王 雷 ，楊慶喜 ，程 勇 ，張璇琛 ，鄭 磊

（1.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 科學(xué)島分院，合肥 230026）

隨著陸上資源開發(fā)殆盡，越來越多的國家開始將目光放在海洋。相比海洋環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人類的潛水深度有限，不能直接完成深海及海底資源的探測任務(wù)。目前的狀況是只有少數(shù)國家有能力對(duì)海洋資源進(jìn)行初步開采。水下機(jī)器人強(qiáng)度高、抗高水壓、可操控，能夠完成深水水域的探測和分析任務(wù)，并將探測數(shù)據(jù)返回到陸地上，已逐漸成為人類進(jìn)行水下資源開發(fā)的主要工具[1]。

水下機(jī)器人按照與水面支持系統(tǒng)之間的聯(lián)系方式不同可以分為2種：有纜水下機(jī)器人（ROV），ROV通常需要電纜從母艦接受動(dòng)力，并且通過電纜傳輸控制信號(hào)；無纜水下機(jī)器人（AUV），通常稱作自治水下機(jī)器人或者智能水下機(jī)器人，能夠依靠自身的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行決策和控制[2]。本款水下機(jī)器人旨在設(shè)計(jì)一款在淺水水域工作的，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制和無線圖像傳輸?shù)乃聶C(jī)器人。

1 系統(tǒng)概述

水下機(jī)器人設(shè)計(jì)總體分為三部分：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制算法及軟件設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of the underwater robot

1.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括外殼支撐結(jié)構(gòu)、密封艙、推進(jìn)器及外部天線設(shè)計(jì)。外殼支撐結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)將水下機(jī)器人電氣系統(tǒng)分別固定到機(jī)器人機(jī)體上，同時(shí)為保證電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行，需要為電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)防水密封艙。水下機(jī)器人為6自由度剛體，其不僅需要在6個(gè)自由度上可以平穩(wěn)運(yùn)行，還必須保證在外界擾動(dòng)條件下正常工作。因此在推進(jìn)器布置上綜合考慮抗干擾和提供運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的問題，垂直方向上布置3個(gè)電機(jī)提供水下機(jī)器人垂直方向推力，在水平方向布置2個(gè)電機(jī)，控制水下機(jī)器人前進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)殡姶挪ㄊ菣M波，水是良導(dǎo)體，趨膚效應(yīng)嚴(yán)重影響電磁波在水下傳輸，因此需要為水下機(jī)器人設(shè)計(jì)浮標(biāo)天線以保證水下機(jī)器人依靠電磁波正常通信。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the underwater robot

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人需要布置各類傳感器來獲取自身的狀態(tài)，其中水壓傳感器獲取水下深度，姿態(tài)傳感器獲取姿態(tài)角，GPS獲取運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)，同時(shí)加入溫濕度傳感器來檢測密封艙密封狀態(tài)?？刂破髯鳛檎麄€(gè)水下機(jī)器人的控制中心，一方面對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲取水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在外界干擾條件下做出控制指令維持水下機(jī)器人機(jī)身自平衡；另一方面通過接收遙控器指令響應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)作。

1.3 控制算法設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行是水下機(jī)器人完成水下任務(wù)的關(guān)鍵，因此水下機(jī)器人控制算法的核心是平衡控制[3]。水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)傳感器可以獲取水下機(jī)器人實(shí)時(shí)姿態(tài)角，水壓傳感器可以獲取水下機(jī)器人水下運(yùn)動(dòng)深度，將傳感器數(shù)據(jù)作為控制算法的輸入，通過PID自適應(yīng)控制算法輸出驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)電氣組成和實(shí)現(xiàn)

水下機(jī)器人電氣架構(gòu)主要包括傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)器三部分[4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 水下機(jī)器人系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the underwater robot system

2.1 傳感器

2.1.1 深度傳感器

為保證水下機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行，必須獲取水下機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)的空間姿態(tài)，包括水下深度、空間姿態(tài)角、GPS坐標(biāo)等。本控制系統(tǒng)采用MS5803-1BA獲取水下壓力。MS5803壓力傳感器支持SPI和I2C總線通訊，是一款高精度的壓力測量傳感器，壓力測量范圍為 10～1300 mbar，其精度可達(dá)到 0.012 mbar。其水深計(jì)算公式為

式中：P為水壓傳感器測得的壓強(qiáng)；Pair為當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)；ρ為水密度；g為重力加速度。

