溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王艷召，鄧 云，孫秀軍，姜 飛

（國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王艷召，鄧 云，孫秀軍，姜 飛

（國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

根據(jù)溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器多任務(wù)并行處理的特性，采用意法半導(dǎo)體公司的高性能、低功耗的ARM Cotex-M4內(nèi)核的STM32F429為主控芯片，移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器的軟硬件綜合控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了水下滑翔器自主運(yùn)行過程中的下潛、水下懸停、上升以及海洋水文信息的采集與存儲(chǔ)，并通過銥星通信實(shí)現(xiàn)溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)與控制命令的遠(yuǎn)程傳輸。同時(shí)，引入擬階梯函數(shù)分析海洋溫躍層參數(shù)特征，設(shè)計(jì)開發(fā)了溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器綜合控制算法，實(shí)現(xiàn)溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器的自主滑翔運(yùn)動(dòng)控制、測(cè)量路徑規(guī)劃等功能。

水下滑翔器；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；擬階梯函數(shù)；溫躍層特征

水下滑翔器是一種帶有固定翼的由浮力引擎驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)器人。它通過浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來調(diào)整系統(tǒng)的排水量，使水下滑翔器交替出現(xiàn)正浮力與負(fù)浮力狀態(tài)；依靠其內(nèi)部的俯仰執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變機(jī)身的質(zhì)量分布，以改變滑翔器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。由于其利用凈浮力和俯仰角的調(diào)整來獲得推進(jìn)力，能源消耗極小，因此具有高機(jī)動(dòng)性、高效率、續(xù)航力大等特點(diǎn)［1］。自1989年美國(guó)科學(xué)家Henry Stommel提出水下滑翔器的概念至今，國(guó)外已經(jīng)將水下滑翔器技術(shù)應(yīng)用與海洋觀測(cè)、科學(xué)考察以及軍事海洋任務(wù)。2006年，Washington大學(xué)研發(fā)的水下滑翔機(jī)Deepglider樣機(jī)，采用碳纖維耐壓殼體，潛深可達(dá)6 000 m［2］。我國(guó)對(duì)于水下滑翔器的研究開始較晚，與國(guó)外相比還有一定的差距，因此開展自主研發(fā)水下滑翔器項(xiàng)目對(duì)于海洋維權(quán)、科學(xué)考察、氣象監(jiān)測(cè)等具有重要的意義。

文中所研究的溫躍層剖面測(cè)量水下滑翔器是對(duì)海洋溫躍層進(jìn)行有針對(duì)性測(cè)量的海洋觀測(cè)平臺(tái)。海洋溫躍層對(duì)水下通信和聲波探測(cè)有著重要的影響，將水下滑翔器應(yīng)用于海洋溫躍層觀測(cè)，有助于提高海洋環(huán)境觀測(cè)的空間和時(shí)間觀測(cè)密度，對(duì)于海洋科考、環(huán)境保護(hù)以及軍事海洋環(huán)境保障具有重要的意義［3］。文章以溫躍層剖面測(cè)量水下滑翔器為研究對(duì)象，具體介紹了水下滑翔器的嵌入式軟硬件綜合控制系統(tǒng)與溫躍層控制算法的實(shí)現(xiàn)方法。

1　控制系統(tǒng)功能組成

溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器在執(zhí)行海洋觀測(cè)任務(wù)過程中，為了保證其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的精確控制，通常是由一系列的組合動(dòng)作并發(fā)執(zhí)行，完成運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與姿態(tài)調(diào)整。系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制方案，充分發(fā)揮實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的確定性響應(yīng)特性，以滿足溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器精確控制的要求。圖1所示為水下滑翔器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　水下滑翔器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1　Structure diagram of underwater glider control system

