基本配置为2 5 6 k x1 6 位，用来烧写我们的程序 代码，经过验证，f l a s h 的容量满足需烧写的所有程序代码。当然如果将来系统不 断优化，功能不断完善和改进要增加更多代码，可更换使用1 mx1 6 位的f l a s h 芯 片，两者完全兼容；外扩2 路u a r t 接口，接口标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 可配置。 此外，我们借助t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3d s pe m i f 接口，利用异步通信芯片t l l 6 c 5 5 4 a 外扩了8 个异步通信串口，实现了与压力传感器、数字单频测深仪、姿态补偿仪 的异步串行通信。图2 5 显示了外扩串口的硬件实物连接图。 潜水器姿态与定深控翩关键技术研究 凹2 5 外扩串口硬件连接图 h g2 5s e d a e x l 呻m i o n o f t h e h a r d w a 陀p h y s i c a l m a p 由于控制电机所需的信号在更新之前必须一直有效，我们采用了锁存嚣 7 4 l s 5 7 3 芯片。在姿态与定深控制系统中负责控制首尾两个垂直升降电机，从而保 证潜水器姿态的平稳以及下潜深度的恒定。控制一个电机需要有6 个控制信号， 它们都是t t l 电平，其中4 个控制信号代表电机控制档位，不过最高档位只有l o 档。剩下两个电机，一个信号线负责电机旋转方向，一个信号线打开或是关闭调 速器。这样有两个电机就必须有1 2 个符合要求的信号线。于是借助t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3 d s p 的g p i o 口扩展了两个锁存器，每个锁存器只用了其数据线的低六位。锁存器 数据端口与t m s 3 2 0 v c 6 7 1 3d s p 的叫i f 接口的数据总线相连，两个控制端口由g p i o 口控制。图2 6 显示了外扩电机控制口的硬件实物连接图。 潜水器姿态与定深控制的硬件控制系统 图26 外扩电机控制口硬忭实物连接圜 f i g2 6 e x p a n s i o no f m o t o r c o n u o l i n t o - f a c e o f t h e h a r d w a r e p h y s i c a l m a p 24 姿态与定深控制传惑器系统 潜水器能否有效控制还取决于其自身的传感器系统。传感器就好比是潜水器 的感觉神经系统，为了形成控制系统的闭环，并进行潜水器的状态监测，需要掌 握其当前的运行状态，这就需要相关的传感器系统以获得相应的状态信息，获得 的信息越全面越精确，越有利于作出正确的决策。在前面已经讨论过了，要实现 姿态与定深的控制，我们需要知道潜水器的运行姿态和下潜的深度。在潜水器内 部我们安装了压力传感用来提取当前下潜的深度；姿态校正仪可获得潜 水器俯仰和横倾的角度：数字单频测深仪主要用于测量水深，即获得距离海 底的深度。 24 1 压力传感器 潜水器航行于水下，要能准确到达预定深度，特别是在下潜、上浮的过程中 必须随时掌握当前下潜的深度。在我们的潜水器内部措载了由麦克传感器有限公 司生产的m p m 4 7 0 0 型智能液位变送器。如图27 所示。它是一种全密封潜入式智 能化液位测量仪表。它的主要技术性能有： 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 基本量程；最高可达2 0 0 m 正常工作条件： 环境温度：1 0 8 0 c 大气压：8 6 1 0 6 k p a 补偿温度范围：0 5 0 精度：0i f s ( 最小值) 、0 2 5 f s ( 典型值) 、05 f s ( 展大值) 分辨率：0 0 1 f s 长期稳定性：0 2 5 f s ( 典型值) 输出信号：4 2 0 m a 两线 电源：8 2 8 v d c 负载电阻：( u 一8 v ) o 0 2 a ( n ) 接口：r s4 8 5 ( 2 线) ，波特率1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 可选 圈2 7 压力传感器 f i g 2 7 p r e s s u r e s e 憎o r 压力传感器的参数可通过r s 4 8 5 接口及软件进行调用和调校。在使用过程中 可通过r s 4 8 5 接口向其发送通信指令，以获得相关的数据信息。 数据格式：1 起始位，8 数据位，1 停止位，无校验位 发送指令格式： 5 i “i ”【i ”1 回答指令 鬟蘸幕蒸 潜水器姿态与定深控制的硬件控制系统 所有通讯指令如表2 1 表述，应该注意的是表中通讯指令的校验与结束符已 略去未注明，使用时须加上校验和结束符才能完整使用。 