模型潛艇自動操控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)?

申傳俊 肖翼洋 丁澤民 張士成

（1.海軍湛江航保修理廠 湛江 524002）（2.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 264001）（3.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）（4.陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū) 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

模型潛艇的自動操縱控制能夠為模型潛艇水下運動規(guī)律探索［1］，粘性流場計算與阻力分析［2］，航行水動力特性研究［3］，水動力參數(shù)辨識［4］，操控系統(tǒng)［5］性能的驗證提供方便。實際模型潛艇有相當(dāng)比例的控制方式為有線控制，給控制帶來一定的弊端，一定程度限制了模型潛艇的機(jī)動。遙控式模型潛艇操控系統(tǒng)則可以克服上述限制，從而能夠較好的模擬潛艇的水下運動。

本文致力于解決遙控式模型潛艇操控所面臨的技術(shù)難題，設(shè)計制作集中控制方式的遙控式模型潛艇操控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由遙控器以手柄或者鍵盤輸入方式發(fā)出遙控信號，通過WIFI無線通信方式［6］傳輸信號，主控制器收到控制信號后，自動解算，發(fā)出相應(yīng)的操控信號，經(jīng)模擬放大電路放大后，輸入驅(qū)動電路，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)的注水、排水及轉(zhuǎn)舵，進(jìn)行浮力調(diào)整，縱傾均衡控制，控制主推進(jìn)器轉(zhuǎn)速，使模型潛艇自動上浮或者下潛，機(jī)動到指定的深度和航向，并能穩(wěn)定于指定的姿態(tài)。

2 模型潛艇自動操控系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 主控制系統(tǒng)構(gòu)成

模型潛艇自動操控系統(tǒng)的主控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 主控制系統(tǒng)組成框圖

該控制系統(tǒng)由以32位微處理器STM32F103［6］為核心的主控制器、傾角傳感器、深度傳感器、流量計、模放電路、驅(qū)動電路、信號取樣電路、舵角反饋機(jī)構(gòu)、舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)、壓載水艙系統(tǒng)、浮力調(diào)整系統(tǒng)（圖1中浮力水艙包含壓載水艙與浮力調(diào)整水艙）、縱傾均衡系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和報警系統(tǒng)等共同構(gòu)成。其中，浮力調(diào)整系統(tǒng)由浮力調(diào)整水艙、氣源系統(tǒng)、驅(qū)動電路、閥件、流量計等共同構(gòu)成；縱傾均衡系統(tǒng)由均衡電路、比例閥、流量計和縱傾均衡水艙等共同構(gòu)成。

2.2 遙控系統(tǒng)構(gòu)成

遙控系統(tǒng)由以增強型單片機(jī)STC12C5A60S2為核心的遙控器主板和WIFI通信模塊、電源系統(tǒng)、顯示器、鍵盤、操控手柄及無線路由器等共同構(gòu)成。

3 操控系統(tǒng)原理與工作流程

3.1 航向控制原理

關(guān)于潛艇的航向控制，有經(jīng)典的PID控制方法［7］以及模糊控制［8］等方法。本模型潛艇的航向由方向舵進(jìn)行控制，采用PID控制方式，即輸入指令為給定航向θ0，按照偏航角θ，偏航角速率信號dθdt，偏航角積分信號∫θd t的控制規(guī)律來進(jìn)行舵角控制，即方向舵偏舵角α1與偏航角θ符合下列規(guī)律［7，9］：

式（1）中，Kθ，Kd，Ki分別為比例、微分、積分系數(shù)。

3.2 深度控制原理

模型潛艇的深度由模型潛艇尾部的升降舵進(jìn)行控制［10］，采用PD控制方式，即輸入指令為給定深度H0，將當(dāng)前深度差H，深度速率信號dH dt，縱傾信號φ，縱傾速率信號dφdt進(jìn)行綜合，輸入放大電路放大，再輸入功放電路后輸出，控制相應(yīng)的閥件，從而進(jìn)行升降舵舵角控制，達(dá)到控制模型潛艇深度的目的。

升降舵偏舵角α2與深度差 H，深度微分dH dt，縱傾角φ，縱傾角微分dφ dt符合下列規(guī)律［11］：

式（2）中，Kh、Kd，分別為深度差比例和微分系數(shù)，Kz、Kdz分別為縱傾角比例和微分系數(shù)。

3.3 下潛與上浮控制原理

模型潛艇浮于水面或在水中時遵循阿基米德定律，即模型潛艇受到的浮力與其排開水的重力相等［12］。

當(dāng)模型潛艇需要下潛時，由主控制器控制注水閥和通氣閥，向壓載水艙注水（此時壓載水艙內(nèi)壓力平衡，水被注入，而空氣經(jīng)通氣閥被排出），模型潛艇質(zhì)量增加，所受重力大于浮力，模型潛艇將由水面狀態(tài)過渡到水下狀態(tài)。

