低能耗長(zhǎng)航時(shí)水下機(jī)器人方案的探究

曾舒婷

（南京大學(xué)金陵學(xué)院，南京，210000）

0 引言

水下機(jī)器人作為一種多用途的海洋開(kāi)發(fā)與海洋探索工具，受到各國(guó)的普遍重視。水下機(jī)器人誕生于20 世紀(jì)后半期，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋科學(xué)考察、打撈救生、海洋軍事、漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海底石油勘探、海底光纜鋪設(shè)等領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)水下機(jī)器人的各類(lèi)技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[1]。

最近幾年，功耗問(wèn)題在各個(gè)行業(yè)都引起了重視，功耗已經(jīng)成為衡量產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)。隨著水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，低功耗和水下長(zhǎng)期作業(yè)成為近來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。推進(jìn)器作為水下機(jī)器人的主要組成部分，其所消耗的能量在整個(gè)系統(tǒng)的功耗中占據(jù)相當(dāng)大的一部分，所以對(duì)于自帶能源的水下機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在不降低其機(jī)動(dòng)性的前提下，采用可傾轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)來(lái)減少推進(jìn)器數(shù)量成為水下機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向。

1 能耗分析

一般地，在水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上都使用螺旋槳導(dǎo)管推進(jìn)器，并根據(jù)功能需求來(lái)確定平臺(tái)上最終安裝推進(jìn)器的數(shù)量，例如水下機(jī)器人要完成6 自由度的水下運(yùn)動(dòng)則需要安裝至少6 個(gè)推進(jìn)器，而且這6 個(gè)推進(jìn)器是固定安裝的。如果水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在作業(yè)時(shí)頻繁移動(dòng)，那么這6 個(gè)推進(jìn)器的能耗絕對(duì)在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)非常大的比重。

水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)要完成一個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)，螺旋槳推進(jìn)器必然需要正轉(zhuǎn)一次、反轉(zhuǎn)一次。我們知道，螺旋槳一般都設(shè)計(jì)為：當(dāng)螺旋槳葉片正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推進(jìn)效率最高，葉片反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推進(jìn)效率最低，推進(jìn)效率至少相差10%，而對(duì)于水下機(jī)器人使用的導(dǎo)管推進(jìn)器來(lái)說(shuō)，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)更大。

考慮到螺旋槳葉柵干擾作用——葉片數(shù)越多葉柵干擾作用越大，本文水下機(jī)器人選用3 葉片螺旋槳推進(jìn)器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于自帶能源的水下機(jī)器人來(lái)說(shuō)，在不降低其機(jī)動(dòng)性的前提下，采用帶有2 個(gè)可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器）來(lái)減少推進(jìn)器數(shù)量成為新型水下機(jī)器人的一個(gè)發(fā)展方向[2-4]。

基于可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人具有與傳統(tǒng)水下機(jī)器人所不同的推進(jìn)結(jié)構(gòu)，其載體兩側(cè)的兩個(gè)推進(jìn)器可繞中心軸傾轉(zhuǎn)。這樣，利用可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器便可實(shí)現(xiàn)載體4 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)退、潛浮、水平轉(zhuǎn)向和橫滾，這在不降低載體航行機(jī)動(dòng)性的同時(shí)減少了推進(jìn)器數(shù)量，降低了載體的能耗，適合在復(fù)雜的海底環(huán)境中大范圍搜索或進(jìn)行定點(diǎn)科學(xué)考察。同時(shí)，基于可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人與傳統(tǒng)的固定推進(jìn)器產(chǎn)品相比，可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器有更高的效率。例如，當(dāng)水下機(jī)器人要求后退時(shí)，傳統(tǒng)的水下機(jī)器人就會(huì)要求主推進(jìn)器反轉(zhuǎn)，而一般推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)效率相差很大，這樣推進(jìn)器就無(wú)法發(fā)揮更大的功效。而可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器只要傾轉(zhuǎn)180°就可以使得推進(jìn)器朝向相反的方向進(jìn)行推進(jìn)，這種情況下推進(jìn)器始終保持正轉(zhuǎn)，提高了推進(jìn)器的工作效率，同樣也降低了載體能耗。

