20 kg級便攜式自主水下機器人(AUV)設計與實現*

王芬清,何 波,張洪進

(中國海洋大學信息科學與工程學院,山東青島266100)

20 kg級便攜式自主水下機器人(AUV)設計與實現*

王芬清,何 波,張洪進

(中國海洋大學信息科學與工程學院,山東青島266100)

便攜式AUV具有結構緊湊、機動性好、制造和使用成本低等優點,本文設計AUV的底層控制系統和自主導航系統,并進行仿真驗證和人工湖試驗,結果證明底層控制系統具有很好的魯棒性,基于AHRS、數字羅盤和GPS的慣性導航算法能夠通過淺水節點潛航方式實現AUV自主導航。

便攜式AUV;底層控制系統;慣性導航;AHRS

AUV代表了未來水下機器人技術的發展方向,是當前世界各國研究工作的熱點。AUV在水下面臨著復雜的海底環境,底層控制系統必須要有足夠的可靠性以完成高層的相關指令并防止AUV發生碰撞或丟失[1]。自主導航能力是AUV有效應用和安全回收的關鍵技術,但由于受其大小、重量、電源使用的限制及水介質的特殊性、隱蔽性等因素的影響,實現AUV的精確導航是一項艱難的任務。

本文研制的AUV是1種魚雷形的微小型自治水下機器人,具有性能良好的運動控制系統,可根據不同需要掛載儀器設備,完成相應的水下探測任務。AUV的設計主要包括機械系統設計、電控系統設計以及系統的整合。機械系統由鋁合金密封艙和推進器構成。密封艙分為2部分:前艙放置傳感器系統,后艙放置推進器驅動系統,2個密封艙的中間放置垂直推進器。推進器用來實現AUV的運動。電控系統由參數采集監測和推進器驅動2部分組成,主要負責通信、系統狀態參數采集、推進器控制、外掛設備管理等功能。AUV配備無線通信平臺,接收預編程指令后即可進行自主作業任務。AUV內部采用CAN總線等多種通信方式。

傳統的AUV的水下導航定位依賴于艙內的多傳感器系統,如主動聲納、避碰聲納、DVL、GPS、陀螺儀等,傳感器系統采集數據上交至岸基或母船計算機進行處理,完成AUV的路徑規劃和控制決策等相關任務。

本文的小型AUV搭載有AHRS、數字羅盤、GPS,并設計了“淺水節點潛航”方式的自主導航算法,在湖試中取得了預期的效果。

1 小型AUV機械結構設計

AUV采用推進器作為運動控制部件,推進器產生的推力是水動力,其具備3個自由度的運動,即進退、潛浮和轉艏。

其中水平推進器T1布置在AUV尾部,控制AUV進退;垂直推進器T2布置在2個艙體之間,控制AUV潛浮。推進器布置如圖1所示,粗箭頭表示推進器。

圖1 AUV推進器布置Fig.1 A rrangement of AUV thrusters

方向舵布置在AUV尾部,控制AUV轉艏。

綜上所述,AUV整體機械外形設計效果見圖2。

圖2 AUV機械外形設計圖Fig.2 AUV mechanical system schematic

電控系統主要包括傳感器參數采集監測和推進器驅動的設計。

參數采集監測 電控系統作為AUV指揮中心必須能夠實時處理采集的數據并做出相應動作,包括測量AUV航行速度、電源電壓和電流、監測水密艙的密封情況以及接收其他機載傳感器傳回的數據。

AUV參數采集監測系統見圖3:

圖3 AUV參數采集檢測系統Fig.3 AUV data collection system

主控單片機采用美國M icrochip公司的DSC(數字信號控制器)系列高端16位單片機,它集成了單片機(MCU)的控制功能以及數字信號處理器(DSP)的計算能力和吞吐能力[2]。推進器驅動 為對AUV的運動進行良好控制,可將其運動按水平和垂直2個方向進行分解,這樣可以設計2套獨立的推進系統來實現進退、潛浮、轉艏3個自由度的運動[3]。

推進器采用性能優異的200 W直流電機,其具有良好的啟動特性和調速特性,電機驅動采用了無接觸式的紋波測速,微控制器采用M icrochip公司的dsPIC30F4011,集成了6路電機控制PWM信號生成模塊,該模塊簡化了產生多種同步脈寬調制輸出的任務,集成了10位A/D轉換器、9個模擬輸入引腳、能對多達4個模擬輸入引腳進行同時采樣等等,方便了參數采集系統的設計。

