20kg级便携式自主水下机器人(AUV)设计与实现

20 kg级便携式自主水下机器人(AUV)设计与实现*

王芬清,何 波,张洪进

【摘 要】摘 要: 便携式AUV具有结构紧凑、机动性好、制造和使用成本低等优点,本文设计AUV的底层控制系统和自主导航系统,并进行仿真验证和人工湖试验,结果证明底层控制系统具有很好的鲁棒性,基于AHRS、数字罗盘和GPS的惯性导航算法能够通过浅水节点潜航方式实现AUV自主导航。 【期刊名称】中国海洋大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2011(041)007 【总页数】6

【关键词】关键词: 便携式AUV;底层控制系统;惯性导航;AHRS

AUV代表了未来水下机器人技术的发展方向,是当前世界各国研究工作的热点。AUV在水下面临着复杂的海底环境,底层控制系统必须要有足够的可靠性以完成高层的相关指令并防止AUV发生碰撞或丢失[1]。自主导航能力是AUV有效应用和安全回收的关键技术,但由于受其大小、重量、电源使用的限制及水介质的特殊性、隐蔽性等因素的影响,实现AUV的精确导航是一项艰难的任务。 本文研制的AUV是1种鱼雷形的微小型自治水下机器人,具有性能良好的运动控制系统,可根据不同需要挂载仪器设备,完成相应的水下探测任务。AUV的设计主要包括机械系统设计、电控系统设计以及系统的整合。机械系统由铝合金密封舱和推进器构成。密封舱分为2部分:前舱放置传感器系统,后舱放置推进器驱动系统,2个密封舱的中间放置垂直推进器。推进器用来实现AUV的运动。电控系统由参数采集监测和推进器驱动2部分组成,主要负责通信、系统状态参数采集、推进器控制、外挂设备管理等功能。AUV配备无线通信平台,接收预编

程指令后即可进行自主作业任务。AUV内部采用CAN总线等多种通信方式。 传统的AUV的水下导航定位依赖于舱内的多传感器系统,如主动声纳、避碰声纳、DVL、GPS、陀螺仪等,传感器系统采集数据上交至岸基或母船计算机进行处理,完成AUV的路径规划和控制决策等相关任务。

本文的小型AUV搭载有AHRS、数字罗盘、GPS,并设计了“浅水节点潜航”方式的自主导航算法,在湖试中取得了预期的效果。

1 小型AUV机械结构设计

AUV采用推进器作为运动控制部件,推进器产生的推力是水动力,其具备3个自由度的运动,即进退、潜浮和转艏。

其中水平推进器T1布置在AUV尾部,控制AUV进退;垂直推进器T2布置在2个舱体之间,控制AUV潜浮。推进器布置如图1所示,粗箭头表示推进器。 方向舵布置在AUV尾部,控制AUV转艏。 综上所述,AUV整体机械外形设计效果见图2。

电控系统主要包括传感器参数采集监测和推进器驱动的设计。

参数采集监测 电控系统作为AUV指挥中心必须能够实时处理采集的数据并做出相应动作,包括测量AUV航行速度、电源电压和电流、监测水密舱的密封情况以及接收其他机载传感器传回的数据。 AUV参数采集监测系统见图3:

主控单片机采用美国M icrochip公司的DSC(数字信号控制器)系列高端16位单片机,它集成了单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和吞吐能力[2]。推进器驱动 为对AUV的运动进行良好控制,可将其运动按水平和垂直2个方向进行分解,这样可以设计2套独立的推进系统来实现进退、潜

浮、转艏3个自由度的运动[3]。

推进器采用性能优异的200 W直流电机,其具有良好的启动特性和调速特性,电机驱动采用了无接触式的纹波测速,微控制器采用M icrochip公司的dsPIC30F4011,集成了6路电机控制PWM信号生成模块,该模块简化了产生多种同步脉宽调制输出的任务,集成了10位A/D转换器、9个模拟输入引脚、能对多达4个模拟输入引脚进行同时采样等等,方便了参数采集系统的设计。 电机驱动部分采用IR公司的驱动器:R2136和MOSFET:FP054N构成桥式可逆PWM驱动电路。IR2136采用了600 V BCDMOS工艺,其源极耐压为600 V,芯片集控制电路,电平转换,低阻抗输出和识别保护为一体。该驱动电路只需几个外围分立元件就可使桥式电路的逻辑控制信号与MOS栅极器件完整连接,采用它可以使功率系统的设计时间缩短,尺寸减小,成本降低,可靠性提高。

总体电机驱动电路的原理示意图见图4,该电路可以驱动最大电压600 V,最大电流80 A的直流电动机,实现10%～99%占空比可逆PWM运转。电机采用双闭环PID调速,内环为电流环,外环为转速环。

舵机驱动采用步进电机控制系统。步进电机角位移与输入脉冲严格成正比,用其组成的开环数控系统具有动态响应快、控制精度高、成本低而且性能可靠等优点。

3 AUV整机组装

AUV内部具有无线总控制板、CAN转RS232有线总控制板、步进电机驱动和参数检测板、电机驱动板和电源板等。AUV设计有2套通信方案:无线方式和有线方式。图5～7分别为AUV机械外形、电控系统、浮力配置和湖试。

4 传感器选型