宋 林，吳尹紅

（攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

0 引言

近年來，隨著江河湖泊的開采、水底調(diào)研探索以及軍事等領(lǐng)域的運(yùn)用，無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV）得到越來越廣泛的應(yīng)用。UUV進(jìn)行江海湖泊水底世界的探索需要各個(gè)傳感器反饋的數(shù)據(jù)綜合判斷水下環(huán)境來反饋?zhàn)陨憝h(huán)境信息和調(diào)整自身狀態(tài)。UUA搭載的采集設(shè)備，可對(duì)水底環(huán)境進(jìn)行采樣，通過采集到的環(huán)境信息經(jīng)過反饋處理，可進(jìn)行地圖繪制，也可根據(jù)IMU慣性測(cè)量單元檢測(cè)出當(dāng)前的機(jī)體狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用四翼螺旋槳結(jié)構(gòu)，可飛出水面方便觀測(cè)回收。

1 整體設(shè)計(jì)思路

本文研究的無人水下航行器以STM32單片機(jī)為主控芯片，搭載MS5803溫度壓力傳感器，以溫度壓力傳感器計(jì)算溫度、深度與海拔。電量計(jì)芯片HLW8032測(cè)量電壓計(jì)算電量，避免電量不足無法回收。為避免在失聯(lián)情況下，UUA發(fā)生碰撞損壞航行器，本設(shè)計(jì)還增加了障礙檢測(cè)設(shè)計(jì)。對(duì)于UUA的姿態(tài)控制采用MPU6050六軸陀螺儀配合STM32主控芯片進(jìn)行姿態(tài)控制與機(jī)翼故障檢測(cè)。LoRa模塊負(fù)責(zé)傳輸采集到的姿態(tài)深度、速度等數(shù)據(jù)和指令的接受。其整體硬件思路如圖1所示。

圖1 整體硬件思路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32主控芯片

本文選用STM32F446RET6芯片為微控制單元(Microcontroller Unit，MCU），采用ARM框架Cortex-M4內(nèi)核、180 MHz主頻、50個(gè)I/O接口、128 kB RAM、512 kB Flash，3個(gè)高精度的12位ADC配有16個(gè)通道，擁有4個(gè)USART、2個(gè)速度達(dá)11.25 Mbit/s的UART、4個(gè)速度達(dá)45 Mbit/s的SPI、2個(gè)CAN、SDIO、HDMI等接口。與其它單片機(jī)相比，STM32價(jià)格較便宜且性能高，性價(jià)比極高，同時(shí)具有方便設(shè)計(jì)的配套軟件，且生成代碼易維護(hù)。

2.2 MPU6050芯片

MPU6050具有X軸、Y軸、Z軸加速度計(jì)和X，Y，Z三軸角加速度計(jì)，可以輸出三軸加速度，三軸角速度。其中，INT引腳接口為中斷引腳。MPU6050中，時(shí)鐘引腳SCL與數(shù)據(jù)傳輸引腳SDA連接控制芯片的I2C接口，控制芯片可以通過I2C通信協(xié)議讀取數(shù)據(jù)。MPU6050除SDA與SCL兩個(gè)接口外，還有XDA與XCL接口，這兩接口是用于連接地磁計(jì)，配合地磁計(jì)組合成九軸慣性測(cè)量單元。姿態(tài)控制與故障檢測(cè)都需靠MPU6050計(jì)算出機(jī)體的俯仰角，橫滾角與偏航角。

2.3 電源電壓電路設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上電子調(diào)速器通常一端接電源，一端接電機(jī)，剩余三根線分別為5 V輸出，GND與信號(hào)線，不需要再用5 V降壓芯片進(jìn)行降壓。為避免電壓不足造成的電池?fù)p壞與UUA電量不足無法回收，則需要進(jìn)行電量計(jì)算，市場(chǎng)上對(duì)于電池電量的計(jì)算常采用測(cè)量電壓確定電量的方法，因電壓與電量非線性關(guān)系需對(duì)電壓與電量關(guān)系進(jìn)行量化后一一對(duì)應(yīng)。本文所采用的為HLW8032計(jì)量芯片，其優(yōu)點(diǎn)是可通過UART通信直接讀取數(shù)據(jù)，相比于HLW8012工作電流更高但其功能更為豐富，使用更為方便。