當(dāng)模型潛艇需要上浮時，由主控制器控制氣閥開啟，利用高壓氣體吹除壓載水艙的水，造成浮力大于模型潛艇的重力，模型潛艇逐步由水下上浮到水面。

3.4 浮力調(diào)整與縱傾均衡工作原理

浮力調(diào)整［12］，當(dāng)模型潛艇到達(dá)水下后，由于環(huán)境的變化，當(dāng)模型潛艇所受的浮力大于重力時，由主控制器自動解算，給出注水量指令，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動電磁閥，控制浮力調(diào)整水艙注水，減少浮力，使得所受重力與浮力平衡；當(dāng)模型潛艇受的浮力小于重力時，由主控制器自動解算，給出排水量指令，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動電動氣閥，吹除浮力調(diào)整水艙存量水，增加浮力，使得所受重力與浮力平衡。浮力調(diào)整使得模型潛艇所受浮力與重力平衡，可以保證模型潛艇在某一深度范圍內(nèi)的潛浮狀態(tài)。

縱傾均衡［12］，當(dāng)模型潛艇因為環(huán)境改變，自身載荷發(fā)生變化，水下縱傾平衡被破壞后，需要人工或者利用計算機(jī)進(jìn)行調(diào)整，該過程即為縱傾均衡。當(dāng)縱傾發(fā)生變化后，由主控制器自動解算，給出移水量指令，經(jīng)放大電路放大后驅(qū)動電液比例閥，控制設(shè)置于模型潛艇首尾的縱傾均衡水艙1、2之間的移水量，流量計計量移水量，從而控制模型潛艇的縱傾。

處于水下縱傾狀態(tài)的模型潛艇，其平衡方程為

式（3）中，W↓為水下所受重力，?↓為水下狀態(tài)的模型潛艇水密艇體的排水體積，xG、yG、zG分別為水下狀態(tài)時模型潛艇重心G的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)和垂向坐標(biāo)，xB、yB、zB分別為水下狀態(tài)時模型潛艇浮心B的縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)和垂向坐標(biāo)，θ為模型潛艇水下狀態(tài)的縱傾角，↓表示水下狀態(tài)。

3.5 推進(jìn)系統(tǒng)控制原理

主推進(jìn)系統(tǒng)與側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)均由直流無刷電機(jī)和傳動軸及螺旋槳共同構(gòu)成（側(cè)推系統(tǒng)的電機(jī)功率小于主推電機(jī)功率），直流無刷電機(jī)的控制調(diào)速由ARM發(fā)出PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動放大電路放大后，從而實現(xiàn)對直流電動機(jī)調(diào)速控制。利用H橋式驅(qū)動電路作為直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動模塊，采用霍爾傳感器對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，經(jīng)放大電路后，將脈沖信號送入ARM，從而實現(xiàn)對推進(jìn)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量。

3.6 無線通信工作原理

遙控器利用WIFI無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模型艇的遙控，即遙控器主板將控制信號輸入WIFI控制芯片，編碼后輸入無線路由器，無線路由器發(fā)射信號，模型艇內(nèi)置路由器接收信號，WIFI控制芯片進(jìn)行解碼，輸入主控制器，模型艇將運算所得控制信號實時傳遞給WIFI控制芯片，編碼后由無線路由器發(fā)送給遙控器，遙控器無線路由接收信號，WIFI控制芯片進(jìn)行解碼，輸入遙控器單片機(jī)，由液晶顯示器進(jìn)行顯示。

3.7 操控系統(tǒng)工作流程

遙控器開機(jī)，發(fā)出遙控信號，控制主控制器開機(jī)，主控制器開機(jī)后啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)自檢通過后，將模型潛艇當(dāng)前航向、深度、縱傾角、舵角、浮力不均衡量、氣體氣壓、壓載水艙水量、浮力調(diào)整水艙水量、蓄電池電壓與剩余電容量等信息實時發(fā)送到遙控器，等待遙控器發(fā)出指令信號。當(dāng)接收到指令信號后，主控制器自動解算，給出相應(yīng)的注水、排水信號、操舵角信號、浮力調(diào)整、縱傾均衡調(diào)整信號，輸入相應(yīng)的放大及驅(qū)動電路，進(jìn)行注水、排水、操舵與浮力調(diào)整及縱傾均衡，并操縱主推進(jìn)裝置配合操舵動作進(jìn)行模型潛艇機(jī)動，使模型潛艇運動到達(dá)指令航向、深度、指令縱傾角，并保持指定的深度與姿態(tài)。