表2 1 通讯指令 f i g 2 ic o m m u n i c a t i o nc o m m a n d 指含义参数指令举例应答举例说明 令 a d 读取地址 $ 0 0 a d* 5 5 5 5 参数范围是数字0 1 - - 9 9 写入地址 槲 $ 5 5 a d 3 4 * 3 4 3 4 b d 读取波特率 $ 5 5 b d * 5 5 l 参数为0 , i ，2 ，3 可选，分别对应 设定波特率 带$ 5 5 b d l* 5 5 l 1 2 0 0 ，2 4 0 0 a 8 0 0 ，9 6 0 0 b p s r p 读取压力值 撑 $ 5 5 r p 0 * 5 5 - to 5 0 0 拌：通道号 d l 读取零位显示 $ 5 5 d l* 5 5 - 0 1 0 0 设定零位显示 $ 群确目毕撑 $ 5 5 d l 一0 1 0 0 * 5 5 - 0 1 0 0 d h 读取满度显示 $ 5 5 d h幸5 5 + 1 0 0 0 设定满度显示 $ 撑椭孵 $ 5 5 d h - 0 1 0 0 5 5 + i 0 0 0 o l 读零位变送输出 $ 5 5 0 l * 5 5 - 0 1 0 0 设定取零位输出 $ 撑搿群$ 5 5 0 l m 1 0 0 * 5 5 - 0 1 0 0 o h 读取满度输出 $ 5 5 0 h$ 5 5 + 1 0 0 0 设定满度输出 $ 撑相日f 蝌$ 5 5 0 h + 1 0 0 0$ 5 5 + 1 0 0 0 d p 读取小数点位置 $ 5 5 d p * 5 5 3 参数范围叫对应显示整数，l 设定小数点位置 撑$ 5 5 d p 3* 5 5 3 位，2 位，3 位小数 4 位小数 s z 归零 $ 5 5 s z* 5 5 0 k o k 表示设置成功 2 4 2 姿态校正仪 潜水器在水下前行不可能如履平川，总会受涌浪、潮汐等外界的干扰，而引 起舱体的摇摆晃动。为抑制危险情况的发生，我们需要尽量减小艇身的前后俯仰 或是左右摇摆，而且无论朝哪个方向倾斜都会使测深仪测量的水深信息产生误差。 这是因为当舱体发生倾斜时，从测深仪读取的数据是垂直于舱体到水底之间的距 潜水器姿态与定深控制关键技木研究 离，这个距离明显大于水平到水底的垂直高度。无论是从控制的角度还是从测量 的角度。为了消除这一误差，我们引进了c d l m i n i f i l t 姿态补偿仪，如图2 8 所示。 圈28 姿态补偿仪 f i g2 8m i f i 锄p o s t u 陀c o r r e c t i o n 该仪器能够测得潜水器的俯仰角度和横倾角度，根据这些角度信息可以随时 反馈潜水器当前的姿态，然后根据反馈信息作出调整，实现潜水器的姿态控制。 同时也用于校正数字单频测深仪测深数据减小由于受潜航测量艇上下颠簸、纵 横摇摆运动产生的误差。 c d lm i n i f i l t 姿态补偿仪高精度( 可达到00 5 度) 、低消耗。它具有p i t c h 和 r o l l 两个方向的传感器，能够测出这两个垂直方向的满3 6 0 。范围内的倾斜角度。 该仪器由五部分组成：( 1 ) 传赙器部分：( 2 ) 测量电路；( 3 ) 数据处理； ( 4 ) 密封外壳；( 5 ) 水密电缆及永密插头。c o l m i n i t i l t 姿态校正仪的特点： ( 1 ) 高精度：00 5 度；( 2 ) 低成本：( 3 ) 3 6 0 度的适用范围；( 4 ) 陀螺仪标题输 入：( 5 ) 3 2 种数据输出格式。 将c d l m i n j t i l t 姿态补偿仪直接接到系统硬件电路扩展板的u a r t 接口上，然 后通过相应的软件编程控制就可实时提取姿态校正数据。c d l m i n i t i l t 姿态补偿仪 的串口通信数据格式为： b a u dr a t e d a t a b 池 s t o pb i t s 8 1 潜水器姿态与定深控制的硬件控制系统 p a r i t y n o n e c d lm i n i t i l t 姿态补偿仪发送的数据形式为： p 士0 0 0 0 0 r 士0 0 0 0 0 c r x 胗 2 4 3 数字单频测深仪 测深仪主要是为了测量潜水器所处的水深( 即离海底的高度) ，它有两个作用t 一是结合压力传感器所提供的下潜深度信息，保证潜水器能够安全的定深航行， 以免触及海底暗礁，从而造成搁浅；二是通过相关计算能够较直观的知道测量海 域的深度，这样就可以有效的掌握港口航道水深的变化及航道淤积程度。 