水下機(jī)器人自救系統(tǒng)的研制

1 引 言

AUV作為人類在海洋活動，特別是深海活動中的重要替代者和執(zhí)行者，已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)考察、深海作業(yè)、打撈救生等領(lǐng)域，其應(yīng)用前景極其廣泛。但AUV的深海作業(yè)環(huán)境是非常惡劣的，時(shí)常面臨著各種各樣的危險(xiǎn)。研制一臺AUV需要大量的人力物力資源，而且每次實(shí)驗(yàn)或作業(yè)所獲得的資料或數(shù)據(jù)具有極大價(jià)值，對于載人機(jī)器人還有生命保護(hù)任務(wù)。如果因故障造成AUV失事沉入海底，將會造成極大損失，對海洋開發(fā)或研究是一個(gè)沉重的打擊，因此，AUV的自救系統(tǒng)也成為AUV的關(guān)鍵設(shè)備之一[1，2]。

本文針對復(fù)雜海洋環(huán)境為某一探測AUV研制出1套高可靠性自救系統(tǒng)。

2 自救系統(tǒng)工作原理及方案設(shè)計(jì)

2.1 自救系統(tǒng)工作原理

水下機(jī)器人的自救，其實(shí)是AUV機(jī)器人通過某種手段使自身在面臨危險(xiǎn)狀況時(shí)能夠快速上浮至水面而獲救。根據(jù)水下機(jī)器人的水下作業(yè)環(huán)境，分析其可能出現(xiàn)的各種故障和風(fēng)險(xiǎn)。

自救系統(tǒng)裝置作為一個(gè)相對獨(dú)立的子系統(tǒng)安裝在機(jī)器人主體上，在機(jī)器人下水前配置好自救用的壓載物和救生信標(biāo)。當(dāng)機(jī)器人在水下出現(xiàn)故障不能正常上浮時(shí)，水面工作人員通過水聲裝置發(fā)送自救命令，一旦自救系統(tǒng)接收到水聲自救命令，自救控制器就驅(qū)動自救執(zhí)行機(jī)構(gòu)拋出壓載物，為機(jī)器人提供足夠的浮力而使其能上浮。當(dāng)機(jī)器人上浮到一定深度后，自救系統(tǒng)釋放出信標(biāo)及強(qiáng)力纜繩浮到水面，借助信標(biāo)內(nèi)的GPS和無線電電臺向母船發(fā)出位置信號，待母船發(fā)現(xiàn)后，抓住信標(biāo)上所附的強(qiáng)力纜繩，用吊車或絞車將浮出水面的水下機(jī)器人回收，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自救[3]。

2.2 自救系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)際要求，自救系統(tǒng)需要獨(dú)立機(jī)器人主體而自成系統(tǒng)，本文自救系統(tǒng)主要包括電源部分、通信及通信單元、控制單元、驅(qū)動單元、釋放機(jī)構(gòu)及信標(biāo)。其中，通信及通信單元主要用來與水面母船和水下機(jī)器人主體進(jìn)行信號傳輸；控制單元完成命令判斷、數(shù)據(jù)處理等功能；驅(qū)動單元接受控制信號產(chǎn)生足夠的驅(qū)動功率來使釋放機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動作；釋放機(jī)構(gòu)單元是特定的機(jī)械機(jī)構(gòu)，能夠順利完成釋放動作；信標(biāo)單元包括無線電電臺、GPS模塊、頻閃燈等，用來浮出水面后給機(jī)器人定位和幫助母船搜索目標(biāo)。其方案具體框圖見圖1。

圖1 水下機(jī)器人自救系統(tǒng)框圖

2.3 水下機(jī)器人自救系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

自救系統(tǒng)是水下機(jī)器人水下作業(yè)安全的重要保證，本文分析其具體實(shí)際應(yīng)用及方案設(shè)計(jì)，總結(jié)出其涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) 復(fù)雜海洋環(huán)境下可靠自救技術(shù)

海洋環(huán)境與陸地不同，其自然條件十分苛刻，除海面上變化莫測的驚濤駭浪之外，隨著海中深度的增加而產(chǎn)生的壓力和溫度的變化也十分劇烈，并且機(jī)器人在海底作業(yè)過程中，還可能遇到不可知狀況，比如不規(guī)則暗流、淤泥、海底地震活動等。這就要求自救系統(tǒng)必須具有高可靠性，在惡劣的環(huán)境中也能順利完成自救任務(wù)[4]。

2) 深海可靠釋放壓載及信標(biāo)技術(shù)

