一种基于微小型水下机器人推进器的控制系统设计

一种基于微小型水下机器人推进器的控制系统设计 . 第 卷 第 期 中 国 水 运 年 月 一 种基于微小型水下机器人推进器的控制系统设计 季 册,张凯临 中国海洋大学 信息科学与工程学院,山东 青岛摘 要:文中运用嵌入式 操 作系统与 芯片设计了一款适用于无人有缆水下机器人推进器的控制方法。 系统选用三星公司的芯片为处理器,利用 芯片负责构建脉冲宽度调制电路, 应用 桥驱动器完成 水下推进器的驱动。系统在实验室中进行了测试,实验结果明该系统设计 合理、实时眭较高,能够出色地完成推 进器的运动控制。 关键词:嵌入式 ; ;微小型水下机器人;运动控制 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: ?? ?一 、 引言 控制系统是水下机器人的重要组成部分,其性能的优劣 直接关系到机器人的运转及水下作业的准确性。设计一款响 应迅速、性能稳定的控制系统,是保证水下机器人安全的需 要,也是提升其工作效率的必然选择。微小型水下机器人体 积小巧、机动灵活、成本低廉、搭载方便,已成为水下系统 装备中不可或缺的组成部分。现在已广泛应用于堤坝、大型 水罐、河道、浅海等环境监测工作中。嵌入式计算机具有系 统精简、实时性高、专用性强等特点,能够出色的完成数据 采集、网络通信等任务,将其安装在水下机器人上,充分发 图 系统结构框图 挥嵌入式系统体积小、功耗低的优势,对微小型水下机器人 三、硬件设计 整体性能提升作用巨大。 水下机器人使用基于 处理器的开发板作为主 本系统水面平台使用安装 操作系统的便携式电 控制板,采用公司的 实现脉宽调制信号, 桥 脑,通过光纤网络将机器人操纵杆信号传输至水下机器人, 驱动电路完成电机双向转动和速度调节。传输模块使用光纤 机器人主控板根据信号执行相应动作。主控板由基于三星公 收发器,光纤收发器负责双绞线与光缆间的信号转换,确保 司的处理器设计完成。设计为:利用主控板 数据在两个网络间顺畅传输。系统使用 维操纵杆实现机器 的端口输出运动指令,指令下达至 控制板,控 人在 、 、 三自由度上的运动,同时配备水下灯、云台控 制板根据指令输出具体的脉冲宽度调制信号,调制信号作用 制、传感器等功能按钮。调试方法上,宿主机使用于 桥驱动板,完成水下推 进器动作。 接口与开发板相连,通过串口对其进行调试。 二、系统的总体方案设计 .主控制板 整个系统分硬件和软件两部分。硬件由主控制板、 主控制板芯片采用三星公司嵌入式微处理器, 模块、 桥驱动模块、水面平台组成;软件程序则包含水下 该芯片属于 系列,主频最高达,由 级流 推进器驱动及控制程序、通信程序。系统整体如图 所示。 水线组成,比 内核提高了至少%的吞吐量,其高 首先,水下机器人的传感器对水下位置数据进行采集,通过 数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用。整个 以太网网卡将传感器数据发送到水面平台,水面平台根据实 主控制板根据需要,设计了以太网接口,并预留处理器的 时信息使用机器人操纵杆向水下推进器下达运动指令,机器 端口,用于连接 板进行指令发送。 人主控板收到指令后进行处理,然后发送运动命令给 . 控制板 控制板,控制板板输出具体运动信号, 桥驱动器则根据信 公司的 一 系列 继承自 号驱动水下推进器。 收稿日期: ? ? 作者简介:季 册 一 ,男,吉林四平人,中国海洋大学信息科学与工程学院,硕士,研究方向为嵌入式系统、海 洋信息探测。 张凯临 一 ,男,山东青岛人,中国海洋大学信息科学与工程学院,高级工程师,研究方向为海洋光学 , 海洋仪器、自动化等。 基金项目:国家高技术研究发展 计划 ,项目名称:赤潮及浮游植物优势物种监测机载海洋激光荧光雷达 , 项 目编号:。第 期 季 册等:一种基于微小型水下机器人推进器的控制系统设计 ? ,适用于对容量要求高、成本又很敏感的用户 群。它是 公司低成本 的典型代表,已经被广泛应用于各类低端产品中。本文用这款芯片完成三个推进器; 速度调节、水下灯、云台控制。在硬件设计中,使用了一个 ;选 数据选择器 图 中 ?分配地址。其中,地址 “ ”、“ ”、“ ”供三个水下推进器使用,地址 “ ” 】 分配给水下灯与摄像头云台使用。速度的大小取决于 占空比,占空比越大,速度越快,速度调节由 : 当上升沿 到来时,将 、中电平从 设置, : 设置为,速度最小,设置为 速 、输出。 度为最大值。 的逻辑如图 所示。 图 所示为脉宽设置模块,该模块使用计数器,每隔一 定时间间隔,从指定端口输出高电平,具体端口号由 设定。