海洋声学仪器发展迄今为止，出现突飞猛进的技术飞跃，国际上推出许多先 进的海洋声学设备，如：多波束海底成像系统、侧扫声纳、浅层剖面仪、水下声 标应答器等等，而测深仪是声学仪器家族中最常用的一种设备。目前国际上大多 型号的测深仪还是采用机械记录针式或热敏记录方式。丹麦的e - s e as o u n d 率先 采用了数字成像测深仪，但价格昂贵( 每台售价在3 0 万人民币以上) ，而且只能 存储3 0 分钟的图像数据。目前国内使用最多的测深仪还是机械记录针式的，体积 大、功耗大、故障率高。本系统采用中海达推出的第二代h d 一2 7 单频数字化测深 仪。如图2 9 、2 1 0 所示，其具有如下特点： 高频发射频率：2 0 0 k h z ； 低频发射频率：2 0 i ( h z ； 最大发射功率：3 0 0 w ； 测深范围：高频0 3 m 6 0 0 m ，低频1 0 m 3 0 0 0 m ： 测深精度：高频精度_ 2 c m + 0 1 ，低频精度+ 5 c m + 0 1 ； 吃水调整范围：0 0 m 9 0 m ： 声速调整范围：1 3 0 0 1 7 0 0 m s ； 串口数据输出，仿真多种数据格式，波特率2 4 0 0 11 5 2 0 0 可调； 供电电源：直流1 2 v 或交流2 2 0v ，功耗3 0 w ； 环境：工作温度- 2 0 一- - 7 0 ，防水； 自动增益控制及时间增益控制( t v g ) ； 水底门跟踪技术和脉宽选择技术的完美结合。 潜水器姿态与定浑控制关键技术研究 幽2 9 h d - 2 8 测深仪外形 f i g2 9 h d - 2 8s o u q d e r 圈2 i o 单频换能器 f i g 21 0 s i n g l e - f r e q u e n c y t r a n s d u c e r h d 一2 7 单频数字化测深仪输出的水深数据格式为： d t e 叶为识别头： 第3 位，当水深错误时为e ，正确时为空格： 第4 8 位为水深值，单位为锄； 回车； 换行。 2 5 本章小结 本章首先结合潜水器水下运动的动力学特点，分析了潜水器结构及功能特点， 建立了以d s p 处理器为核心的硬件控制系统，并在d s p 外围扩展了8 路异步通信 串口，实现了与压力传感器、数字单频测深仪、姿态补偿仪等传感器设备的异步 串行通信，同时还扩展了通用i 0 口用来实现对电机的控制。 潜水器姿态与定深控制系统软件设计 第3 章潜水器姿态与定深控制系统软件设计 目前a u v 控制系统采用的软件体系结构并不统一，大概有几十种1 9 1 1 1 ， 大多数a u v 控制软件体系结构研究还处于理论探索与软件仿真阶段，可参看 参考文献 2 1 】、 2 2 j 、【2 3 。 3 1 软件编程环境 t e x a si n s t r u m e n t s 公司的d s p 集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ， 是一个基于w i n d o w s 的d s p 开发平台蹦1 ，我们就是在这个平台上开发整个系统， 完成软件的设计调试以及系统在线仿真。 c c s 是一个完整的d s p 集成开发环境，也是目前最优秀、最流行的d s p 开 发软件之一。c c s 主要包含了以下功能： 集成可视化代码编辑界面，可直接编写c 、汇编、h 文件、c m d 文件等 集成代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器、链接器等。 基本调试工具，如装入执行代码( o u t 文件) ，查看寄存器、存储器、反汇编、 变量窗口等，支持c 源代码级调试。 断点工具，包括硬件断点、数据空间读写断点，条件断点( 使用g e l 编写 表达式) 等。 探针工具( p r o b ep o i n t s ) ，可用于算法仿真、数据监视等。 分析工具( p r o f i l ep o i n t s ) ，可用于评估代码执行的时钟数。 提供g e l 工具，用户可编写自己的控制面板菜单，方便直观地修改变量， 配置参数等。 开放式的p l u g _ i n 技术，支持其他第三方的a x t i v o x 插件，支持包括软件仿 真在内的各种仿真器( 只需要安装相应的驱动程序) 。 提供的d s p b i o s 工具，增强对代码的实时分析能力( 如分析代码执行的效 率) 、调度程序执行的优先级、方便管理或使用系统资源( 代码数据占用空间、 中断服务程序的调用、定时器使用等) ，从而减少了开发人员对硬件资源熟悉程度 的依赖性。 3 2 系统软件各功能设计与实现 在总体软件设计之前，先分析下姿态与定深控制系统需具备的功能： 2 0 潜水器姿态与定深控制关键技术研究 ( 1 ) 首先整个系统分为上层客户端控制界面和底