潘昊東, 王志光, 劉純虎, 連 璉

水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

潘昊東, 王志光, 劉純虎, 連 璉

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室, 上海,200240)

為提高水下滑翔機(jī)的研究開發(fā)效率, 降低研發(fā)成本, 文中設(shè)計了一種水下滑翔機(jī)的半實物仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先仿真水下滑翔機(jī)水下運動時的運動狀態(tài)及水下環(huán)境等信息, 然后將其送入水下滑翔機(jī)的主控系統(tǒng), 主控系統(tǒng)輸出對應(yīng)的控制信息, 再經(jīng)由仿真系統(tǒng)采集處理后送入系統(tǒng)管理軟件保存, 方便用戶對控制過程進(jìn)行分析處理。最后, 主控系統(tǒng)通過RS232串口將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)接收處理軟件, 以仿真水下滑翔機(jī)與岸站的通信過程。通過相關(guān)測試可知, 文中設(shè)計的半實物仿真系統(tǒng)可高效完成水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的工作任務(wù), 滿足設(shè)計要求, 顯著降低了研發(fā)成本, 具有理想的應(yīng)用前景。

水下滑翔機(jī); 半實物仿真; 數(shù)據(jù)接收處理; 主控系統(tǒng)

0 引言

水下滑翔機(jī)作為一種新型的海洋觀測平臺, 通過改變自身浮力來提供驅(qū)動力, 采用內(nèi)置的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)改變姿態(tài), 并利用水平翼產(chǎn)生前進(jìn)的推力, 以實現(xiàn)滑翔運動。其具有噪聲低、能耗小的特點, 可攜帶測量海水溫度、鹽度和深度等參數(shù)的傳感器進(jìn)行持續(xù)海洋觀測, 時間可長達(dá)幾個月, 航程可達(dá)上千海里, 這使得水下滑翔機(jī)的研發(fā)在國內(nèi)外都備受重視[1]。

目前, 國外研究機(jī)構(gòu)已研發(fā)出Seaglider和Tsukuyomi等水下滑翔機(jī)[2-3], 國內(nèi)學(xué)者也研發(fā)出Petrel和Seagull等水下滑翔機(jī)[4-5]。近年來, 水下航行器半實物仿真研究不斷深入, 張禹等[6]搭建了自主水下航行器(autonomous undersea vehic- le, AUV)半實物仿真平臺, 進(jìn)行AUV的實時仿真和研制工作; 趙加敏等[7]搭建了遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)集成仿真系統(tǒng), 可以較為真實地模擬ROV的工作過程; 甘永等[8]搭建的水下機(jī)器人半實物運動仿真系統(tǒng), 可以驗證系統(tǒng)的硬件體系、數(shù)據(jù)接口和可靠性?，F(xiàn)有水下機(jī)器人的仿真系統(tǒng)可以用于特定AUV、ROV等的仿真, 但針對水下滑翔機(jī)特殊的運動形式、通信模式及所采用的硬件設(shè)備已不能很好地滿足其仿真要求。

針對水下滑翔機(jī)所采用硬件設(shè)備的開發(fā)、獨特運動形式下的控制系統(tǒng)設(shè)計、特殊通信模式的測試等, 文中設(shè)計了一種水下滑翔機(jī)的半實物仿真系統(tǒng)。通過主控系統(tǒng)采集處理水下滑翔機(jī)水下環(huán)境以及運動狀態(tài)等信息, 并上傳到數(shù)據(jù)接收處理軟件, 仿真水下滑翔機(jī)與岸站的通信過程, 可以實現(xiàn)水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的仿真測試。該系統(tǒng)可以大大提高水下滑翔機(jī)的研發(fā)效率, 顯著降低其研發(fā)成本。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 具體包括虛框外主控系統(tǒng)的實物仿真部分和虛框內(nèi)的仿真系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)管理軟件及數(shù)據(jù)接收處理軟件組成的虛擬仿真部分。