可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為一種新型的水下機(jī)器人推進(jìn)方式，非常適合進(jìn)行海底科學(xué)考察。但由于其與傳統(tǒng)水下機(jī)器人不同的推進(jìn)結(jié)構(gòu)，載體控制更加復(fù)雜。本文因此開(kāi)展基于可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究，設(shè)計(jì)出高效的可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)，并探索出一套有效的控制策略與方法，使得基于可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人得以實(shí)現(xiàn)，并可在今后的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人作為一種先進(jìn)的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，需要有自主運(yùn)動(dòng)的能力，要完成這個(gè)目標(biāo)需要一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，特別是當(dāng)水下機(jī)器人的功能越來(lái)越強(qiáng)大、搭載的科學(xué)探測(cè)設(shè)備越來(lái)越多時(shí)，其控制系統(tǒng)就會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。這里為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜度，僅將水下機(jī)器人作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行討論，假定該平臺(tái)上并未搭載除控制系統(tǒng)外的任何其他科學(xué)探測(cè)設(shè)備。

為了完成對(duì)水下機(jī)器人的控制，水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須包含完整的硬件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)，如圖所示。

圖 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)按照功能可劃分為控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而控制機(jī)構(gòu)又可分為處理器單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源轉(zhuǎn)換單元、通信單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是用來(lái)執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)發(fā)送的命令的，可以分為可傾轉(zhuǎn)控制單元、推進(jìn)控制單元。

軟件控制系統(tǒng)同樣可以分為人機(jī)交互界面、底層控制程序兩部分。為了提高調(diào)試、控制的便捷性，可視化的人機(jī)交互界面是必不可少的，而為了完成最終的控制目的，底層的控制程序則起到了不可或缺的作用。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到本文討論的是一個(gè)水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，所以在硬件設(shè)計(jì)的時(shí)候只需要考慮如何完成對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制即可。

要完成對(duì)一個(gè)水下機(jī)器人的控制且使得該機(jī)器人在水下可以保持一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，上述的各個(gè)硬件組成單元缺一不可。上述單元按照功能具體到實(shí)物上就是處理器單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源轉(zhuǎn)換單元、通信單元、推進(jìn)電機(jī)及其控制器。下面詳細(xì)描述各模塊的作用。

4.1 處理器單元

作為水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的心臟，處理器單元（CPU）要完成對(duì)水下機(jī)器人的控制，并使其保持一個(gè)穩(wěn)定的水下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。作為核心模塊，原則上必須選擇一個(gè)高性能處理器，但是本文由于不考慮水下機(jī)器人的智能化水平，只需考慮在降低功耗的同時(shí)能完成對(duì)水下機(jī)器人平臺(tái)的控制，所以本文選擇使用單片機(jī)MSP430，這是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器。

MSP430 單片機(jī)的特點(diǎn)是：

1） 運(yùn)算速度快。工作頻率為25MHz，16 位的數(shù)據(jù)寬度，40ns 的指令周期，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法。

2） 超低功耗。電源電壓采用1.8V-3.6V，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。

4.2 數(shù)據(jù)采集單元

該部分對(duì)水下機(jī)器人控制系統(tǒng)完成對(duì)自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制非常重要。因?yàn)樗聶C(jī)器人方案的特殊性，其不但需要常規(guī)水下機(jī)器人所必須的電子羅盤(pán)和深度計(jì)來(lái)提供自身的狀態(tài)信息，還需要電位計(jì)來(lái)測(cè)量?jī)A轉(zhuǎn)推進(jìn)器的傾轉(zhuǎn)角度。

電子羅盤(pán)：通過(guò)電子羅盤(pán)可以正確檢測(cè)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的自身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