系統(tǒng)由水面控制系統(tǒng)和水下控制系統(tǒng)兩部分組成。水下控制系統(tǒng)由嵌入式控制中心、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電源監(jiān)控系統(tǒng)以及接口與驅(qū)動(dòng)構(gòu)成。其中嵌入式控制中心采用ST推出的ARM Cotex-M4內(nèi)核的32位微控制器STM32F429，該處理器低功耗與節(jié)能機(jī)制符合滑翔器控制系統(tǒng)長(zhǎng)續(xù)航能力的需求；片上集成FPU和DSP運(yùn)算指令集提高了滑翔器控制系統(tǒng)運(yùn)算處理能力；其對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持滿足了滑翔器控制系統(tǒng)多任務(wù)實(shí)時(shí)處理的需求。因此，選擇ARM Cotex-M4內(nèi)核微控制器作為水下滑翔器控制系統(tǒng)的嵌入式控制中心處理器，對(duì)增強(qiáng)水下滑翔器信息處理性能具有重要的實(shí)用意義。

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1通信控制系統(tǒng)

通信控制系統(tǒng)包括銥星通信模塊和ZigBee無線傳輸模塊。銥星通信模塊采用Iridium短報(bào)文透明傳輸模塊，該模塊具有較低的功耗，通過RS232接口與控制中心連接，通過發(fā)送相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)水下滑翔器在海洋觀測(cè)任務(wù)過程中的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制與海洋定位。ZigBee模塊采用低電壓型無線傳輸模塊，通過TTL電平的串口與控制中心連接。模塊支持大數(shù)據(jù)量發(fā)送，且不限數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)38400Bit/s。同時(shí)支持長(zhǎng)周期和短周期的無線喚醒，可以最大限度地節(jié)約電池電量，延長(zhǎng)使用壽命，非常適用于水下滑翔器在水面上的狀態(tài)測(cè)控。在執(zhí)行海洋觀測(cè)任務(wù)過程中，兩種通信方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，靈活使用。

2.2水面控制系統(tǒng)

水面控制系統(tǒng)主要由控制主板和監(jiān)控終端組成。水上控制系統(tǒng)通過銥星監(jiān)控終端接收銥星傳回的數(shù)據(jù)以及定位信息，利用Google Earth軟件模擬水下滑翔器運(yùn)行軌跡，并通過命令發(fā)送終端實(shí)時(shí)發(fā)送水下滑翔器控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑翔器的姿態(tài)調(diào)整與航跡修正。水面控制主板由開關(guān)模塊、狀態(tài)指示模塊以及ZigBee無線通信模塊構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的調(diào)試、布放、回收以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制等功能。

2.3數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

水下滑翔器作為水下運(yùn)動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，根據(jù)觀測(cè)任務(wù)的不同可以搭載溫鹽深（CTD）、溶解氧、PH值、葉綠素、放射性檢測(cè)等不同類型的海洋傳感器，以實(shí)現(xiàn)滑翔器對(duì)特定海域的環(huán)境數(shù)據(jù)的測(cè)量。本項(xiàng)目中溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器搭載了溫鹽深（CTD）傳感器，在水下滑翔器鋸齒狀運(yùn)動(dòng)過程中，可以對(duì)溫躍層信息敏感區(qū)進(jìn)行加密觀測(cè)［4］，以獲得高分辨率的海洋溫躍層數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量SD卡中。系統(tǒng)采用STM32微控制器的SDIO總線擴(kuò)展大容量SD卡。為增強(qiáng)數(shù)據(jù)可讀性，便于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，移植了FATFS文件系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)還包括電子羅盤傳感器和A/D采集模塊。其中電子羅盤傳感器用來獲得水下滑翔機(jī)的姿態(tài)角，A/D采集模塊用以采集水下滑翔器艙內(nèi)真空度、俯仰電池和油泵活塞的線位移。A/D模塊采用ADI的8通道16位精度的同步采樣芯片AD7606，其片上集成模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷在分配逐次逼近型ADC內(nèi)核、數(shù)字濾波器、2．5 V基準(zhǔn)電壓源及緩沖、高速串行和并行接口。另外，該芯片采用5 V單電源供電，不需要正負(fù)電源，并支持正負(fù)10V的雙極性信號(hào)輸入，其每個(gè)通道的采樣速率最高可達(dá)200ksps。高精度與高集成度的AD芯片對(duì)于實(shí)現(xiàn)水下滑翔器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的精確控制尾翼氣囊的充放氣程度以及檢驗(yàn)水下滑翔器的密封性具有重要的保障作用。