2.1.2 姿態(tài)傳感器

水下機(jī)器人控制的核心是姿態(tài)控制，為提高水下機(jī)器人的控制精度，一款性能良好的姿態(tài)傳感器就顯得尤為重要[5]，該水下機(jī)器人采用MPU9250作為姿態(tài)傳感器。MPU9250是一款9軸的運(yùn)動(dòng)跟蹤傳感器，包括一組3軸加速度計(jì)，一組3軸陀螺儀另一組是AK8963 3軸磁力計(jì)，并在其中融合動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)處理器DMP。通過姿態(tài)融合算法，將加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)數(shù)據(jù)融合成四元數(shù)，再由四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角，經(jīng)過卡爾曼濾波將運(yùn)動(dòng)噪聲濾除后將歐拉角作為運(yùn)動(dòng)控制的輸入量通過控制算法轉(zhuǎn)化為電機(jī)輸出達(dá)到控制水下機(jī)器人姿態(tài)的目的。

2.1.3 GPS模塊

該水下機(jī)器人通過GPS來獲取空間經(jīng)緯度坐標(biāo)，從而為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)返航提供支持。GPS傳感器采用ATDM332D-5N系列模塊，該模塊基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片-AT6558，支持美國GPS和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。水下機(jī)器人內(nèi)置GPS模塊，可以獲取到經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過設(shè)置起始坐標(biāo)，對(duì)比水下機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)，結(jié)合避障算法，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)返航。

2.1.4 溫濕度傳感器

水下機(jī)器人密封艙用來安裝電子設(shè)備和檢測儀器，因此密封艙需要有足夠的強(qiáng)度和可靠的密封性。為保證水下機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的安全可靠，在密封艙中安裝溫濕度傳感器來檢測密封性能，采用SHT10溫濕度傳感器檢測密封艙內(nèi)部溫濕度狀態(tài)。SHT10包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，傳感器內(nèi)部有一個(gè)精度高達(dá)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，適應(yīng)串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。

2.2 控制器

水下機(jī)器人采用了較多的傳感器，為保證姿態(tài)控制的實(shí)時(shí)性，采用單獨(dú)的控制器來實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)解析和水下機(jī)器人電機(jī)控制。水下機(jī)器人采用STM32作為控制系統(tǒng)控制芯片，其中采用STM32F103CBT6作為電機(jī)控制器，STM32F407VGT6作為傳感器數(shù)據(jù)融合的控制器。兩片控制芯片之間采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

STM32F103CBT6產(chǎn)生 5路 PWM輸出，分別控制2個(gè)水平推進(jìn)電機(jī)和3個(gè)垂直推進(jìn)電機(jī)，STM32F407VGT6則負(fù)責(zé)采集運(yùn)動(dòng)傳感器、水壓傳感器、GPS、溫濕度傳感器、激光測距傳感器及遙控器PPM輸出信號(hào)并將數(shù)據(jù)匯總、解析為控制信號(hào)后通過串口發(fā)送到STM32F103控制器中。STM32F103響應(yīng)控制指令，通過電子調(diào)速器來驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)，起到控制機(jī)器人姿態(tài)的作用。

2.3 電源系統(tǒng)

水下機(jī)器人通過6節(jié)高倍率26650鋰電池供電，單節(jié)電池容量達(dá)到5200 mA，可持續(xù)提供10 A電流放電。供電系統(tǒng)采用鋰電池串并聯(lián)方案，將3節(jié)鋰電池串聯(lián)后得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的12 V電壓，采用2組12 V電源并聯(lián)提高電源的電流輸出能力，同時(shí)提高水下機(jī)器人的續(xù)航能力。電源系統(tǒng)可以持續(xù)提供20 A放電電流，達(dá)到整個(gè)電氣系統(tǒng)對(duì)電流電壓的需求。電池供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 電源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of the power system

STM32采用3.3 V供電，因12 V轉(zhuǎn)化到3.3 V壓降較大，傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器如AMS1117會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用DC-DC電壓轉(zhuǎn)化方案。電源電壓轉(zhuǎn)化電路采用LM2576穩(wěn)壓芯片來保證電源的安全可靠。電源轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 LM2576電路Fig.5 LM2576 circuit

3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

水下機(jī)器人軟件系統(tǒng)包括控制程序和測試軟件設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 控制程序

水下機(jī)器人控制程序可分為主程序、傳感器數(shù)據(jù)采集和算法程序三部分。其中主程序負(fù)責(zé)水下機(jī)器人各個(gè)電氣部件的初始化，傳感器數(shù)據(jù)采集獲取機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)，算法程序負(fù)責(zé)將傳感器數(shù)據(jù)融合，轉(zhuǎn)化為控制量輸出。