2.4 深度傳感器

為保證水下UUV航行安全、數(shù)據(jù)采集與控制等需求外，還需要對(duì)當(dāng)前壓強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。UUV實(shí)時(shí)位置與距離水底位置信息，無人水下航行器常采用回聲測(cè)距原理計(jì)算測(cè)量，如單/雙頻單波束聲吶、多波束聲吶等［1］，但考慮到成本與用途本文則采用MS5803壓力傳感器進(jìn)行深度測(cè)試。壓強(qiáng)信息的采集主要利用壓強(qiáng)較為敏感的傳感器，將從外界采集到的信息用ADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在經(jīng)過一系列的復(fù)雜運(yùn)算，得到需要的壓強(qiáng)值，再通過MCU讀取出測(cè)量所得壓強(qiáng)與溫度，最后通過壓強(qiáng)計(jì)算，可以得到機(jī)器人目前的下潛深度，因此也可被稱為深度傳感器［2］。其中，深度可由壓強(qiáng)公式計(jì)算得出。

3 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)設(shè)計(jì)

3.1 姿態(tài)控制原理

姿態(tài)解算算法各有特點(diǎn)，選擇合適的姿態(tài)解算算法是得到更為準(zhǔn)確的姿態(tài)信息的關(guān)鍵，也可由姿態(tài)矩陣計(jì)算得出所需的載波姿態(tài)和方位距離等重要信息，這也是慣性導(dǎo)航算法的重要數(shù)據(jù)來源過程［3］。MPU6050官方推出了自動(dòng)數(shù)字處理，即DMP庫。與歐拉角法、四元數(shù)法相比，DMP庫可通過移植直接讀取姿態(tài)角，而不需要煩瑣的調(diào)試參數(shù)工作［4］。MPU6050配合地磁計(jì)能完整的輸出四元數(shù)，除輸出三軸角速度與三軸加速度外，MPU6050還可輸出芯片溫度值，本文所設(shè)計(jì)的UUA其姿態(tài)解算便是采用了DMP庫。

四翼無人水下航行器受力分析，如圖2所示。無人水下航行器四翼安裝4個(gè)無刷電機(jī)，改變這4個(gè)無刷電機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度改變四翼的升力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4。當(dāng)四翼電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，因螺旋槳的造型，四翼上電機(jī)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)相反的轉(zhuǎn)矩T1，T2，T3，T4。如果其四翼同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向相同，則四翼上螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會(huì)使機(jī)身旋轉(zhuǎn)。為使航行器不產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，因此，使對(duì)角的兩翼螺旋槳正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，另一對(duì)螺旋槳與之相反則可以使四翼產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消。通過改變其中一對(duì)對(duì)角兩翼無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變機(jī)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)［5］。當(dāng)F1＝F3＞F2＝F4時(shí)，則UUA逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之正轉(zhuǎn)；當(dāng)F1＝F2＞F4＝F3時(shí)，則UUA向y軸正方向運(yùn)動(dòng)，反之y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)F1＝F4＞F2＝F3時(shí)，則UUA向x軸正方向運(yùn)動(dòng)，反之x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。

圖2 受力運(yùn)動(dòng)分析示意

3.2 PID調(diào)節(jié)

UUV控制部分解碼出從慣性測(cè)量單元模塊收集到的姿態(tài)數(shù)據(jù)之后，從解碼出的結(jié)果對(duì)姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，即通過控制模塊輸出PWM信號(hào)到電調(diào)部分，對(duì)無刷電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。此時(shí)，需要通過PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出需要的控制量，從而避免電機(jī)因本身質(zhì)量分布不規(guī)則導(dǎo)致的姿態(tài)無法達(dá)到預(yù)定狀態(tài)。在實(shí)際運(yùn)用中，把這種比例、積分和微分通過計(jì)算反饋線路控制輸出量的方式，稱為PID算法。PID控制的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)原理清晰、易于實(shí)現(xiàn)且性能優(yōu)良，常用的公式為：