本文方案是采用拋載的方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自救，因此拋載的成功是整個(gè)自救系統(tǒng)順利完成任務(wù)的重要保障，而深海拋載裝置涉及到耐壓和密封等相關(guān)問題，因此在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中要對這些問題分析和解決。

3) 自救系統(tǒng)小型化、低功耗、工程化技術(shù)

由于自救系統(tǒng)是安裝在水下機(jī)器人外殼表面，其體積有一定的要求；并且其自帶電源，具有相對獨(dú)立性，因此要求自救裝置具有小型化、低功耗等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)方案實(shí)施

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

本文系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 自救系統(tǒng)硬件框圖

1) 電源選型

本文所研制的自救系統(tǒng)自帶電源，要求所選用電池能量體積比高、安全可靠、方便使用。

對比各種電池特點(diǎn)，本文選用鋰子電池供電。其具有體積小、容量大、輸出電壓高、比能量高、放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。具體電池型號選用武漢力興電源公司出品的ICP11S型鋰離子電池，其性能指標(biāo)如下：額定電壓為3.6 V；充電終止電壓為4.2 V；工作溫度為充電0～45℃，放電-20～60℃；容量為11 A·h。

2) 電控驅(qū)動器

用于接收控制信號，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而驅(qū)動釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，一般為電機(jī)、電磁鐵、爆炸螺栓等。本文考慮到系統(tǒng)可靠性及小型化要求，選用美國遠(yuǎn)洋電子公司(Pelagic Electronics)的1810 A系列深海電螺線管，其已經(jīng)被用于伍爾霍茲海洋研究院的“阿爾文”號潛器以及其他工程應(yīng)用中。

1800A系列深海電螺線管是Pelagic Electronics公司生產(chǎn)的一種獨(dú)特的開放式設(shè)備，能夠在任何海洋深度下工作。它能夠提供一系列可變的拉(推)力，用于釋放重物或儀器，操作機(jī)械連桿，或打開配套的設(shè)備。同時(shí)，它能夠通過聲學(xué)驅(qū)動，再輔以繼電器或定時(shí)器，從而在長期的命令或釋放系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)在電螺線管的內(nèi)部或外部中配備1個(gè)彈簧，它就能夠重復(fù)地工作。這是它與其他深海應(yīng)用的驅(qū)動裝置相比最大的優(yōu)點(diǎn)。具體性能參數(shù)見表1。

表1 電螺線管機(jī)電參數(shù)

圖3 電螺線管

3) 釋放機(jī)構(gòu)

完成釋放動作的機(jī)械裝置，其主要包括壓桿、搖桿和電螺線管等。具體構(gòu)成如圖4。當(dāng)電螺線管接受釋放驅(qū)動信號動作，其內(nèi)芯柱塞回縮，搖桿由于壓載的重力將滑向電螺線管，壓桿也將被抬起。搖桿與壓載相連端是一缺口狀，當(dāng)搖桿滑到一定距離時(shí)，壓載將脫離搖桿的連接，從而完成壓載的釋放。

圖4 釋放機(jī)構(gòu)

4) 控制單元電路

主要用來產(chǎn)生時(shí)序控制脈沖，包括：釋放壓載1脈沖信號、釋放壓載2脈沖信號、釋放信標(biāo)脈沖信號和給發(fā)送機(jī)電脈沖信號(圖5)。

圖5 時(shí)序控制信號圖

其中COM、控制1、控制2、控制3分別表示：自救命令信號、釋放壓載1和壓載2脈沖控制信號、給水聲應(yīng)答器上電脈沖控制信號、釋放信標(biāo)脈沖控制信號。自救命令下降沿觸發(fā)釋放壓載1和壓載2的脈沖控制信號及水聲應(yīng)答器的上電脈沖控制信號，由于信標(biāo)是在機(jī)器人上浮到接近水面時(shí)才允許釋放，所以其釋放控制信號是由水聲應(yīng)答器上電脈沖控制信號的下降沿來觸發(fā)的。釋放控制脈沖脈寬為1 s(壓載釋放和信標(biāo)釋放)，水聲應(yīng)答器上電脈沖脈寬為10 s(初設(shè)值，實(shí)際具體值需根據(jù)水下機(jī)器人工作水深來確定)。

控制單元電路是自救系統(tǒng)的核心，用來響應(yīng)水聲命令并控制執(zhí)行器完成相應(yīng)動作。因此它是自救系統(tǒng)順利完成自救任務(wù)的關(guān)鍵，必須保證其具有高可靠性，對此本文采用兩種相對獨(dú)立的控制方案：

▲ 采用以微控制器為核心的程序控制模塊;

