自主式水下航行器舵機控制系統采樣校正

王 茜1, 嚴衛生1, 2, 馮 凱1

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自主式水下航行器舵機控制系統采樣校正

王 茜, 嚴衛生, 馮 凱

(1. 西北工業大學航海學院, 陜西西安, 710072; 2. 水下信息處理與控制國家級重點實驗室, 陜西西安, 710072)

目前, 采用模擬電路處理數字轉換(A/D)采樣的誤差校正問題已比較成熟, 但這種方法實施起來相對困難, 且對于數字校正方面未有過實際驗證?；诖? 針對自主式水下航行器(AUV)舵機控制系統的采樣問題, 以AUV舵機控制系統為研究對象, 結合TMS320F2812芯片A/D采樣模塊的特性, 分析了采樣偏差產生的原因、過程及結果, 闡述了采樣-校正的原理, 并重點提出了圖形法和公式法2種誤差校正方法。其中, 圖形法比較分析了實際脈沖寬度調制(PWM)占空比與采樣理論值的差異, 并以圖形處理的方式進行校正; 公式法將理論公式與實際輸出相比較, 得出校正公式。試驗結果表明, 經過內部數字校正后的舵機控制系統具有良好的位置跟蹤性能, 控制精度完全滿足穩態誤差設計要求。

自主式水下航行器; 舵機控制; 采樣; 誤差校正

0 引言

近年來, 自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)已成為未來海洋開發利用和國家安全保障的重要工具, 在軍事和民用領域受到越來越廣泛的關注, 具有很大的科研和實用價值。

舵機控制系統是AUV控制系統的重要組成部分, 其本質上是一個位置伺服系統, 位置反饋的精確度決定著整個AUV舵機控制系統性能的好壞。舵機位置反饋以電壓信號為輸入, 包括反饋信號的模擬電路處理和數字信號處理(digital signal processing, DSP)的模擬到數字轉換(analog to digital, A/D)采樣2部分。文獻[3]采用高級精簡指令集機器(advanced RISC machines, ARM)內核的LPC2119嵌入式微處理器為主控制器, 設計了舵機控制器。文獻[4]介紹了一種新的舵機控制系統, 以控制器局域網絡(controller area network, CAN)總線為通信方式, 采用外圍硬件計數器產生脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)控制信號。文獻[5]設計了一種基于AT89S52單片機的舵機控制系統。文獻[6]~文獻[8]也從不同方面對舵機控制系統進行了研究, 但是, 當前針對舵機控制系統采樣校正過程的研究很少。

本文以一種新型AUV舵機控制系統為研究對象, 運用TMS320F2812的模數變換器(analog to digital converter, ADC)模塊對采樣過程中遇到的采樣有效范圍、采樣真實曲線斜率和初值偏差等實際工程問題進行了深入研究。此舵機控制系統主要由CAN總線通信電路、舵機位置采樣信號處理電路、電機控制電路等外圍擴展電路構成, 通過位置反饋組成閉環控制系統, 達到精確控制舵機位置的目的。

1 舵機控制系統工作原理

整個AUV舵機控制系統的工作過程如下: 控制管理中心發出打舵指令(舵角的度數, 其范圍為±15°), 經CAN總線傳輸到DSP, DSP的A/D采樣模塊對模擬電路濾波、縮小后的位置反饋信號進行接收處理, 并與打舵指令數據進行比較產生偏差信號, 該信號經比例積分(proportion-integral, PI)計算后產生適當的PWM信號, 最后經過相應的隔離和邏輯處理電路, 將PWM信號施加到智能功率模塊(intelligent power module, IPM)搭建的H橋上, 進而完成對電機轉動位置的控制, 即完成對舵機舵角位置的控制。

2 A/D采樣及校正

2.1 A/D采樣過程

舵機控制系統中, DSP的A/D采樣是由DSP內部的ADC采樣模塊來完成。該DSP的ADC模塊是一個12位16通道的模/數轉換器, 16個通道被分為2個8通道, 不僅可以實現對每個通道的順序采樣, 而且可以實現對2個通道的并發采樣, 但是必須分時進行數字量的轉換。ADC模塊的性能好壞具體表現在其所能提供的最大通道數、最小轉換速度、采樣的精度等方面, 而采樣的精度取決于DSP的A/D采樣的位數以及DSP的工作電壓。