深度計(jì)：采用深度計(jì)可檢測(cè)模塊所處的深度，其輸入信號(hào)為模擬量，必須經(jīng)過(guò)A/D 變換為數(shù)字量以便完成定深控制。

電位計(jì)：一般多用在伺服系統(tǒng)的直流電機(jī)位置檢測(cè)或者音響調(diào)節(jié)等方面。

4.3 電源轉(zhuǎn)換模塊

水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要多種不同的電壓，例如CPU 使用的+3.3V 電源以及部分傳感器的電源、深度計(jì)的電源、進(jìn)行D/A 變換的參考電源，推進(jìn)器的推進(jìn)電源等，所以電源轉(zhuǎn)換模塊在水下機(jī)器人中起到非常重要的作用。

4.4 推進(jìn)電機(jī)及控制器

航行控制單元主要是由處理器、D/A 模塊、保護(hù)電路等組成。航行控制單元的執(zhí)行單元分為主推進(jìn)器電機(jī)和可傾轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。二者的驅(qū)動(dòng)方式不同，前者采用PWM 驅(qū)動(dòng)，后者采用D/A 模塊驅(qū)動(dòng)。所以，航行控制單元實(shí)際上分為兩部分，推進(jìn)系統(tǒng)的控制采用開(kāi)環(huán)控制，即處理器單元接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令,通過(guò)PWM 方式輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)電氣隔離控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器控制電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)電機(jī)）采用閉環(huán)控制，處理器單元接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令，然后通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換輸出模擬控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)電氣隔離控制傾轉(zhuǎn)電機(jī)的位置。傾轉(zhuǎn)電機(jī)的位置信號(hào)通過(guò)安裝在傾轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)電位計(jì)測(cè)得，經(jīng)過(guò)信息采集單元A/D 變換后送入處理器單元，形成閉環(huán)控制。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件是軀體，軟件是靈魂。水下機(jī)器人作為先進(jìn)的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，需要功能強(qiáng)大的軟件作為支撐來(lái)完成其任務(wù)，而本文中所使用可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的低能耗、長(zhǎng)航時(shí)的水下機(jī)器人因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以其軟件系統(tǒng)更加復(fù)雜。

考慮到水下機(jī)器人的作用、系統(tǒng)本身的可維護(hù)性、使用的方便性，軟件系統(tǒng)被分割為水面部分和水下部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

水面部分主要是一個(gè)人機(jī)交互界面，包含水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制等部分，統(tǒng)稱(chēng)為上位機(jī)軟件。

水下部分主要用于完成對(duì)水下機(jī)器人自身狀態(tài)的監(jiān)測(cè)并根據(jù)自身任務(wù)的需求以及上位機(jī)發(fā)送的控制指令完成對(duì)自身的控制，統(tǒng)稱(chēng)為下位機(jī)軟件。

5.1 上位機(jī)軟件

為了達(dá)到相應(yīng)的功能，上位機(jī)軟件需要具備以下幾部分主要模塊：

1）人機(jī)交互界面模塊：提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和使用的方便性。

2）通信模塊：完成與水下機(jī)器人的數(shù)據(jù)交互。

以上兩個(gè)模塊在上位機(jī)軟件中使用兩個(gè)線(xiàn)程完成。

通信模塊，作為工作線(xiàn)程存在于上位機(jī)軟件中?？紤]到本文所述水下機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)的特殊性，要求水下機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)必須盡可能快地做出響應(yīng)，以保證水下機(jī)器人的安全。同時(shí)，為了能夠盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及自身設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上位機(jī)軟件必須能夠?qū)崟r(shí)接收下位機(jī)軟件發(fā)送的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。

為了滿(mǎn)足以上需求，上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件之間的通信采用全雙工的通信模式，這樣既滿(mǎn)足了水面操作人員對(duì)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的把握，又能根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及時(shí)對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行操控；從成本以及實(shí)際的通信距離的需要進(jìn)行考慮，RS485 串口全雙工通信的工作方式也是上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件之間通信的最佳方式。

