自主式水下航行器試驗平臺的設計

張東昆++侯建釗++高菲

摘 要： 為水下探測提供試驗平臺，設計了一臺自主式水下航行器（AUV）。該航行器可被應用于海洋資源調查、港口安防、水產(chǎn)養(yǎng)殖、地貌觀測等諸多方面。它可利用自身搭載的聲吶、AHRS等傳感器，實現(xiàn)水下自主航行、避障；并通過導航算法，實時地規(guī)劃最優(yōu)路徑，完成水下地貌觀測、資源探測。同時它也具備在水下未知環(huán)境，構建地圖能力。

關鍵字： 水下航行器； 自主式； 水下試驗平臺； 地貌觀測

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?115?03

隨著對資源的消耗量和需求量的與日俱增，人們開始加快對海洋的開發(fā)進程。自主式水下航行器（AUV）作為水下探測的工具引起了世界各國的重視。它具有水下機動性好、續(xù)航力強、安全可靠等優(yōu)勢，在海底地形地貌勘察、水文參數(shù)測量、深海資源調查、海洋救助與打撈等諸多領域有著巨大的應用價值[1?2]。

為配合海洋的相關開發(fā)，設計了一款自主式水下航行器（AUV）作為試驗平臺。介紹了水下航行器整體的系統(tǒng)結構設計，包括機械機構設計、硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。

1 自主式水下航行器機械結構設計

水下航行器在外形上仿照魚雷的結構。整個的艙體設計采用流線型，減少它在水中運動時，水流對它產(chǎn)生的阻力[3]；尾部采用圓錐體形，椎體的底部安裝螺旋槳式推進器，為航行器提供動力，椎體的四個方向安裝方向舵，控制它的運動方向，實現(xiàn)航行器的轉彎，俯仰，航行器的結構實物見圖1。航行器艙體上部安裝無線天線，當航行器浮上水面時，可通過天線與岸基控制平臺通信，進行數(shù)據(jù)交換或是接收新任務。

航行器的艙體使用鋁合金材料，天線和方向舵使用的尼龍材料，表面用鋁氧化硬化處理，增強抗腐蝕性。為保證航行器運行時的穩(wěn)定性，對艙內部的負載進行了合理布局，使航行器的整體重心位于浮心正下方。用鉛塊對航行器進行配重，使其受力均勻、保持“零浮力”，也即在不受任何外力的情況下，航行器的重力大小等于浮力大小，航行器恰好能浮在水的表面。

圖1 自主式水下航行器結構實物圖

2 自主式水下航行器硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)關系到航行器工作時的安全性和穩(wěn)定性，它主要由工控機、PC104、串口服務器、協(xié)議轉換器、聲吶等傳感器、動力驅動和檢測電路組成，如圖2所示。

圖2 水下航行器的硬件系統(tǒng)框圖

2.1 工控機和PC104構成的運動決策系統(tǒng)

工控機和PC104是水下航行器的大腦，可控制傳感系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，并接收傳感系統(tǒng)傳來的信息，對其進行解析，根據(jù)解析結果并結合自身使命發(fā)出決策指令。指令信息通過通信系統(tǒng)傳達到執(zhí)行系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)接收到指令后，將其轉化成電機速度、轉向以及舵機角度的變化。

2.2 動力驅動系統(tǒng)

采用瑞士Maxon公司的直流無刷電機作為推進器，其扭力大，噪音低[4]。驅動器選用的是美國的COPLEY驅動器，實物圖見圖3。其優(yōu)勢在于控制簡單，穩(wěn)定性高，通用性強，配合舵機的使用，可實現(xiàn)航行器在水下的前進后退、上前下浮、左轉右轉。動力驅動系統(tǒng)是航行器完成任務的基礎，是整個平臺硬件系統(tǒng)設計的關鍵。COPLEY驅動器采用數(shù)字增量式PID反饋，擁有電流、電壓、速度三閉環(huán)控制，可以控制有刷、無刷等不同類型的電機，它支持RS 232串口和CAN總線協(xié)議，兼容性強。由于支持CAN總線，所以它支持多個驅動器同時使用。

圖3 COPLEY驅動器實物圖

2.3 協(xié)議轉換器

協(xié)議轉換器的作用是將PC104的串口協(xié)議轉換成電機驅動器所需要的CAN總線協(xié)議，實現(xiàn)二者的通信[5]，其實物圖見圖4。協(xié)議轉換器上的MCU采用的是Microchip公司的dsPIC4011，它是一款集單片機和DSP綜合功能的16位控制器，既保留了單片機的基本性能，又豐富了外圍模塊，還兼具了DSP的高速運算能力[6]。嵌入式內核選用的是μC/os Ⅱ，它由Micrium公司提供，源碼開放，是一種可移植、可裁剪的、搶占式多任務實時內核。由于μC/os Ⅱ只對硬件的CPU和定時器進行了抽象，所以移植相對簡單；它是基于任務的優(yōu)先級高低進行任務切換的，適用于實時性要求比較高的場合。