電機驅動部分采用IR公司的驅動器:R2136和MOSFET:FP054N構成橋式可逆PWM驅動電路。IR2136采用了600 V BCDMOS工藝,其源極耐壓為600 V,芯片集控制電路,電平轉換,低阻抗輸出和識別保護為一體。該驅動電路只需幾個外圍分立元件就可使橋式電路的邏輯控制信號與MOS柵極器件完整連接,采用它可以使功率系統的設計時間縮短,尺寸減小,成本降低,可靠性提高。

總體電機驅動電路的原理示意圖見圖4,該電路可以驅動最大電壓600 V,最大電流80 A的直流電動機,實現10%～99%占空比可逆PWM運轉。電機采用雙閉環PID調速,內環為電流環,外環為轉速環。

圖4 直流電機驅動電路Fig.4 DC motor driver circuit

舵機驅動采用步進電機控制系統。步進電機角位移與輸入脈沖嚴格成正比,用其組成的開環數控系統具有動態響應快、控制精度高、成本低而且性能可靠等優點。

3 AUV整機組裝

AUV內部具有無線總控制板、CAN轉RS232有線總控制板、步進電機驅動和參數檢測板、電機驅動板和電源板等。AUV設計有2套通信方案:無線方式和有線方式。圖5～7分別為AUV機械外形、電控系統、浮力配置和湖試。

圖5 AUV機械外形Fig.5 AUV mechanical system

圖7 AUV浮力配置和湖試Fig.7 AUV buoyance configuration and lake trial

4 傳感器選型

傳感器可以分為平臺傳感器和海洋環境監測傳感器。平臺傳感器是指AUV實現導航定位的必備傳感器,如前視多波束聲納、DVL、GPS、數字羅盤、A HRS、LBL、高度計和聲學Modem等。AUV在實現穩定可靠的自主導航之后便可以搭載不同的傳感器完成相應的海洋探測任務,這些傳感器包括海洋環境傳感器:ADCP、CTD、ECO傳感器、p H計、ORP等[4]。

受AUV體積的限制,本文所設計的AUV搭載的傳感器列表見表1。

表1 傳感器選型Table 1 The selection of senso rs

5 基于AHRS、數字羅盤和GPS的AUV自主

當前AUV自主導航方法主要有航位推算和慣性導航(INS)、聲學導航和地球物理導航等。慣性導航系統通過將加速度對時間2次積分來獲得潛器的位置,這種導航方法的優點是自主性和隱蔽性好。目前INS主要有2種形式:平臺式和捷聯式。捷聯慣性導航系統(SINS)容易實現導航與控制的一體化,本AUV采用的是捷聯慣性導航。姿態和航向參考系統A HRS是實現慣性導航的關鍵傳感器,能夠輸出三維歐拉角、加速度和角速度[5]。

慣性導航方法的最主要問題是隨著潛器航行時間的增大,其誤差也不斷增大。若AUV周期性地浮出水面,并采用GPS對其位置修正,潛器的導航精度將會得到很大的提高。這時潛器在相鄰2次浮出水面之問的時間間隔取決于INS的精度。

此外,數字羅盤能夠提供精確的歐拉角信息,可以對A HRS進行校對和修正,但是數字羅盤在地磁場突變的情況下會有較大誤差,所以AHRS和數字羅盤互相依賴、相輔相成。

對于工作在非極區的捷聯慣導,導航坐標系一般選用地理坐標系,設位置更新周期為Tl=tl-tl-1,n(l)和n(l-1)分別為tl時刻和tl-1時刻的導航坐標系,則

設Tl=M Tm,即經過M次速度更新后作1次位置更新,則Δ,經緯度和位置矩陣間存在如下關系:

則L=arcsin P33

上述分析說明,只要確定出ΔRnm(m=1,2,…,M),就可以確定出AUV在t2時刻的位置矩陣,通過位置矩陣又可確定出經度和緯度。

AUV采用“淺水節點潛航”的方式進行自主導航,AUV潛航一定距離后浮出水面通過GPS定位,然后再入水潛航,以消除慣導系統的累計誤差,見圖8。

圖8 AUV淺水節點潛航示意圖Fig.8 AUV dives along nodes in shallow water

根據經緯度可以得到AUV的直角坐標,設Ji-1、Ji分別為AUV的2個節點,AUV即A點正在從Ji-1向Ji航行,根據A點(Ax,Ay)、Ji點(JiX,Jiy)的直角坐標可以計算AUV的航向角θ[6],見圖9。