上位機(jī)軟件中的串口通信模塊有2 種實(shí)現(xiàn)方法：采用C++的MFC 思路，將win32 串口通信的API 函數(shù)封裝在一個(gè)類(lèi)中實(shí)現(xiàn)；利用Labview 提供的VISA 資源編寫(xiě)串口通信函數(shù)。

5.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件起到承上啟下的作用，在整個(gè)水下機(jī)器人中同樣非常重要，它不僅要接收上位機(jī)軟件發(fā)送的控制指令并“命令”執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的控制任務(wù)，還要將水下機(jī)器人的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并將最大的設(shè)計(jì)空間留給讀者，本文所述的使用可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人并未搭載任何科學(xué)探測(cè)設(shè)備。所以，在設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件的時(shí)候可以暫時(shí)不考慮多任務(wù)的需求，也就是說(shuō)，在本文所述的水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上不需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，依靠CPU 自身的中斷系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的功能。

為了更好地完成下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)工作，可以將下位機(jī)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)設(shè)計(jì)模塊都是相互獨(dú)立的。模塊之間的通信使用全局變量進(jìn)行處理，根據(jù)功能的不同，下位機(jī)軟件分為數(shù)據(jù)采集模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、通信模塊；根據(jù)運(yùn)行方式的不同，下位機(jī)軟件又可以分為主程序和中斷服務(wù)程序。在此根據(jù)功能分別介紹不同模塊的設(shè)計(jì)。

5.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊采集可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器水下機(jī)器人搭載的傳感器的數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測(cè)水下機(jī)器人自身狀態(tài)，并依據(jù)數(shù)據(jù)信息完成對(duì)水下機(jī)器人的控制。數(shù)據(jù)采集模塊所涉及到的內(nèi)容是傳感器數(shù)據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)搭載傳感器的不同，數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)也不盡相同。

本文數(shù)據(jù)采集模塊主要采集電位計(jì)、深度計(jì)以及傾轉(zhuǎn)電機(jī)電流等的模擬數(shù)據(jù)，并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；除了采集這些模擬數(shù)據(jù)之外，數(shù)據(jù)采集模塊還需要接收電子羅盤(pán)發(fā)送的姿態(tài)信息，該信息是以數(shù)字的形式通過(guò)串口發(fā)送出來(lái)。

數(shù)據(jù)采集模塊要對(duì)水下機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所以該模塊必須要周期性地采集系統(tǒng)的狀態(tài)信息。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須使用CPU 的定時(shí)器并使用定時(shí)器中斷服務(wù)程序來(lái)完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

5.2.2 通信模塊

通信模塊既要完成下位機(jī)軟件中內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互，還需要完成與上位機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù)交互。

下位機(jī)軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互比較簡(jiǎn)單，在此不再贅述。

下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件之間的數(shù)據(jù)交互涉及到通信方式的選擇、通信端口的操作、協(xié)議的制定等方面。

上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件采用RS485 進(jìn)行通信，在具體實(shí)現(xiàn)的時(shí)候會(huì)涉及到串口數(shù)據(jù)幀格式的選擇，本文選用最常用的幀格式：8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，波特率為9600bps。

下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信時(shí)，需要對(duì)交互的數(shù)據(jù)做一個(gè)明確定義，這就是通信協(xié)議。那么，下位機(jī)軟件發(fā)送給上位機(jī)軟件的協(xié)議（上行數(shù)據(jù)協(xié)議）與上位機(jī)軟件發(fā)送給下位機(jī)軟件的協(xié)議（下行數(shù)據(jù)協(xié)議）應(yīng)該如何定義呢？理論上二者應(yīng)該是不同的，但是為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文對(duì)上行數(shù)據(jù)協(xié)議和下行數(shù)據(jù)協(xié)議采用同一種數(shù)據(jù)格式。