2.4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

水下滑翔器的驅(qū)動(dòng)力來源于自身的靜浮力，系統(tǒng)通過控制浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及輔助調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來周期性調(diào)整水下滑翔器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成如圖2示的基本動(dòng)作。

系統(tǒng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制浮力調(diào)節(jié)電機(jī)、俯仰調(diào)節(jié)電機(jī)和螺旋槳電機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反轉(zhuǎn)，并用PWM控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)改變柱塞的位置，來改變水下滑翔器的排水量，進(jìn)而獲得上升及下潛的動(dòng)力。系統(tǒng)采用高精度拉線式位移傳感器來測(cè)量柱塞移動(dòng)的位移（d），通過標(biāo)定有效的量程來控制滑翔器的整體浮力的變化。

圖2　水下滑翔器動(dòng)作執(zhí)行示意圖Fig．2　Diagram of underwater glider's behavior

俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是通過電機(jī)帶動(dòng)配重塊（滑動(dòng)電池組）移動(dòng)［5］，通過改變配重的位置來改變水下滑翔器的重心位置，從而控制水下滑翔器的俯仰姿態(tài)。系統(tǒng)采用高精度直線位移傳感器來測(cè)量配重塊的移動(dòng)位移（1），并采用精密電子羅盤傳感器來測(cè)量水下滑翔器的俯仰角（α）。俯仰角的大小決定了水下滑翔機(jī)單周期滑翔距離的長(zhǎng)短，俯仰角越大，其單循環(huán)滑翔距離越短。對(duì)于溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔機(jī)而言，單周期滑翔距離越短，所采集的躍層剖面信息越接近實(shí)際值。因此在溫躍層分布區(qū)域，較大的俯仰角有利于溫躍層數(shù)據(jù)采集的有效性。

2.5電源監(jiān)控系統(tǒng)

由于水下滑翔器系統(tǒng)各模塊的電壓不同，為了保證電源模塊與各個(gè)模塊及控制系統(tǒng)的安全性，避免某一電源模塊故障對(duì)控制系統(tǒng)造成不可恢復(fù)性損害，采用電源板與系統(tǒng)板分立式設(shè)計(jì)方案，如圖3為電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖。

圖3　電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖Fig．3　Structure diagram of power monitoring system

安全穩(wěn)定的電源模塊是水下滑翔器控制系統(tǒng)正常工作的前提，系統(tǒng)采用片上集成的12位精度的ADC，通過分壓電路來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下滑翔器電池組及各模塊的電壓值。當(dāng)電量不足或者電壓電路故障時(shí)，提供電量報(bào)警和故障定位服務(wù)，并實(shí)時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急保護(hù)措施。

3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)算法

水下滑翔器在執(zhí)行溫躍層檢測(cè)過程中，溫躍層參數(shù)計(jì)算是實(shí)時(shí)處理的，水下滑翔器根據(jù)溫躍層的參數(shù)特性，調(diào)整運(yùn)行航跡和數(shù)據(jù)采樣速率。在分析溫躍層特征時(shí)，通常采用躍層深度、躍層強(qiáng)度、躍層厚度等參數(shù)來描述躍層現(xiàn)象［6］。根據(jù)溫躍層的定義和溫度垂直分布特性，將海水理想劃分為上均勻?qū)印④S層和下均勻?qū)哟怪狈植冀Y(jié)構(gòu)［7］，如圖4所示。