圖4 協(xié)議轉換器

2.4 檢測電路模塊

檢測電路模塊包括艙體內部的溫濕度檢測，電池的電壓、電流檢測，漏水檢測等，這些參數(shù)都關系到水下航行器的安全運行[7]，其中泄露檢測尤為重要。根據(jù)重力原理，如果艙內漏水，水會沿著艙內壁流到艙底，所以泄漏檢測模塊的兩個探針放到艙的底部，正常情況下這兩探針是斷開的，一旦發(fā)生漏水，流到艙底的水會將兩探針短路，此時檢測模塊就會檢測到，通過CAN總線向上位機發(fā)出報警信息[8?9]。圖5為漏水檢測電路原理圖。

圖5 漏水檢測電路原理圖

2.5 傳感系統(tǒng)

聲吶、水下攝像頭、慣性導航系統(tǒng)等構成了水下航行器的傳感系統(tǒng)。在海底的未知環(huán)境中，AUV惟一可以依賴的是自身機載的慣導傳感器和聲吶。航行器搭載的聲吶一般有兩種：

（1） 一種是主動聲吶，提供障礙物目標的距離和角度，可在二維空間上分辨目標的輪廓和位置；

（2） 另一種是側掃聲吶，用于海底地形地貌的勘測。

慣性導航系統(tǒng)為航行器提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，它不依賴于任何外部信息，因此非常適合于水下航行器這種工作環(huán)境比較特殊的場合。它在工作時不向外部輻射任何電磁波，故隱蔽性好[10]。

3 自主式航行器軟件系統(tǒng)的設計

自主式航行器的軟件系統(tǒng)采用的是MOOS結構[11]，它由Paul Newman博士提出，已有十多年的開發(fā)歷史，如今已成功地應用于國外的多款水下航行器見圖6。它是一種分布式控制體系結構，專門服務于水下航行器系統(tǒng)的完全開源的體系結構。其分布式體系結構特點是它的精髓所在：將每個子系統(tǒng)根據(jù)其功能都定義為一個獨立的軟件模塊，如此一來，解決了同步問題，各個子模塊共同構成一個完整、穩(wěn)定、時效高的信息交互環(huán)境[12?13]。

傳統(tǒng)的水下航行器軟件系統(tǒng)具有效率低、實時性差、占用資源大的缺點，而MOOS體系結構的模塊化設計、分布式、星型拓撲結構的特點很好地解決了這些問題，極大地提高了航行器軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。

圖6 水下航行器硬件系統(tǒng)效果圖

4 結 語

本文介紹自主式水下航行器（AUV）試驗平臺的實現(xiàn)，包括其機械結構、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。多次測試，性能穩(wěn)定、安全可靠，為海洋探測提供了完善的試驗平臺。

參考文獻

[1] HE Bo， RAN Hong?ge， YANG Ke， et al. Path Planning and Tracking for Autonomous Underwater Vehicles [R]. [S.l.]： ICIA， 2009.

[2] STOKEY R P， VON ALT C， ALLEN B， et al. Development of the REMUS 600 Autonomous Underwater Vehicle [C]// Proceedings of 2005 MTS/IEEE Conference on Oceans. Washington， USA： IEEE， 2005， 2： 1301?1304.

[3] 呂瑞.超空泡航行體動力學建模與姿態(tài)機動魯棒控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[4] 馬元.自主式水下航行器運動控制系統(tǒng)的設計[D].青島：中國海洋大學，2014.

[5] 劉衛(wèi)東.基于CAN總線的自主水下航行器內部通信與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（6）：1320?1322.

[6] Microchip Technology Inc.dsPIC30F系列參考手冊[EB/OL].[2012?12?13]. http：//wenku.baidu.com.

[7] 韓盈盈.自主式水下機器人的分布式運動控制系統(tǒng)算法與實現(xiàn)[D].青島：中國海洋大學，2010.

[8] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.

[9] 馬元，欒寧，管增輝.便攜式水下機器人硬件系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（21）：100?102.

[10] 宋超.基于ELM的AUV決策控制系統(tǒng)[D].青島：中國海洋大學，2013.

[11] 溫國曦.AUV組合導航算法研究及基于MOOS平臺的系統(tǒng)實現(xiàn)[D].杭州：浙江大學，2013.

[12] 姜大鵬.多水下機器人協(xié)調控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011.

[13] 溫秉權.小型淺水域水下自航行器系統(tǒng)設計與試驗研究[D].天津：天津大學，2005.