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        便攜式水下機器人設計

        2019-01-28 01:11:10裴國棟卞則武溫亞楠
        船電技術 2019年1期
        關鍵詞:密封艙推進器線纜

        裴國棟,卞則武,溫亞楠

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        便攜式水下機器人設計

        裴國棟,卞則武,溫亞楠

        (青島市光電工程技術研究院,山東青島 266019)

        出于對近海海洋探索的目的,本文應用了上次研究[1]的水下ROV空間姿態(tài)控制系統(tǒng)設計了一種便攜式水下機器人。該水下機器人系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、無刷電調、遙控部分以及姿態(tài)傳感器模塊組成,軟件控制以及相關數(shù)據(jù)處理由一塊ARM-M3內核的處理器完成,編譯軟件使用Kile。水下機器人結構采用3D打印機制作,材料選用PLA。遙控通訊采用CAN總線協(xié)議。水下機器人經(jīng)過實際調試可以達到相關技術要求,下潛深度100 M,能實現(xiàn)簡單的水下作業(yè)要求。

        水下機器人 姿態(tài)檢測 水下探測

        0 引言

        機器人技術是集運動學與動力學理論、機械設計與制造技術、計算機硬件與軟件技術、控制理論、電動伺服隨動技術、傳感器技術、人工智能理論等科學技術為一體的綜合技術,它的研究與開發(fā)標志著一個國家科學技術的發(fā)展水平。

        隨著人口數(shù)量的增長和科學技術水平的不斷提高,人類已把海洋作為生存和發(fā)展的新領域。海洋的開發(fā)與利用已經(jīng)成為決定一個國家興衰的基本因素之一。從而使水下機器人具有更加廣闊的應用前景[8]。

        水下機器人一般可以分為兩大類:一類是有纜水下機器人,習慣稱為遙控潛水器(Remote Operated Vehicle,簡稱ROV);另一類是無纜水下機器人。習慣稱為自治潛水器。(Autonomous Underwater Vehicle,簡稱AUV)。此外按使用的目的分有水下調查機器人(觀測、測量、試驗材料的收集等)和水下作業(yè)機器人(水下焊接、擰管子、水下建筑、水下切割等作業(yè))。按活動場所分,有海底機器人和水中機器人,如今隨著國家海洋探索腳步的加快,水下機器人的研發(fā)以及應用也越來越重要。

        1 系統(tǒng)硬件設計

        1.1 水下控制系統(tǒng)

        根據(jù)實際應用需求以及各方面綜合考量系統(tǒng)選用意法半導體(ST)的增強型處理器STM32f103C8T6芯片作為主處理器芯片,負責采集傳感器數(shù)據(jù)以及對水下機器人進行控制,攜帶的傳感器有姿態(tài)傳感器MPU6050(負責獲取水下機器人實時姿態(tài),用于通過推進器閉環(huán)控制)、濕度傳感器DHT11(負責檢測電子倉密封性)以及一個模擬攝像頭,預留的數(shù)據(jù)接口有SPI、串口及IIC等,可根據(jù)后期需要掛載其他傳感器[2]。此外還留有的通訊接口有CAN以及RS485遙控暫用的CAN通訊接口。通訊線纜使用水下六芯雙絞屏蔽纜,分別用于傳輸控制信號、攝像頭模擬信號以及電源。水下機器人系統(tǒng)框圖圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)框圖

        其他方面,推進器使用12 V供電,最大推力可達11 N,兩側推進器同時轉動,可使水下機器人的航速達到1 m/s。攝像頭選用的RunCam nano FPV迷你14*14 650TVL攝像頭,圖像清晰,視野廣闊。

        1.2 水上遙控監(jiān)控系統(tǒng)

        水上遙控監(jiān)控系統(tǒng)分為遙控器以及監(jiān)控平臺,遙控器為四通道,其中三通道分別控制水下機器人的前-后、左-右以及升-潛,其余一個通道預留為控制水下視頻云臺。水下視頻采用移動終端來實時顯示,水下模擬視頻通過MicroUSB接口的視頻采集卡連接至手機或者PAD的MicroUSB接口,然后通過設備的OTG功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及顯示。此外遙控系統(tǒng)還預留了藍牙BLE接口,后期可通過藍牙將水下傳感器以及水下機器人實時狀態(tài)傳輸至移動終端顯示。

        2 系統(tǒng)軟件設計

        2.1 軟件設計思路

        軟件部分采用C語言來實現(xiàn)相關代碼編寫,主要是因為C語言具有較好的移植性,開發(fā)環(huán)境采用Kile5,STM32使用3.5版本的函數(shù)庫。

        水下機器人軟件系統(tǒng)主要使用了姿態(tài)融合算法以及傳統(tǒng)PID算法,考慮到控制的時效性相關算法均在5 ms定時器中斷內完成,此外遙控數(shù)據(jù)接收也是通過中斷來完成。大大保證了遙控數(shù)據(jù)的實時性,main函數(shù)里面做一些對實時性要求較低的工作。

