某小型水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)淺析

鄭達(dá)　鄒光燦

摘要：本文針對小型水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)的組成、工作原理、工作過程進(jìn)行了研究，形成了一個控制水下滑翔機(jī)姿態(tài)控制的有效方法。

引言

水下滑翔機(jī)是一種新型水下機(jī)器人。借助改變自身浮力和重心在水下做滑翔運(yùn)動，具有航行阻力小、能源利用率高、航行距離大、噪聲低、回收方便等優(yōu)點，在海洋監(jiān)測與探測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文針對小型水下滑翔機(jī)控制系統(tǒng)的研究。

1 功能及組成

1.1? 功能

本控制系統(tǒng)主要完成水下滑翔機(jī)的姿態(tài)控制，具備滑翔機(jī)的潛伏、俯仰、偏航控制以及無線數(shù)據(jù)收發(fā)、傳輸、指令下達(dá)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)狀態(tài)自動檢測等功能，完成滑翔機(jī)的水下滑翔動力驅(qū)動與姿態(tài)調(diào)節(jié)控制，達(dá)到預(yù)定滑翔運(yùn)動控制要求。

1.2? 組成

本控制系統(tǒng)主要由岸上控制終端、下位機(jī)控制系統(tǒng)兩部分組成（系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示）。

其中岸上終端主要由控制計算機(jī)及相關(guān)輔助器件設(shè)備組成。上位控制終端為滑翔機(jī)與操作人員的人機(jī)界面。岸上控制終端主要通過無線串口、北斗一代/銥星系統(tǒng)、在線測試電纜三中不同的連接方式同滑翔機(jī)系統(tǒng)的下位控制系統(tǒng)建立聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、檢測與控制。

下位機(jī)控制系統(tǒng)主要由中心控制器和相關(guān)的外圍輔助控制電路、傳感器、執(zhí)行器件等組成，完成航行器浮力調(diào)節(jié)控制、航行器俯仰控制、滾轉(zhuǎn)控制以及安全應(yīng)急拋載控制?？刂葡到y(tǒng)包括通訊接口電路、控制器、驅(qū)動電路、直流電源、復(fù)位電路、外圍驅(qū)動器等組成。

2 系統(tǒng)工作原理

電氣控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)通過無線串口（銥星數(shù)據(jù)通訊傳輸/北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星的數(shù)據(jù)短報文功能）、有線數(shù)據(jù)通訊電纜實現(xiàn)與下位控制器通訊，完成系統(tǒng)指令傳輸與數(shù)據(jù)交換。

下位機(jī)主要完成上位機(jī)所發(fā)送指令的執(zhí)行控制，下位機(jī)工作原理如下圖2所示。

3 控制系統(tǒng)技術(shù)要求

控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求如下。

1）控制系統(tǒng)動態(tài)工作功率：≤10W（控制器本身，不計算外圍電磁閥等用電器件功率）;

2）靜態(tài)功耗：≤3W;

3）系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時間：≤100ms;

4）數(shù)據(jù)輸入接口：標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0/RS232/無線串口;

5）浮力調(diào)節(jié)電機(jī)控制數(shù)字信號輸出：保證電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在600～3500轉(zhuǎn)之間可調(diào);

6）重心調(diào)節(jié)電機(jī)開關(guān)量輸出，控制1臺24V直流電機(jī)正反轉(zhuǎn);

7）重心調(diào)節(jié)位移控制精度誤差累計：≤0.3mm;

8）橫滾控制電機(jī)開關(guān)量輸出，控制1臺24V直流電機(jī)正反轉(zhuǎn);

9） 橫滾調(diào)節(jié)角度控制精度誤差：≤0.1°（角度范圍為±60°，對應(yīng)姿態(tài)角最大：±35°，姿態(tài)角的角度控制為閉環(huán)控制，采用編碼器作為信號反饋傳感器）;

10）電磁閥線圈通斷控制繼電器觸點負(fù)載能力IW≥3A（24VDC）;

11）伺服電機(jī)電源通斷繼電器負(fù)載能力：IW≥15AP（48VDC）;

12）浮力調(diào)節(jié)控制精度：≤0.05L或浮力調(diào)節(jié)能力的1%FS（取小值）;

13）控制系統(tǒng)連續(xù)無故障工作時間不低于1年，控制系統(tǒng)工作壽

命不小于3年;

14）岸上控制終端連續(xù)供電工作可靠性不低于1年，工作壽命不低于3年。

4 系統(tǒng)工作過程概述

控制系統(tǒng)由滑翔機(jī)控制系統(tǒng)和岸上指揮控制系統(tǒng)（上位機(jī)）兩部分組成?；铏C(jī)控制系統(tǒng)主要完成滑翔機(jī)的滑翔動力驅(qū)動控制與姿態(tài)控制。通過控制浮力調(diào)節(jié)電機(jī)泵完成系統(tǒng)的浮力調(diào)節(jié)控制、完成下潛滑翔機(jī)和上浮滑翔、水面漂浮通訊三個工作狀態(tài)。為保證航行器在滑翔過程的姿態(tài)滿足預(yù)定滑翔姿態(tài)控制要求。