4 操控系統(tǒng)電路及軟件實現(xiàn)

4.1 操舵與均衡系統(tǒng)電路實現(xiàn)

操舵與均衡系統(tǒng)的主控制器核心電路如圖2所示，控制系統(tǒng)的各部分組成及實現(xiàn)方式分別介紹如下：

·主控制器：以STM32F103RCT6為核心，STM32F103RCT6為意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位微處理器，屬于增強型ARM，內(nèi)含Cortex-M3內(nèi)核，其功能強大，實時性較好，I/O接口豐富，含有A/D，D/A電路，PWM以及多個定時器，讀寫速度快，功耗較低。

·傳感器：包括舵角反饋電機(jī)、深度傳感器、傾角傳感器、液體流量計、氣壓傳感器、主推進(jìn)電機(jī)和側(cè)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等。

·模擬放大電路：模擬放大電路前級先將各微弱的指令信號（-5V～+5V）進(jìn)行電壓放大后送入下一級功放電路，功放電路的輸出可以驅(qū)動電磁閥、電液閥、通氣閥、電動氣閥、繼電器和執(zhí)行電機(jī)等。

·舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由主控制器發(fā)出控制信號，經(jīng)過放大器放大后驅(qū)動繼電器，控制直流電機(jī)拖動舵葉軸轉(zhuǎn)舵。

圖2 主控制系統(tǒng)核心電路原理圖

·舵角反饋機(jī)構(gòu)：方向舵和升降舵反饋機(jī)構(gòu)完全相同，包括減速齒輪和連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)及反饋電機(jī)。連桿將舵葉軸向運動經(jīng)齒輪傳遞到反饋電機(jī)，反饋電機(jī)將舵角轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)電纜傳輸?shù)饺与娐?，最終送入主控制器。

·舵角電氣限位裝置：舵機(jī)控制線路安裝有舵角電氣限位裝置，當(dāng)舵角接近滿舵時，進(jìn)行自動限位，防止發(fā)生舵葉轉(zhuǎn)動失控。

·信號取樣電路：取樣電路將輸入的信號進(jìn)行取樣后，保持，送入主控制器。

·縱傾均衡系統(tǒng)：包括縱傾均衡水艙、電液閥、流量計、傾角傳感器等。主控制器控制模放電路，驅(qū)動電液閥，控制設(shè)置于艇首和艇尾的縱傾均衡水艙之間的移水量，從而控制模型潛艇的縱傾。

4.2 浮力控制系統(tǒng)電路實現(xiàn)

浮力控制系統(tǒng)包括壓載水艙系統(tǒng)和浮力調(diào)整系統(tǒng)。

·壓載水艙系統(tǒng)：包括壓載水艙、高壓氣瓶、電磁閥、氣閥、液體流量計、模擬放大電路等。

主控制器控制模放電路從而驅(qū)動電磁閥與通氣閥，進(jìn)而控制壓載水艙的注水量（由流量計計量），使模型潛艇質(zhì)量增加，所受正浮力減少，模型潛艇由水面狀態(tài)過渡到水下狀態(tài)。主控制器控制模放電路從而控制氣閥，利用高壓氣體吹除壓載水艙內(nèi)的水，使模型潛艇質(zhì)量減少，所受正浮力增加，模型潛艇由水下狀態(tài)過渡到水上狀態(tài)。

·浮力調(diào)整系統(tǒng)：包括浮力調(diào)整水艙、高壓氣瓶、電液比例閥、氣閥、液體流量計、模擬放大電路等。

主控制器控制模放電路，驅(qū)動電液比例閥，從而控制浮力調(diào)整水艙注水量（由流量計計量），從而減少浮力；主控制器控制模放電路，驅(qū)動氣閥，吹除浮力調(diào)整水艙的水（由流量計計量），從而增加浮力。

4.3 推進(jìn)電機(jī)及其控制系統(tǒng)電路實現(xiàn)

推進(jìn)電機(jī)采用直流無刷電機(jī)［13］，調(diào)速控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)速控制原理框圖

