紀慧鑫 楊毅 鄭東東 張翔 葉柱

摘 要：為了解決自主式水下機器人智能控制問題，設計了一種自主式水下機器人。文章從系統(tǒng)設計方面介紹了自主式水下機器人，利用PID控制算法對水下機器人運動控制進行了試驗研究。PID算法對自主式水下機器人進行回路控制，實現(xiàn)對水下機器人航向角度進行控制，從而提高穩(wěn)定性能。通過研究自主式水下機器人及其控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)水下機器人對目標進行鎖定進行觀測，優(yōu)化了自主式水下機器人的工作性能和指標。

關鍵詞：自主式水下機器人；PID控制算法；系統(tǒng)結構，運動控制；控制器

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0041-02

Abstract： In order to solve the intelligent control problem of autonomous underwater vehicle （AUV）， an autonomous underwater vehicle （AUV） is designed. In this paper， the autonomous underwater vehicle is introduced from the aspect of system design， and the experimental study on the motion control of the underwater vehicle is carried out using the PID control algorithm. PID algorithm controls the autonomous underwater vehicle loop， to achieve the control of its heading angle， so as to improve the stability performance. Through the research of autonomous underwater vehicle and its control system， it can get the underwater vehicle to lock and observe the target， and optimize the working performance and index of the autonomous underwater vehicle.

Keywords： autonomous underwater vehicle； PID control algorithm； system structure； motion control； controller

引言

作為一種水下無人航行器的自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），在21世紀軍用和海洋開發(fā)等領域擁有廣泛的應用前景和發(fā)展趨勢，已成為向深海領域發(fā)展研究的一個大熱點，特別是自主式水下機器人核心技術之一的控制體系結構設計已成為其實現(xiàn)水下自主作業(yè)探索海洋的關鍵。目前來說，AUV的控制體系結構基本可分為四模塊：反應式結構模塊、分層遞接結構模塊、包容式結構模塊和混合結構模塊。為實現(xiàn)其體系結構模塊的優(yōu)虐勢互補，可以將不同體系結構模塊進行有機結合以設計出一種全方位混合式控制體系結構；本身的結構特點是：自給能源，能依靠自身的自治能力來管理和控制自己來完成水下作業(yè)。

1 系統(tǒng)設計

水下機器人設計總體分為：主機控制模塊、傳感器操作模塊、硬件結構設計模塊、控制系統(tǒng)結構模塊、算法控制軟件模塊，其系統(tǒng)層次如圖 1 所示。

2 水下機器人系統(tǒng)

2.1 總體設計

自主式水下機器人結構設計近似于船體的結構，但傳動效率高。設計結構充分發(fā)揮水下機器人的各部分空間，確保設備完好無損且方便控制，又要防止各器件之間互相產生影響，減少機器人壽命，確保發(fā)揮出機器人的最大的性能、作業(yè)時間和效率。它的整體形態(tài)設計包括五個主要部分：外部形體結構、防水艙、推進控制器、電源盒以及通信傳感器設計。外部形體結構主要是將水下機器人電氣系統(tǒng)、控制器、通信系統(tǒng)分別固定到機器人機體上，要保證器件和系統(tǒng)能夠安全有效率的作業(yè)，為此，在電氣系統(tǒng)外部設計了一個密封艙，防止水下作業(yè)時有水進入電氣系統(tǒng)。設計的水下機器人如圖2所示。

2.2 推進器布置設計

水下機器人的推進器數(shù)量主要取決于其航行方向、時間、作業(yè)功能特點的強弱，一般來說功能越強，作業(yè)環(huán)境越復雜，推進器數(shù)量越多。推進器在作業(yè)時能夠快速準確的讓機器人到達指定目標位置，在航行中俯仰角決定水下機器人的上升和下降運動；而歐拉角中，航向角決定著水下機器人的航行方向，是水下機器人在航行過程中至關重要的；為確保其水下正常作業(yè)，通常將重心設計在系統(tǒng)的中心方面偏下的位置，用來抵消其不良運動的產生，增加機器人的運動平穩(wěn)能力和自主控制能力。