第00 字節(jié)為數(shù)據(jù)幀的起始位，固定為0XFF；第01-04 字節(jié)為航向角數(shù)據(jù)；05-08 縱傾角數(shù)據(jù)；09-12 為橫滾角數(shù)據(jù)；13 字節(jié)為羅盤(pán)數(shù)據(jù)的高8 位，第14 字節(jié)為羅盤(pán)數(shù)據(jù)的低8 位；第15 字節(jié)為傾轉(zhuǎn)電機(jī)電流數(shù)據(jù)高8 位；16 字節(jié)為傾轉(zhuǎn)電機(jī)電流低8 位；17 字節(jié)為深度計(jì)數(shù)據(jù)高8 位；18 字節(jié)為深度計(jì)數(shù)據(jù)低8 位；19 字節(jié)為電位計(jì)數(shù)據(jù)高8 位；20 字節(jié)為電位計(jì)數(shù)據(jù)低8 位；第21 字節(jié)為幀數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，具體如下表所示。

在進(jìn)行通信模塊設(shè)計(jì)時(shí)，出于低能耗、長(zhǎng)航時(shí)方面的考慮，將基于中斷請(qǐng)求機(jī)制進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，與輪詢(xún)機(jī)制相比，中斷請(qǐng)求機(jī)制比較少地占用系統(tǒng)資源，這種方式可以有效降低系統(tǒng)的能耗。

表 數(shù)據(jù)格式

5.2.3 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制模塊屬于水下機(jī)器人的“手腳”，用來(lái)接收控制指令并完成相應(yīng)的功能。該模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，涉及到PWM 調(diào)速、伺服電機(jī)的D/A 控制。

推進(jìn)電機(jī)采用PWM 調(diào)速，因?yàn)槠鋵?duì)控制精度要求不高，所以可以簡(jiǎn)單地采用開(kāi)環(huán)控制。

傾轉(zhuǎn)電機(jī)是用來(lái)控制推進(jìn)電機(jī)的傾轉(zhuǎn)角度的，所以其對(duì)位置精度要求偏高，同時(shí)還要求有較高的響應(yīng)精度。所以在對(duì)傾轉(zhuǎn)電機(jī)的控制中，對(duì)位置需要進(jìn)行閉環(huán)控制；同時(shí)根據(jù)控制精度要求的不同而采用不同精度的D/A 器件。推薦至少12 位以上精度的D/A 器件。

同樣出于低能耗、長(zhǎng)航時(shí)方面的考慮，在基于定時(shí)器中斷進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)有“記憶”功能，當(dāng)前的控制狀態(tài)只有在上位機(jī)軟件主動(dòng)改變時(shí)才會(huì)改變，否則會(huì)一直保持當(dāng)前的控制狀態(tài)，這樣可以有效地減少運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切換產(chǎn)生的額外能耗。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從水下機(jī)器人螺旋槳推進(jìn)器的數(shù)量、推進(jìn)效率以及控制系統(tǒng)的功耗等3 個(gè)方面對(duì)基于可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水下機(jī)器人做了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，并提出了整體設(shè)計(jì)方案：

1）使用3 葉片的螺旋槳作為水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的推進(jìn)器，以降低螺旋槳的葉柵干擾作用。

2）設(shè)計(jì)可傾轉(zhuǎn)推進(jìn)器系統(tǒng)，使得推進(jìn)器一直在正轉(zhuǎn)的情況下完成水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)需求，提高了螺旋槳的推進(jìn)效率。

3）減少螺旋槳推進(jìn)器的數(shù)量，降低運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)中的能量消耗。

4）為該水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)，利用了低功耗信號(hào)處理器和中斷處理機(jī)制。

通過(guò)以上措施，在未降低水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性的前提下，本文方案有效降低系統(tǒng)功耗并延長(zhǎng)了自帶能源的水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的作業(yè)時(shí)間。

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