        2.2 C語言代碼的實現(xiàn)

        初始化函數(shù)主要完成對中斷向量表、定時器中斷、CAN控制器、PWM以及其他外設的初始化工作[3]。以下是幾個主要的控制函數(shù):

        NVIC_Configuration():設置NVIC中斷分組

        RobotWH_Init():初始化硬件底層

        moto_PwmRflash(&Can_data_step[0]):將推進器數(shù)據(jù)送達至相應PWM端口

        RC_Analy():通訊協(xié)議的編解碼

        Prepare_Data():傳感器數(shù)據(jù)的采集

        Get_Attitude():態(tài)解算函數(shù)[6][7]

        Control(angle.roll,angle.pitch,0):通過解算的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行PID閉環(huán)控制。[8]

        3 系統(tǒng)結構設計

        便攜式水下機器人整體采用流線型設計,整體尺寸為298×297×149 m。采用三個推進器為水下機器人提供動力,在水下機器人的中間位置設計有垂向推進器,左、右兩側位置設計有水平推進器。通過三個推進器即可實現(xiàn)水下機器人在各個方向的運動。水下機器人的整體結構如圖2所示。

        圖2 水下機器人整體結構圖

        水下機器人的殼體分為上蓋和下蓋,均采用3D打印的方式制造。兩側的水平推進器通過安裝架,安裝在下蓋左、右兩側的涵道內,中間的垂向推進器安裝在上蓋的垂向涵道內,用于實現(xiàn)水下機器人的上浮和下潛。左、右兩側的推進器差速轉動,可實現(xiàn)水下機器人的轉向運動。

        內部設計有兩個密封艙,分別安裝在下蓋的前后位置。后密封艙為電源艙,內部放置一個容量為6000 Ah的鋰電池,為水下機器人提供能源,可實現(xiàn)水下機器人45分鐘左右不間斷工作。前密封艙為控制艙,內置有小型攝像頭,LED燈和水下機器人的控制系統(tǒng)。

        主體使用的是高透明亞克力材質,厚度為3 m,可承受100 深的水壓。兩側的艙蓋使用光固化3D打印方式加工制作,具有成型精度高的優(yōu)點。密封艙與艙蓋之間通過O型密封圈進行密封[4],電源線和控制線纜等通過水下穿線螺栓穿過艙蓋[5]。其中,控制線纜穿出密封艙后,通過線卡穿出上蓋。線卡固定在上蓋的安裝孔上,線卡內部有壓緊螺栓可以將線纜固定??刂凭€纜連接地面遙控器,可以傳輸視頻信號和控制信號。水下機器人的最大下潛深度可達100米。水下機器人的內部結構如圖3所示。1-殼體,2-推進器,3-電源艙,4-線卡,5-控制艙,6-攝像頭

        圖3 水下機器人內部結構圖

        4 結論

        將機器人樣機放于體積4*3*3的水箱中測試機器人速度、俯仰角度、視頻清晰度以及遙控穩(wěn)定性等指標均達到實際應用水平,因此,本課題所研制的便攜式水下機器人系統(tǒng)經(jīng)初步測試可以達到實際需求,其中各項數(shù)據(jù)為取多次實驗值去掉最大與最小值然后取平均值的方法獲得,其中速度1.45 /s,靜水最大傾斜角度48度,具有多方向實際應用推廣性。

        [1] 裴國棟, 溫亞楠, 朱莉莉. 用于水下ROV控制的姿態(tài)融合技術研究[J]. 船電技術, 2018, (04): 56-58.

        [2] 劉火良. STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M]. 北京: 械工業(yè)出版社, 2017: 20-43.

        [3] 張新民, 段洪琳. ARM Cortex嵌入式開發(fā)與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2016: 14-21.

        [4] 羅伯特.諾頓, 黃平.譯. 機械設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2016: 33-52.

        [5] CAD/CAM/CAE技術聯(lián)盟. SolidWorks 2016中文版機械設計從入門到精通[D]. 北京: 清華大學出版社, 2017: 19-54.

        [6] 盧大偉. 多傳感器數(shù)據(jù)融合方法在新型組合導航系統(tǒng)中的應用[D]. 南京: 東南大學, 2001.

        [7] 曾慶華, 張為華. IMEMS 速率陀螺芯片在MAV飛行控制系統(tǒng)中應用研究[J]. 測控技術, 2004, 23(2).

        [8] 張靜, 金志華. 空中平臺航姿參考系統(tǒng)的設計[J]. 中國慣性技術學報, 2004, 12(2): 47-52.

        [9] 楊徽. 水下機器人通訊與控制技術研究[J]. 船科學技術期刊, 2015, 7(3): 17-21.

        Research on Attitude Fusion Technique for Underwater ROV Control

        Pei Guodong, Bian Zewu, Wen Yanan

        (Qingdao Academy for Opto-electronics Engineering, Qingdao 266019, Shandong, China)

        TP242

        A

        1003-4862(2019)01-0014-03

        2018-07-26

        青島市光電智庫聯(lián)合基金資助(GDZK-2017-16)

        裴國棟(1991-),男,初級。研究方向:自動控制。E-mail: pei_guodong@foxmail.com

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