圖9 航向角計算方法Fig.9 Method of calculating heading angle

從而得到AUV的航向角信息。實際實驗中使用了恒定的航行速度(0.2 m/s)。

設計航向角采用PID控制方法,上述算法經過Simulink仿真也得到了很好的效果,假設海浪為正弦波,峰峰值0.3 m/s情況下,設計10個節點分別為(0,0)、(20,0)、(50,10)、(80,0)、(100,40)、(100,80)、(80,110)、(40,90)、(20,40)、(20,0),則仿真效果見圖10。

圖10 自主導航仿真效果圖Fig.10 Autonomous navigation simulation results

其中外圈直線部分為各個節點之間的連線,內圈為AUV實際航行路線,可以看出在海浪恒定的情況下,AUV能夠較好的完成自主導航。

實際情況中,海浪不是恒定的,所以在海浪模型上疊加了突發脈沖干擾,圖11的Signal Builder即為各種不同類型的脈沖干擾,

圖11 脈沖式海浪干擾仿真Fig.11 Pulse wave interface simulation

在此情況下,AUV自主導航的仿真效果見圖12,

圖12 脈沖式海浪干擾下自主導航仿真效果圖Fig.12 Autonomous navigantion simulation with pulse wave interface

從仿真效果可以看出,AUV在海浪突然增大的情況下會產生較大的偏航,但是海浪恢復正常后會自行調整為正常航行狀態。

根據前述設計方案和思路,在仿真取得成功后,于人工湖進行了真實環境實驗。通過現場實驗,對小型AUV的硬件系統、軟件系統、運動控制算法進行測試和驗證。人工湖水深2 m,同時波浪較小,AUV根據已知的GPS節點進行圓周自主導航。主要實現方法是由AUV與目標節點計算航向角,然后對A HRS所采集的實際航向角進行運動跟蹤,實現期望運動,航向角跟蹤曲線見圖13。

圖13 航向角跟蹤曲線Fig.13 Tracking curve of heading angle

從實驗結果可以看出基于A HRS、數字羅盤和GPS的AUV自主導航算法存在的問題和解決辦法:

(1)AUV航行過程中要采用GPS進行校正,這樣就限制了AUV向深水潛航,實際中采用了分段“節點潛航”的方法來獲得GPS信息;

(2)航向角存在漂移現象。該問題的主要原因一個可能是由于所有微處理器對A HRS數據處理能力有限,二是數字羅盤的精度較低,三是實驗場地磁場影響較大,使得地磁場不均勻,羅盤示數非線性所致,可以通過升級微處理器、傳感器和根據現場校正羅盤來解決[7];

(3)直線往返時出發點和結束點之間存在偏差。該問題主要是由于跟蹤節點的累計誤差造成的,可以將節點門限值適當縮小,同時增大AUV推進功率,抵消波浪的影響。

6 結語

綜上所述,該小型AUV的底層控制系統具有低成本、高可靠性和易于開發等優點,在此基礎上能夠依靠A HRS和數字羅盤等慣性傳感器在水底進行自主導航,但是在長時間下存在積累誤差,可以通過提高傳感器的精度或者搭配基線導航傳感器和GPS來進行矯正,通過采用組合導航方式可以提高AUV在水下的生存能力和可靠性。

[1] 蔣新松,封錫盛,王棣棠.水下機器人[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2000:304-311.

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Design and Implementation of 20 Kilogram s Portable Autonomous Underwater Vehicle(AUV)

WANG Fen-Qing,HE Bo,ZHANG Hong-Jin
(College of Info rmation Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Portable AUV has the advantages of compact architecture,perfectmobility and low cost,this paper designs the low level control system and navigation system,and carriesout simulation and artificial lake experiment,the results verify that the low level control system is robust and based on A HRS,digital compass and GPS,AUV can realize autonomous navigation by means of node-submerge in shallow water.

portable AUV;low-level control system;inertial navigation system;AHRS

TP242.6

A

1672-5174(2011)7/8-183-06

山東省科技攻關項目(2008GG1005011);山東生博士基金項目(BS2009HZ006);青島市科技計劃項目(10-3-4-1-3-jch)資助

2010-12-27;

2011-03-25

王芬清(1985-),男,碩士生。E-mail:confi6@126.com

責任編輯 陳呈超