其中在主控系統(tǒng)上可以進(jìn)行水下滑翔機(jī)的運動控制仿真、各類搭載傳感器數(shù)據(jù)采集的仿真和與岸站進(jìn)行通信的仿真等實物仿真。成功仿真后主控系統(tǒng)的備份可以直接用于水下滑翔機(jī)的控制。虛擬仿真部分主要由可以仿真科學(xué)傳感器系統(tǒng)、航行傳感器系統(tǒng)、應(yīng)急處理系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)模塊的仿真系統(tǒng)和安裝在計算機(jī)上的仿真系統(tǒng)管理軟件及數(shù)據(jù)接收處理軟件組成。水下滑翔機(jī)搭載的各類傳感器模塊都通過仿真系統(tǒng)仿真實現(xiàn), 能節(jié)省大量用于采購傳感器、通信設(shè)備等的經(jīng)費, 也能快速進(jìn)行各模塊的更新與改進(jìn)。數(shù)據(jù)接收處理軟件與主控系統(tǒng)相互配合仿真水下滑翔機(jī)的通信過程, 并且對數(shù)據(jù)接收處理軟件稍做改進(jìn), 即可作為實際水下滑翔機(jī)的岸站數(shù)據(jù)接收處理軟件。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

文中針對水下滑翔機(jī)所搭載電導(dǎo)率-溫度-深度(conductivity-temperature-depth, CTD)傳感器、傾斜補償三軸羅盤模塊(tilt compensated 3-Axis compass module, TCM3)姿態(tài)傳感器等硬件設(shè)備的開發(fā)均通過仿真系統(tǒng)實現(xiàn)。在主控系統(tǒng)中, 針對水下滑翔機(jī)的“鋸齒形”運動進(jìn)行其控制算法的設(shè)計。水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)可以完成水下滑翔機(jī)的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及所搭載傳感器數(shù)據(jù)接口等的仿真測試。具體仿真過程為: 通過仿真系統(tǒng)管理軟件配置水下運動時水下環(huán)境、水下滑翔機(jī)運動狀態(tài)等信息, 并由仿真系統(tǒng)將這些信息送入水下滑翔機(jī)的控制器, 控制器輸出對應(yīng)的控制信息, 再經(jīng)由仿真系統(tǒng)采集處理后送入仿真系統(tǒng)管理軟件保存。最后, 主控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)接收處理軟件進(jìn)行通信, 仿真水下滑翔機(jī)與岸站接收機(jī)的通信過程。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu), 由虛線框內(nèi)的虛擬仿真部分和虛線框外的實物仿真部分組成, 如圖2所示。虛擬仿真部分由一臺計算機(jī)和一款STM32F429開發(fā)板構(gòu)成。計算機(jī)上安裝仿真系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)接收處理兩款仿真軟件。仿真系統(tǒng)以STM32F429開發(fā)板作為硬件平臺, 此硬件平臺包含計算處理模塊、串口通信模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊等, 可以滿足GPS仿真模塊、科學(xué)傳感器仿真系統(tǒng)、航行傳感器仿真系統(tǒng)、應(yīng)急處理仿真系統(tǒng)和運動控制仿真系統(tǒng)等的需求。

圖2 半實物仿真系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

實物仿真部分的主控系統(tǒng)由計算處理模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等部分組成, 并通過RS232串口、A/D、D/A等硬件接口與虛擬仿真部分連接, 從而可以完成水下滑翔機(jī)的運動控制、與岸站接收機(jī)通信、傳感器數(shù)據(jù)采集和存儲等任務(wù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計

水下滑翔機(jī)主控系統(tǒng)軟件基于Keil uVision5, 并使用FreeRTOS(嵌入式實時操作系統(tǒng))進(jìn)行開發(fā)。主控系統(tǒng)軟件具體流程如圖3所示。

主控系統(tǒng)軟件首先進(jìn)行系統(tǒng)時鐘、中斷和外設(shè)等初始化工作; 然后等待接收用戶的控制命令, 接著根據(jù)接收到的控制指令執(zhí)行浮力調(diào)節(jié)、俯仰調(diào)節(jié)、鋸齒形周期運動、科學(xué)傳感器數(shù)據(jù)采集及應(yīng)急處理等任務(wù); 最后, 當(dāng)水下滑翔機(jī)處于水面通信狀態(tài)時, 會給通信模塊上電, 執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳任務(wù)。

圖3 主控系統(tǒng)軟件流程圖

面對水下惡劣危險的環(huán)境, 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計在滿足水下滑翔機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集和通信等基本任務(wù)要求的同時, 必須有足夠的健壯性和可靠性。目前水下滑翔機(jī)在面臨危急狀況時, 大多采用拋載機(jī)構(gòu)拋棄重物來保障水下滑翔機(jī)的安全, 在主控系統(tǒng)軟件設(shè)計時, 針對危急狀況的處理包括了超深拋載、超時拋載、漏水拋載、欠電拋載、通信超深拋載及系統(tǒng)錯誤拋載等多種狀況。例如, 系統(tǒng)錯誤拋載是通過主控板與拋載控制板每隔一段時間進(jìn)行通信一次, 超過設(shè)定時間, 主控板未與拋載板進(jìn)行通信, 則認(rèn)定系統(tǒng)出錯誤, 拋載板控制拋載機(jī)構(gòu)立即拋載, 以此來保障水下滑翔機(jī)的安全。