確保機器人水下作業(yè)運行平穩(wěn)，其布置方法可以按照下面幾個要求來實現(xiàn)：

（1）應最大可能的使縱向、橫向、豎向的合力交于一個匯聚點，而且這點要最大可能的接近機器人的重心，除去不良的附加運動給系統(tǒng)及自身帶來控制上的麻煩。

（2）在水平航線航行過程中，理論上推進器的位置與自身前進動力坐標系保持平行，可以獲得最大的前進動力，但是水下機器人形體較小空間有限，設備之間布置比較密集，推進器的布局、航行動力會受到的影響，航行過程中動力降低，影響推進器的推進效率。為了保持推進器的效率，可以在航行中讓推進器與理想坐標軸軸線之間有一個小小的偏差度，大約在5°～15°，而cos5°～cos15°的值仍然接近于1，其誤差非常之小，所以推進器的推力不會損失太多。

2.3 控制系統(tǒng)結構設計

控制驅動系統(tǒng)以ARM為核心，與高性能的PC104芯片進行數(shù)據(jù)交換，進而可以對多種信號進行數(shù)據(jù)處理以及系統(tǒng)化控制，通訊方面采用異步串行通訊接口與PC104進行對接，并反饋上傳推進器的速度信息，以此接收更多的速度數(shù)據(jù)信息。每個驅動器以單片機為核心組成一個速度驅動模塊，方便對推進器進行有效的控制，信息發(fā)送以PWM形式向各個MOS管發(fā)送命令，間接向各驅動器發(fā)送速度控制命令，推進器接收到命令之后反饋給單片機，單片機通過接收反饋信息以此來實現(xiàn)由發(fā)送PWM到MOS管組成速度驅動模塊之間的閉環(huán)控制?？刂乞寗酉到y(tǒng)結構如圖3所示。

3 基于ARM控制器的控制回路設計

3.1 ARM9嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺

ARM嵌入式系統(tǒng)系列處理器是英國的ARM公司設計的主流嵌入式處理器，主要以ARM9TDMI和ARM9E-S。ARM9與ARM7相比處理數(shù)據(jù)速度方面，ARM9頻率高，速度快。ARM9處理器高于ARM7處理器的性能，作業(yè)中ARM9通過減少指令周期和增加頻率，大大增強了其處理能力。所運用的ARM主要是以ARM922T為核心的UP-ZCP320C處理器平臺。

3.2 水下機器人航向控制設計

圖4為水下機器人航向理想控制框圖。程序開始后會等待串口讀事件的發(fā)生，接收數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中可以看到系統(tǒng)顯示的輸出，就可以計算出航向角度與系統(tǒng)輸出角度的差指，設為PID_X。當角度差PID_X在第二象限時，系統(tǒng)會向水下機器人推進器發(fā)送飽和控制信號0x941E，推進器使機器人盡快向右邊轉動來縮小PID_X的絕對值，接近目標角度；相反當角度差PID_X在第三象限時，系統(tǒng)會向水下機器人發(fā)送飽和控制信號0x6BE2，推進器讓機器人向左轉動來縮小PID_X的絕對值；而當PID_X為其他情況時，控制器利用PID算法計算出需要推力大小，以此來實現(xiàn)改變機器人航行角度。使其回歸設定角度附近。在實驗過程中程序是一直循環(huán)工作的，會不斷的調整推進器推力大小，使機器人在理想條件下航行角度在設定的航行角度。

4 結束語

通過對水下機器人的研究，設計了一個自主式水下機器人。水下機器人主要以ARM為核心，與高性能PC104進行數(shù)據(jù)交換，采用傳感器作為數(shù)據(jù)的處理中心并配合控制推進器達到機器人精確控制的目的。ARM通過與各種系統(tǒng)對接協(xié)調配合的作業(yè)方式，來完成水下作業(yè)的任務和下潛目標。

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