主程序初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘、串口初始化、定時(shí)器中斷初始化、以及各個(gè)傳感器部件的初始化。其中用于密封艙漏水檢測的溫濕度傳感器，可以作為整個(gè)水下機(jī)器系統(tǒng)的異常檢測。如果沒有異常，系統(tǒng)開始響應(yīng)定時(shí)器中斷程序。定時(shí)器中斷程序中包含傳感器數(shù)據(jù)刷新和控制算法程序，這樣可以保證系統(tǒng)執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。之后通過串口將控制指令發(fā)送到推進(jìn)器控制MCU，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 控制程序執(zhí)行流程Fig.6 Control program execution flow chart

水下機(jī)器人控制算法采用數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)整定方便、能滿足大多數(shù)控制性能要求等優(yōu)點(diǎn)[6]。水下機(jī)器人控制的核心是姿態(tài)控制，因此PID控制效果直接決定了機(jī)器人能否平穩(wěn)運(yùn)行。水下機(jī)器人控制對(duì)象包括俯仰角（pitch）控制、橫滾角（roll）控制、偏航角（yaw）控制、深度控制，另外水下機(jī)器人需要對(duì)遙控器控制指令做出響應(yīng)。

3.2 測試軟件

圖7 上位機(jī)界面Fig.7 Host computer interface

測試軟件采用LabVIEW編寫，上位機(jī)界面如圖7所示。LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化編輯語言，因其簡單快捷，極大提高了編程效率，降低硬件測試平臺(tái)開發(fā)的難度。通過LabVIEW中的VISA驅(qū)動(dòng)，搭建出基于串口通信的上位機(jī)測試軟件，并通過2塊433 MHz無線數(shù)傳模塊建立起上位機(jī)和水下機(jī)器人之間的通信，實(shí)時(shí)顯示水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)可以便捷地對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線修改，提高了PID參數(shù)調(diào)試的效率。

水下機(jī)器人采用Keil5軟件對(duì)STM32控制器進(jìn)行編程，通過ST-Link下載器將程序下載到控制器，使用LabVIEW上位機(jī)在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。上位機(jī)姿態(tài)角顯示如圖8所示。

圖8 上位機(jī)姿態(tài)角顯示Fig.8 Attitude angle display by LabVIEW

4 系統(tǒng)測試

4.1 水下機(jī)器人靜態(tài)調(diào)試

鑒于水下機(jī)器人的應(yīng)用場景，因此必須對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行水下調(diào)試，找出水下機(jī)器人最優(yōu)的PID參數(shù)[7]。在靜水水域?qū)λ聶C(jī)器人的姿態(tài)角PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，采用的方法是試驗(yàn)湊試法，先對(duì)比例參數(shù)進(jìn)行整定，通過上位機(jī)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差沒有辦法滿足要求，再加入積分環(huán)節(jié)。PI控制可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，加入D控制會(huì)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。水下測試如圖9所示，經(jīng)驗(yàn)證水下機(jī)器人可以達(dá)到良好的靜態(tài)性能，在水下可以做到長時(shí)間懸浮。

圖9 水下機(jī)器人靜態(tài)調(diào)試Fig.9 Underwater robot static debugging

4.2 水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)調(diào)試

在保證水下機(jī)器人靜態(tài)性能的前提下，對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測試，主要測試水下機(jī)器人運(yùn)行過程中的姿態(tài)糾正和定深控制以及長距離運(yùn)行中的航行角控制，經(jīng)測試其在水中的機(jī)動(dòng)性和指向性都是可以滿足設(shè)計(jì)要求的。在長距離測試中同樣測試了密封艙的防水性能和視頻的傳輸，均得到良好的性能。

5 結(jié)語

本文介紹了一款基于STM32的水下機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)，采用STM32作為傳感器數(shù)據(jù)的處理中心并控制推進(jìn)器達(dá)到機(jī)器人精確控制的目的。水下機(jī)器人內(nèi)置的433 MHz無線模塊可以將水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋到上位機(jī)進(jìn)行顯示，同時(shí)上位機(jī)可以在線修改水下機(jī)器人參數(shù)。

經(jīng)測試，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)性能，滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線控制，并將實(shí)時(shí)圖像遠(yuǎn)距離傳送到APP進(jìn)行顯示。系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行可靠，具有較強(qiáng)的安全性，可以作為淺層水域探測的工具。

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