3.2 仿真系統(tǒng)軟件及仿真系統(tǒng)管理軟件設(shè)計

仿真系統(tǒng)軟件和仿真系統(tǒng)管理軟件分別基于KeiluVision5、Visual Studio 2010進(jìn)行開發(fā), 其中Visual Studio 2010既具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力, 又具有便捷的界面設(shè)計功能, 可以滿足仿真系統(tǒng)管理軟件的開發(fā)需求。仿真系統(tǒng)軟件與仿真系統(tǒng)管理軟件之間的數(shù)據(jù)流程圖和仿真系統(tǒng)管理軟件分別如圖4和5所示。

水下滑翔機(jī)主控板通過仿真系統(tǒng)板通知仿真系統(tǒng)管理軟件仿真開始, 然后仿真系統(tǒng)管理軟件讀取包含水下環(huán)境、水下滑翔機(jī)狀態(tài)等參數(shù)的配置文件(通過水下滑翔機(jī)數(shù)學(xué)建模或試驗獲得), 將配置文件信息依次通過串口發(fā)送給仿真系統(tǒng)板進(jìn)行水下環(huán)境、滑翔機(jī)狀態(tài)等狀況的仿真, 并將相關(guān)仿真信息送入水下滑翔機(jī)的主控系統(tǒng)。而后仿真系統(tǒng)板采集水下滑翔機(jī)的控制信息, 如俯仰、橫滾機(jī)構(gòu)的控制信號等, 并將采集到的信息發(fā)送到仿真系統(tǒng)管理軟件進(jìn)行存儲。用戶也可以通過仿真系統(tǒng)管理軟件設(shè)置水下滑翔機(jī)漏水、超深等突發(fā)狀況, 以此來測試水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)急處理功能是否滿足設(shè)計要求。

圖4 仿真系統(tǒng)管理軟件與仿真系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流程圖

圖5 仿真系統(tǒng)管理軟件

3.3 數(shù)據(jù)接收處理軟件設(shè)計

水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)接收處理軟件同樣采用Visual Studio 2010開發(fā), 它主要負(fù)責(zé)將水下滑翔機(jī)上傳的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)(如溫度、鹽度和深度)、運動姿態(tài)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)等進(jìn)行解析、顯示和存儲。同時, 還可以向水下滑翔機(jī)下達(dá)任務(wù)規(guī)劃命令, 規(guī)劃水下滑翔機(jī)的下潛深度、俯仰角度及航向等, 具體的數(shù)據(jù)接收處理軟件流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收處理軟件流程

開發(fā)數(shù)據(jù)接收處理軟件時, 首先創(chuàng)建一個對話框的工程, 然后使用Visual Studio 2010提供的各類控件來設(shè)計程序的界面, 其中串口通信使用MSComm控件來實現(xiàn), 使用該控件非常高效、方便, 只需簡單的配置即可實現(xiàn)串口通信[9]。

如圖7所示, 數(shù)據(jù)接收處理軟件采用圖形化界面設(shè)計, 便于用戶對水下滑翔機(jī)運動狀況進(jìn)行觀察與分析。

圖7 數(shù)據(jù)接收處理軟件

通過自定義繪圖類實現(xiàn)水下滑翔機(jī)深度數(shù)據(jù)曲線、俯仰角度數(shù)據(jù)曲線和航向角數(shù)據(jù)曲線的繪制。數(shù)據(jù)接收處理軟件還會將數(shù)據(jù)存儲到以任務(wù)號(水下滑翔機(jī)每執(zhí)行一次任務(wù)會有唯一1個任務(wù)號)命名的.txt文本文件中。這樣方便用戶使用更專業(yè)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

4 系統(tǒng)測試

水下滑翔機(jī)在進(jìn)行湖試或海試前, 通常需要先在岸上進(jìn)行虛擬周期測試。為此在水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試前, 首先進(jìn)行主控系統(tǒng)的虛擬周期測試, 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理軟件和仿真系統(tǒng)管理軟件等的測試, 最后在確保各子系統(tǒng)沒有問題的情況下再進(jìn)行水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)測試。