只要设置不同的时间问隔,即可控制输出电平的占空 比。时钟信号从 输入 位计数器 ,开始从 ~不停计数,将计数值从: 】输 入至 的: ,然后使用? : 】判断输入值,满足条件后输出到临时变量 ? 。 使用 控制输出端口,若 为 ,则将 ?的值赋给,否则赋值给 。 ?与 ? 分别表示水下推进器的正向与反向。 图逻辑框图 桥驱动电路 水下机器人动力系统由三个直流有刷推进器组成,分别 埘 果 控制三个自由度,本文采用 半桥驱动芯片和??管构成 桥驱动器。直流电机 的控制方法相对简单:电机的 『一 一 ? 一 。 正/反转由电压极性控制,电机转速通过调整电压值调节。文 中对转速的控制采用开关驱动方式,即通过 脉宽调制 一 信号来控制电机的平均电压,从而实现对其速度的调整。 直流电机的转速 的计算公式如下: 图 ? 内音 结构 ? ?: 二 墨 ? .通信程序设计 控制程序分为水面平台控制程序和水下机器人执行程 式中 表示电机端电压, 表示电机电流,?是电 序。水面平台控制程序主要完成操纵杆数据的采集,并使用 机电路总电阻。为每级磁通量 , 为电机常数。 通信网络发送至水下机器人;机器人的执行程序需要接收网 由式 可知,对于水下推进器转速 的控制,在? 络发送的信息,进行处理后发送水下推进器控制指令。程序 一 定的条件下,需要改变端电压 。因此可令推进器产生横 使用 下基于的 通信,将所需发送的 向和纵向的推动力,通过对这些推动力进行组合,能够实现 数据通过协议发送。同时,为避免阻塞现象,使用机器人的前后、上下、左向、 右转运动,具体动作由软件程 函数设置非阻塞工作方式,时间设计为 。软件流程图 序实现。 如图 所示。 四、软件设计 球面平台 软件设计包括使用 编写的 硬件电路程序、 初菇说 妊%水下推进器与水面平台的控制程序、控制指令通信程序。 。 . 硬件电路程序设计 监听阱络 始化主拄板 图 中的是 位 触发器,代码如下: 调用 敬 把雌听? 加入 建 套接句柄列袁 设置 等持时间; 【 : ,~ 一 一一 腿 , 【 : , 技送柠制器数据 , ; 图 数据传输软件流程图中 国 水 运 第 卷 协议提供可靠的字节流服务, 保证水下推进器运动 状态,具体细节如表 所示。 的准确性与安全性。 函数提供非阻塞通信机制, 节省资源提高程序的执行效率。在水面平台上,平台首 先初始化操纵杆,建立 套接字,设置 地址。初始 化完成后使用 函数发起连接 此时水下机器人 端的执行程序应该已经完成自身的初始化。若连接成功,则 开始处理操纵杆数据,并发送数据至水下机器人。对于水下 机器人部分,上电初始化需要加载水下推进器驱动程序,创 建 套接字,并用 函数服务器 地址。初始 图 水下机器人装配图 化结束后,水下机器人将使用函数监听网络,并 表 水下推进器的运动状态 用 函数接受水面平台的连接请求。随后设置 函数的时间参数、需监听的 文件描述符。一切准 备完毕后机器人主控板使用函数接受水面平台数据, 对数据处理后发送至推进器执行。 .操纵杆控制程序设计 平台操纵杆采集到的数据分两类,即操纵杆功能按键的 键值与操纵杆方向轴的变化角度值。按键能根据“按下”、“抬 起”对应输出数字“ ”、“ ”。方向轴可输出一 至 “ ”表示推进器正转,” 一”表示推进器反转,”一” 范围内整数值,通过对方向轴整数值的,本文中将操 表示停转 纵杆分为 个档位,用以实现水下推进器的速度调节。 表 中通过对三个不同位置推进器的组合,实现机 按钮用来实现照明系统的亮度调节、云台的俯仰角度调 器人三个自由度的运动。由于螺旋桨驱动时会产生一定 节和传感器的采集等工作。操纵杆速度划分如图 所示。 的扭矩,为保持操纵稳定性,需要保证水平方向推进器 的扭矩平衡,因此设计动作时将推进器 与推进器 的 转动方向反向设置。 五、系统测试及性能分析 将测试程序烧写进水下机器人主控板,主控板使用嵌入 式 操作系统,系统设置开机自启动网络通信服务、加 载水下推进器驱动、推进器控制程序。 在水面平台操作操纵杆,可从水下推进器信号接收端得 到如下波形 图 。 蝴舻 . , 箩 , 图 操纵杆速度划分 在图 中,在操纵杆角度变化的起始端加装保护区,防 止操作不当造成误触发。在工作区从低速到高速设置了 种 速度,最下端极值区是操纵杆机械特性造成的操作盲区,该 区无数据输出。速度与操纵杆角度信号对应值如表 所示。 表 操纵杆对应速度取值 根据以上分析后即可编写水下机器人推进器的动作组 合,本文设计中共使用三个水下推进器 图 ,分别编号为 图 水下机器人接 收到的 信号 、 、 ,这三个推进器的协同工作决定水下机器人的运动 下转第页