圖4　溫躍層垂直分布示意圖Fig．4　Diagram of thermocline profile

葛人峰等［8］提出了一種用3條線段構(gòu)成的擬階梯函數(shù)擬合溫躍層垂直剖面，求解溫躍層特征參數(shù)的計(jì)算方法。根據(jù)圖4中標(biāo)示的參數(shù)得到如下計(jì)算公式。

式中T為擬合溫度值；H為下潛深度；h1為溫躍層上界深度；h2為溫躍層下界深度；T1為上均勻?qū)悠骄鶞囟?；T2為下均勻?qū)悠骄鶞囟?；k為躍層強(qiáng)度，易知溫躍層厚度H0=h2-h1。然后用最小二乘法確定（1）式中的躍層上下界參數(shù)h1和h2以及躍層強(qiáng)度k，即使其均方差達(dá)到最小，計(jì)算如下式所示。

式中T為實(shí)際測(cè)得的溫度，T′為由式 （1）計(jì)算得到的溫度，n為層數(shù)。在上述理論的基礎(chǔ)上，可以得出水下滑翔器的下潛深度D、俯仰角α及其所搭載的海洋探測(cè)傳感器的采樣頻率fsensor與溫躍層參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，如下式所示，

其中I為探測(cè)水域的溫躍層強(qiáng)度范圍。根據(jù)上述理論水下滑翔器在執(zhí)行海洋溫躍層檢測(cè)跟蹤時(shí)的控制算法如下。1）第一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期采用較大的俯仰角航行，以獲得較大范圍的海洋水文信息；2）第二個(gè)運(yùn)動(dòng)周期及以后下潛深度D隨溫躍層下界深度變化而做出調(diào)整；3）通過增大水下滑翔器的俯仰α來增大溫躍層水域的觀測(cè)密度；4）通過調(diào)整海洋傳感器的采樣頻率fsensor來加強(qiáng)對(duì)溫躍層信息的觀測(cè)。算法指導(dǎo)下水下滑翔器航行示意如圖5所示。

圖5　水下滑翔器航行示意圖Fig．5　Diagram of underwater glider navigation

3.2軟件框架

控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSII，按照溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器多任務(wù)處理特性設(shè)計(jì)的。圖6為滑翔器水下控制系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)框圖。

圖6　控制系統(tǒng)整體軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig．6　Structure diagram of underwater glider software control system

其工作流程如下所述：溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器布放完成后的狀態(tài)是漂浮在水面上，N剖面任務(wù)命令下達(dá)后，水下滑翔器的尾翼氣囊收縮，同時(shí)俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整水下滑翔機(jī)姿態(tài)為下潛狀態(tài)；在發(fā)現(xiàn)溫躍層后，調(diào)整海洋傳感器的采樣頻率，以獲得可靠的溫躍層特性參數(shù)，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。在完成第一個(gè)滑翔周期的溫躍層信息采集后，水下滑翔器在短暫的懸停狀態(tài)后調(diào)整為上升狀態(tài)。在接近水面時(shí)，氣囊充氣以保證水下滑翔器尾部高高翹起，使得安裝在尾翼的通信設(shè)備通過衛(wèi)星與遠(yuǎn)程控制終端建立通信連接，實(shí)時(shí)發(fā)送運(yùn)行的關(guān)鍵信息，并接收遠(yuǎn)程任務(wù)指令，結(jié)合溫躍層控制算法繼續(xù)航行，直至完成海洋觀測(cè)任務(wù)。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試該控制系統(tǒng)的性能，將搭載該控制系統(tǒng)的溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器布放在渤海近海岸海域，并設(shè)定剖面數(shù)N=18。圖7（a）中所示為溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器航行深度隨時(shí)間的變化曲線圖，由圖中曲線可以看出水下滑翔器下潛深度為5～6 m，在完成了18個(gè)剖面動(dòng)作后漂浮在水面上。圖7（b）中所示為溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器俯仰角隨時(shí)間的變化曲線圖，從圖中可以看出水下滑翔器的俯仰角度范圍在正負(fù)40度之間變化，實(shí)驗(yàn)表明溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器測(cè)試性能良好，具備進(jìn)一步開發(fā)研究的價(jià)值。