水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)測試所使用的水下環(huán)境和水下滑翔機(jī)狀態(tài)等參數(shù)的配置文件, 根據(jù)“海鷗”號水下滑翔機(jī)在千島湖某測試基地測試時的實測數(shù)據(jù)生成[10]。

水下滑翔機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向仿真測試時, 當(dāng)未達(dá)到設(shè)定的航向時, 可記錄到控制重塊旋轉(zhuǎn)電機(jī)仿真信號量的持續(xù)輸出; 而當(dāng)達(dá)到設(shè)定航向時, 控制重塊旋轉(zhuǎn)電機(jī)的仿真信號量停止輸出, 如圖8所示。

圖8 水下滑翔機(jī)轉(zhuǎn)向仿真測試

至于水下滑翔機(jī)的浮力驅(qū)動、姿態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)定參數(shù)與運動速度、俯仰角等運動參數(shù)的關(guān)系, 通常在前期由水下滑翔機(jī)的動力學(xué)建模、水動力仿真等確定。在水下滑翔機(jī)的試驗中, 也可以通過控制系統(tǒng)測量一段時間內(nèi)水下滑翔機(jī)的深度變化(與浮力驅(qū)動相關(guān)), 得到水下滑翔機(jī)的垂直速度分量, 進(jìn)而估算出其水平速度(不考慮海流), 間接得到水下滑翔機(jī)浮力驅(qū)動與運動速度的關(guān)系; 此外, 試驗時設(shè)定俯仰角可以應(yīng)用比例-積分-微分(proportion-integral-derivative, PID)算法(通常只采用P)得到與姿態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)的關(guān)系。經(jīng)過對水下滑翔機(jī)“鋸齒形”運動進(jìn)行多個周期的測試, 測試結(jié)果顯示水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)可以較好地滿足設(shè)計要求。

針對水下滑翔機(jī)的下潛超深、載體漏水、電池欠電等主要故障進(jìn)行了全面仿真測試, 水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)能很好地滿足仿真要求。圖9為進(jìn)行載體漏水故障仿真測試。

長時間測試表明, 該水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定, 實現(xiàn)了文中所設(shè)計的功能, 可以滿足水下滑翔機(jī)半實物仿真的要求。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種水下滑翔機(jī)的半實物仿真系統(tǒng)。通過主控系統(tǒng)采集處理水下滑翔機(jī)水下環(huán)境以及運動狀態(tài)等信息, 并上傳到數(shù)據(jù)接收處理軟件, 仿真水下滑翔機(jī)與岸站的通信過程, 可以實現(xiàn)水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的仿真測試。使用該系統(tǒng)可以高效率地進(jìn)行水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等的研發(fā)測試。有效降低水下滑翔機(jī)的研發(fā)成本, 使更多科研人員和學(xué)生有機(jī)會進(jìn)行水下滑翔機(jī)的研究, 具有教育及教學(xué)意義。同時, 該系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定, 升級與維護(hù)方便, 可以較好地滿足設(shè)計要求, 具有理想的應(yīng)用前景。

下一步工作還需考慮水下滑翔機(jī)多種通信方式及其之間的切換, 并進(jìn)一步開展水下滑翔機(jī)仿真數(shù)據(jù)分析軟件的開發(fā)。

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Design and Realization of Hardware-in-the-loop Simulation System of Underwater Glider

PAN Hao-dong, WANG Zhi-guang, LIU Chun-hu, LIAN Lian

(The State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

In order to improve the research and development efficiency of the underwater glider and reduce the cost of research and development, a hardware-in-the-loop simulation system for the underwater glider is designed. The system simulates the underwater environment and the motion states of the underwater glider during the motion and sends the information to the main control system of the glider. The main control system outputs the corresponding control information, and then collects the information through the simulation system. After processing, it is sent to the simulation system management software for storage which is convenient for users to analyze and process. Finally, the main control system uploads the data to the data receiving and processing software through the RS232 serial port to simulate the communication process between the underwater glider and the shore station. Through the proposed system, the research of the underwater glider control system and communication system can be efficiently performed, and the research and development costs of the underwater glider can be reduced.

underwater glider; hardware-in-the-loop simulation; data receiving and processing; main control system

TP242; TP391.9

A

2096-3920(2020)04-0440-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.013

2019-09-17;

2019-12-27.

國家高技術(shù)發(fā)展研究計劃(863計劃)(2015AA09A112).

潘昊東(1990-), 男,碩士,主要研究領(lǐng)域為潛水器運動控制與仿真.

潘昊東, 王志光, 劉純虎, 等. 水下滑翔機(jī)半實物仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(4): 440-445.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)