式中：e(t）為期望值與當(dāng)前狀態(tài)值的偏差；u(t）為PID調(diào)節(jié)后的系統(tǒng)控制輸人量；Kp指比例系數(shù)；K1積分系數(shù)；KD微分系數(shù)。

3.3 故障檢測(cè)

本文研究設(shè)計(jì)的水下無人航行器對(duì)于故障檢測(cè)也做了相應(yīng)設(shè)計(jì)，當(dāng)其中某一機(jī)翼破損時(shí)，當(dāng)前姿態(tài)平衡會(huì)被打破。例如，當(dāng)F1對(duì)應(yīng)機(jī)翼損壞時(shí)，當(dāng)前四翼兩對(duì)角螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)保持的平衡會(huì)被打破不僅出現(xiàn)傾斜且機(jī)身會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)PID算法連續(xù)調(diào)節(jié)多次且誤差依舊太大，則可認(rèn)為機(jī)翼發(fā)生破損，通過姿態(tài)解算，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向可知是哪一對(duì)角出現(xiàn)故障，根據(jù)誤差傾斜角度可判斷出其中損壞的機(jī)翼。

3.4 信號(hào)丟失處理

若信號(hào)丟失，MCU輸出PWM信號(hào)給予UUA搭配舵機(jī)，通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)超聲波模塊，通過超聲波模塊檢測(cè)出障礙避免損壞UUA。對(duì)于復(fù)雜地形，如水底洞穴探索，若因信號(hào)丟失而原路返回，則需要考慮電量是否充足，中途是否發(fā)生障礙變故，根據(jù)實(shí)際情況出發(fā)，若無變故則當(dāng)入水時(shí)將運(yùn)行軌以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“圖”的形式儲(chǔ)存，若無意外則通過記錄入水時(shí)起始位置與當(dāng)前的位置，最后通過Floyd算法進(jìn)行求解。若UUA信號(hào)丟失返回時(shí)原路出現(xiàn)障礙，則須通過超聲波模塊檢測(cè)障礙，同時(shí)重新記錄路徑再通過算法計(jì)算出最優(yōu)路徑。

4 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)使用的無線通信模塊選用E220－400T30S模塊，其理論通信距離為10 km，發(fā)送長(zhǎng)度為200 Byte，更加適用于傳輸較大的數(shù)據(jù)。相比于其他無線模塊，可在其現(xiàn)有功能上進(jìn)行二次開發(fā)，如調(diào)節(jié)空中速率，更改發(fā)送功率，進(jìn)行分包設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于上位機(jī)主要功能是通過MCU自帶的ADC采集到的搖桿與撥盤電壓值，再將這些電壓值等分處理設(shè)置成對(duì)應(yīng)的方向，油門等信息，然后將處理后的信息發(fā)送給下位機(jī)。同理，下位機(jī)也可將采集到的信息進(jìn)行處理，因無線通信模塊接收到數(shù)據(jù)即可根據(jù)設(shè)置好的發(fā)送機(jī)制將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，無須考慮起始位和完成標(biāo)志位，但因數(shù)據(jù)較多，仍需將所有的信息設(shè)置地址加信息的格式發(fā)送給無線通信模塊，方便對(duì)數(shù)據(jù)的還原。因水下通信的局限性，須考慮延長(zhǎng)信號(hào)接收線至水面。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)無人水下航行器的設(shè)計(jì)研究，其電路原理，如圖3所示。無人水下航行器以高性能的STM32F446RE微控制器為核心的處理系統(tǒng)，四翼采用4個(gè)無刷電機(jī)為動(dòng)力源，搭配六軸陀螺儀以Floyd算法配合超聲波模塊檢測(cè)障礙在失聯(lián)情況下自動(dòng)返航，同時(shí)，利用陀螺儀mpu6050對(duì)自身四翼破損情況進(jìn)行檢測(cè)，其模型和實(shí)物，如圖4所示。通過該方案成功的設(shè)計(jì)了無人水下航行器。

圖3 航行器電路原理

圖4 模型和實(shí)物