5　結(jié)　論

文中研究了基于意法半導(dǎo)體公司的ARM 32位微控制器STM32F429的嵌入式溫躍層剖面觀測(cè)水下滑翔器控制系統(tǒng)，通過分析溫躍層特性設(shè)計(jì)了水下滑翔器溫躍層剖面觀測(cè)控制算法。本文具有以下4個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：1）采用高性能、高集成度、低功耗的微控制器作為系統(tǒng)的控制核心，大大增強(qiáng)了水下滑翔器系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力；2）移植嵌入式微型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多任務(wù)的并行處理，提高了系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行效率與水下滑翔器的綜合性能；3）采用模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟硬件，合理分配資源與空間，提高了系統(tǒng)軟硬件的靈活性與可繼承性能；4）引入溫躍層參數(shù)計(jì)算算法，設(shè)計(jì)水下滑翔器溫躍層剖面觀測(cè)控制算法，增強(qiáng)了水下滑翔機(jī)的海洋環(huán)境信息的觀測(cè)能力。

圖7　滑翔器航行深度和俯仰角隨時(shí)間變化圖Fig．7　Diagram of underwater glider depth&pitching angle changes with time

［1］畢道明，李碩，崔建成，等．水下滑翔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（11-1）：18-20．

［2］Osse T J，Eriksen C C．The deepglider:a full ocean depth glider for oceanographic research［C］//OCEANS2007 IEEE， 2007:1-12．

［3］Yuh J．Design and control of autonomous underwater robots ［R］．Autonomous Robots，2000．

［4］劉建，李冬冬，冀大雄．AUV海洋溫躍層檢測(cè)方法綜述［J］．海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，33（5）：127-135．

［5］秦玉峰．溫躍層剖面測(cè)量水下滑翔器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ［D］．天津：天津城建大學(xué)，2013．

［6］郝佳佳，陳永利，王凡．中國(guó)近海溫躍層判定方法的研究［J］．海洋科學(xué)，2008，32（12）：17-24．

［7］張旭，張永剛，聶邦勝，等．垂直梯度法與最優(yōu)分割法確定溫躍層邊界的比較分析［J］．海洋通報(bào)，2008，27（6）：20-26．［8］葛人峰，喬方利，于非，等．陸架海溫躍層特征量的一種計(jì)算方法-擬階梯函數(shù)逼近法 ［J］．海洋科學(xué)進(jìn)展，2003，21 （4）：393-400．

Design of underwater glider control system for the thermocline profile survey

WANG Yan-zhao，DENG Yun，SUN Xiu-jun，JIANG Fei
（National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China）

Based on the observation of underwater gliders multitasking thermocline profile characteristics of the parallel processing，the project in this paper uses STM32F429 which has high performance and low power consumption as the core ship in this control system，the design has realized the thermocline profile observation software and hardware integrated control system of underwater glider for autonomous operation in the process of the underwater glider diving，underwater hovering，rise and marine hydrology information acquisition and storage．And through the iridium communications thermocline profile observation of the underwater glider key remote transmission of data and control commands．Introducing quasi-step function approximation method to develop the thermocline profile observation of underwater gliders integrated control algorithm，realizing of thermocline profile independent observation of the underwater glider gliding motion control and measurement path planning．

underwater glider；RTOS；control system；thermocline；quasi-step function approximation method

TN709

A

1674－6236（2016）02-0149-05

2015-04-11稿件編號(hào)：201504113

2014年海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201405006）

王艷召（1988—），男，河北衡水人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能傳感技術(shù)研究。