岸上指揮控制系統(tǒng)（上位機(jī)）主要完成滑翔機(jī)與操作員的人機(jī)界面交互，實現(xiàn)航行器工作路徑規(guī)劃、航行狀態(tài)邊界條件設(shè)定、系統(tǒng)狀態(tài)檢測、航行狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測、下位機(jī)軟件更新升級等控制工作。

4.1? 滑翔的三個階段

滑翔的三個階段為水上布放作業(yè)、滑翔工作、回收工作三個階段。

4.1.1 布放階段

布放主要是完成滑翔機(jī)啟動、狀態(tài)檢測、滑翔參數(shù)設(shè)定、任務(wù)裝載、水面遙控調(diào)試、航行起點位置標(biāo)定等。

4.1.2 滑翔階段

滑翔工作階段滑翔機(jī)按照預(yù)定設(shè)定的目標(biāo)位置、滑翔最大深度、滑翔周期個數(shù)或結(jié)束滑翔條件等約束開始滑翔?；铏C(jī)啟動后滑翔機(jī)開始進(jìn)行減小浮力操作開始下潛滑翔，當(dāng)滑翔機(jī)下潛到水下0.5米深度以下時，滑翔機(jī)根據(jù)北斗衛(wèi)星水面獲取的航行器位置信息與目標(biāo)航行終點之間的角度關(guān)系調(diào)整航行器的自身姿態(tài)使得航行器航向與目標(biāo)航行方向一致，并穩(wěn)定在相應(yīng)狀態(tài)（調(diào)整到位后橫滾角度回歸零位），當(dāng)航行器姿態(tài)再次發(fā)生于目標(biāo)航行方向有較大偏差時再次調(diào)整航行器橫滾姿態(tài)進(jìn)行航向修正，直到滿足設(shè)定航行器航行方向為止。當(dāng)航行器航行回歸到設(shè)定航行方向橫滾姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)回歸到零橫滾角度狀態(tài)，繼續(xù)滑翔。航行器下潛滑翔過程中，當(dāng)航行器下潛到水面以下1米以后，航行器的天線與通訊關(guān)閉。當(dāng)航行器達(dá)到設(shè)定最大下潛轉(zhuǎn)換深度時，航行器開始增大浮力調(diào)節(jié)操作，直到達(dá)到設(shè)定增大浮力的上限為止。滑翔機(jī)開始上浮滑翔，在此過程中當(dāng)航行器與目標(biāo)方位角偏差超過允許值界限時，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)橫滾姿態(tài)以進(jìn)行方位修正，當(dāng)修正到目標(biāo)范圍內(nèi)時，系統(tǒng)的橫滾姿態(tài)控制再次回歸零位繼續(xù)上浮滑翔，直到水面。

當(dāng)航行器上浮滑翔到水面下1米深度時航行器的各個天線重新啟動工作，與岸上控制系統(tǒng)建立聯(lián)系，并將當(dāng)前接受的GPS位置信息發(fā)送給岸上控制系統(tǒng)終端，同時滑翔機(jī)自動更新當(dāng)前起點位置信息?；铏C(jī)與岸上控制系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交換后，在規(guī)定時間周期內(nèi)如果沒有新的任務(wù)變更，滑翔機(jī)再次進(jìn)入新的滑翔工作周期。

4.1.3? 回收階段

回收工作階段則是根據(jù)最后的報告位置進(jìn)行滑翔機(jī)的回收工作，回收階段主要通過無線串口近距離進(jìn)行人為干預(yù)操作，配合回收設(shè)備及平臺進(jìn)行滑翔機(jī)的打撈回收。并對滑翔機(jī)內(nèi)計數(shù)據(jù)進(jìn)行下載和分析整理，回收后進(jìn)行狀態(tài)檢測測試。

5 系統(tǒng)工作流程

水下滑翔機(jī)滑翔的整個工作流程，主要完成水下滑翔機(jī)的姿態(tài)控制，具備滑翔機(jī)的下潛、上浮、偏航控制，具體流程如圖3。

結(jié)論

本文通過滑翔機(jī)的滑翔特點，提出了一種針對滑翔機(jī)的姿態(tài)控制方案，通過研究完成滑翔機(jī)的水下滑翔動力驅(qū)動與姿態(tài)調(diào)節(jié)控制的效果，達(dá)到預(yù)定滑翔運(yùn)動控制要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陳強(qiáng).水下無人航行器技術(shù).北京.海潮出版社.2007