控制系統(tǒng)包括：光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動邏輯電路、驅(qū)動信號放大電路、電荷放大電路、H橋功率驅(qū)動電路等四部分。其主要控制信號有：電機(jī)運轉(zhuǎn)方向信號Dir、電機(jī)調(diào)速信號PWM、電機(jī)制動信號Brake，Vcc為驅(qū)動邏輯電路部分提供電源，Vm為電機(jī)電源電壓。

4.4 遙控器及通信電路實現(xiàn)

遙控器主板以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，輔以輸入鍵盤和操控手柄，顯示電路（128*64液晶顯示器），電源電路（穩(wěn)壓電路和6V電池）等共同構(gòu)成。

通信電路由通信芯片ESP8266和無線路由器（功率增強型）等共同構(gòu)成，遙控器發(fā)出的指令信號經(jīng)ESP編碼后輸入無線路由器，信號發(fā)射后，被模型潛艇的無線路由器接收，ESP解碼后輸入模型潛艇主控制器，主控制器獲取的相應(yīng)參數(shù)，經(jīng)ESP編碼后由路由器發(fā)送給遙控器。

4.5 電源與報警系統(tǒng)電路實現(xiàn)

·電源系統(tǒng)：主控制系統(tǒng)的電源系統(tǒng)由60V蓄電池、電源穩(wěn)壓電路（輸出+3.3V，+5V，±12V，+24V，+48V）、保護(hù)電路、狀態(tài)指示電路共同構(gòu)成，向主控制器、模擬放大電路、功率放大電路、舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓載水艙系統(tǒng)、均衡系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、浮力調(diào)整系統(tǒng)、主推進(jìn)系統(tǒng)與側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)（均使用48V推進(jìn)電機(jī)）等供電。遙控器由干電池供電，經(jīng)穩(wěn)壓后供電路使用。

·報警系統(tǒng)：由觸發(fā)電路、報警指示燈、蜂鳴器等共同構(gòu)成，對超深、危險縱傾、卡舵、電動舵機(jī)過載、主推進(jìn)電機(jī)過載、電池電壓低等信號進(jìn)行報警。

4.6 操控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

操控系統(tǒng)軟件分為遙控器系統(tǒng)軟件和主控制器系統(tǒng)軟件。

遙控器，其核心為STC12C5A60S2單片機(jī)，其系統(tǒng)軟件采用Keil C51環(huán)境開發(fā)，利用C語言實現(xiàn)。該系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為通訊、信號處理、信號發(fā)送、信息顯示幾個任務(wù)子程序。

主控制器，其核心為微控制器STM32F103RCT6，其系統(tǒng)軟件采用MDK5開發(fā)環(huán)境，利用C語言實現(xiàn)。軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為通訊、自檢、信號采集與處理、信號發(fā)送、危險狀態(tài)處置與報警等幾個任務(wù)子程序。主控制器要實施模型潛艇航向、深度的自動控制及危險狀態(tài)的應(yīng)急處置，其系統(tǒng)需要響應(yīng)事件中斷，因此，需要事先設(shè)置中斷優(yōu)先級別。主控系統(tǒng)的中斷事件主要有：電池電壓低、危險深度、危險縱傾、舵機(jī)過載、電機(jī)超速、卡舵、氣瓶氣壓低等。在上述中斷事件中，設(shè)定中斷優(yōu)先級為：電池電壓低＞氣瓶氣壓低＞主推進(jìn)電機(jī)過載＞升降舵電動舵機(jī)過載＞升降舵卡舵＞主推進(jìn)電機(jī)超速＞方向舵電動舵機(jī)過載＞側(cè)推進(jìn)電機(jī)過載＞危險深度＞危險縱傾＞方向舵卡舵。

5 結(jié)語

設(shè)計了一種模型潛艇自動操控系統(tǒng)，其主控制器和遙控器分別以STM32F103RCT6和STC12C5A60S2為核心，結(jié)合傳感器、主推進(jìn)系統(tǒng)、舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、反饋機(jī)構(gòu)、縱傾均衡系統(tǒng)、壓載水艙系統(tǒng)、浮力調(diào)整系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等共同構(gòu)成自動操控系統(tǒng)。經(jīng)過在航模池進(jìn)行實際航行試驗，該模型潛艇能夠在150m范圍內(nèi)進(jìn)行遙控，最大下潛深度1.5m，能夠有效地控制上浮、下潛與機(jī)動，并能穩(wěn)定于給定的航向、深度與姿態(tài)，主推進(jìn)裝置正車、倒車功能正常，側(cè)推進(jìn)裝置功能正常，系統(tǒng)報警功能正常。航模池試航試驗結(jié)果表明，該模型潛艇自動操控系統(tǒng)操控性能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

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