▲ 采用以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心的非程序時(shí)序發(fā)生模塊。

其中，以微控制器為核心的程序控制模塊采用低功耗單片機(jī)MSP43F149為控制器，配套相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為核心的非程序時(shí)序發(fā)生模塊采用CMOS芯片CD4538和雙555定時(shí)器NE7556為核心，構(gòu)成4個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，分別完成在不同時(shí)間段控制釋放壓載1、壓載2、信標(biāo)和給水聲應(yīng)答器發(fā)送機(jī)上電。

5) 時(shí)間監(jiān)測電路

用來保證自救系統(tǒng)具有一定的自主自救能力。一般水下機(jī)器人在水下作業(yè)的時(shí)間是有限的，一旦自救系統(tǒng)出現(xiàn)故障不響應(yīng)任何水聲命令而執(zhí)行自救任務(wù)時(shí)，水面工作人員可以等待設(shè)定的定時(shí)時(shí)間到，此時(shí)，時(shí)鐘芯片將觸發(fā)單片機(jī)控制模塊和模擬控制模塊實(shí)施自救任務(wù)。本文選用PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563，其提供1個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，1個(gè)中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

為了保證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，本課題軟件設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選用源代碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II。uC/OS-II是完全占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，支持多任務(wù)操作，并且每個(gè)任務(wù)都有自己單獨(dú)的?？臻g。

uC/OS-II還提供很多系統(tǒng)服務(wù)，例如信號量、消息郵箱、事件標(biāo)志組、內(nèi)存管理等，并且和支持多達(dá)255層的中斷嵌套。利用這些系統(tǒng)服務(wù)可以完成各種復(fù)雜邏輯的要求，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。同時(shí)，uC/OS-II具有良好的可擴(kuò)展性和可移植性，使其能夠廣泛地應(yīng)用在各種架構(gòu)的微處理器上[5]。

在uC/OS-II操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將自救系統(tǒng)所需要完成的功能劃分為幾個(gè)任務(wù)，根據(jù)自救任務(wù)的需要以及出于高可靠性的考慮，自救系統(tǒng)必須包含以下功能：

1) 當(dāng)水聲應(yīng)答器接收指令后，自救控制器必須解析指令并完成相應(yīng)的動作。

2) 自救控制器可以通過水聲應(yīng)答器和水面通信，報(bào)告系統(tǒng)狀態(tài)及完成指令動作情況。

3) 自救系統(tǒng)具有通過串口通信接口，以方便在岸上系統(tǒng)調(diào)試，也是水下機(jī)器人主體與自救系統(tǒng)的通信接口。

4) 當(dāng)由于某種不可預(yù)見的原因造成所有通信裝置都失效時(shí)，機(jī)器人石沉大海，這時(shí)自救系統(tǒng)可以根據(jù)超出預(yù)定時(shí)間，自動執(zhí)行自救任務(wù)。

5) 由于海上試驗(yàn)的需要，釋放任務(wù)不是一次就完成的。啟動電螺線管釋放壓載或浮球，可以分別單獨(dú)進(jìn)行。

6) 自救系統(tǒng)不工作時(shí)，處于低功耗待機(jī)狀態(tài)。

出于以上的考慮，將系統(tǒng)劃分成4項(xiàng)普通任務(wù)和3項(xiàng)中斷任務(wù)共計(jì)8項(xiàng)任務(wù)，此外還針對uC/OS-II的空任務(wù)進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)。具體任務(wù)包括：命令解析任務(wù)；釋放壓載1或2；釋放壓載1和2；釋放信標(biāo)；水聲命令接收中斷任務(wù)；外部定時(shí)器中斷任務(wù)；串口通信中斷任務(wù)。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖6。

4 結(jié) 語

本文主要從系統(tǒng)的可靠性、低功耗、小型化等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，探討了水下機(jī)器人自救系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原理、方案設(shè)計(jì)及方案具體實(shí)現(xiàn)等。本文在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過程中，各模塊功能均能正常工作，并且通過長時(shí)間大量試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求且滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

圖6 自救系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

[1] 蔣新松,封錫盛，王棣棠．水下機(jī)器人[M]．遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

[2] 李 曄，常文田，孫玉山，等．自治水下機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀與展望[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007(1)：25-31．

[3] 向先波,徐國華,蔡濤，等．水下機(jī)器人智能自救系統(tǒng)[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(7)：111-114．

[4] 徐玉如，蘇玉民，龐永杰.海洋空間智能無人運(yùn)載器技術(shù)發(fā)展展望[J].中國艦船研究，2006，1(3)：1-4.

[5] LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II[M]．第二版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.