DSP的ADC模塊有16個模擬量輸入通道, 模擬輸入電壓為0～3V, ADC工作在25 MHz時最高轉換速率為ADCLK或12.5 MHz。本系統舵機位置信號經過運放處理后, 由±12V轉換為0～3V, 故完全可以滿足本系統設計要求。由于此ADC可以直接對0～3V電壓范圍采樣, 也可以經過信號調理后對峰峰值不超過3V的雙極性模擬信號進行采樣。舵機位置信號的轉換結果將存儲到結果寄存器ADCRESULT中。

轉換后的理論數字量表示為

2.2 誤差校正原理

實際工作中, DSP內部ADC轉換器存在各種誤差, 本文主要考慮失調誤差和增益誤差。

增益誤差和失調誤差的ADC轉換器的轉換方程

理想情況下, ADC模塊轉換方程

式中:為ADC采樣端口輸入電壓數值, 具體值為輸入電壓×4 095/3 V;為輸出計數值;為理想增益1.0000。

根據文獻[9], ADC的輸入電壓與輸出數值的理想曲線是一條經過原點, 斜率為1的直線, 而實際曲線存在縱軸偏移量和斜率誤差(如圖1)。圖中, 增益誤差為輸出直線的斜率, 比理想斜率稍大; 失調誤差為輸出直線的截距, 理想情況下截距為0, 實際情況下為, 且大于0。

2.3 誤差校正參數計算

實際試驗中, 分別取-12 V, 0 V, 5 V作為電壓輸入值, 模擬舵機位置反饋信號的電壓。經過模擬電路信號處理后, 在DSP的采樣輸入端口測量電壓值分別為-0.000 5 V, 1.483 V, 2.110 5 V。根據這3個不同的給定輸入電壓, 分別采集11組數據并計算其平均值, 如表1所示。

表1 3組實際測量值

由表1數據計算得到這條折線的2個實際增益值(斜率)和實際偏移量(截距)分別是=1.044,=14.07;=1.028,=46.46。

有了以上2組數據, 便可對采樣的實際曲線進行分析。首先將2種斜率的采樣直線圖和理想曲線在圖2中畫出。圖2中, 起點到第1個星形點的直線及其延長線為和得到的直線; 由1個星形點為起點與另1個星形點相連的直線, 為和得到的直線; 理想狀態曲線是1條過零點的直線。由圖2可看到, 理想狀態和實際情況的存在偏差, 且偏差不是很大。隨著電壓的增加, 三者的偏差越來越大, 并在曲線的終端達到最大。終端部分的局部放大圖如圖3所示。

當達電壓最大時, 3條曲線的值分別為4 289, 4 255和4 094。實際曲線與理想曲線相差61, 化為角度偏差為0.447°, 大大超過了0.1°~0.2°的穩態誤差設計要求, 更不用說控制系統本身設計可能存在的穩態誤差。因此, 無論從理論上還是從實際中都需要對上述誤差進行糾正, 以符合控制過程對穩態誤差的要求。

經過研究并結合以上實測處理的3個數據點, 運用最簡單, 最實用的最小二乘法擬合了1條一次曲線。曲線如圖4所示。

由最小二乘法得到該直線的和的值分別為:=1.040 4,=15.094 0。

2.4 誤差校正方法

利用3組輸入輸出值求得了ADC模塊的校正增益和校正失調, 然后再利用這2個值對采樣通道的轉換數據進行補償, 從而提高了ADC模塊轉換的準確度。具體計算方法有2種。

2.4.1 圖形法

在圖5中, 假設DSP結果寄存器中采得的數值為4095, 沿該點(3921, 4095)作垂直于軸的豎線, 與理想曲線(虛線)相交于點(3921, 3924), 則3924即為真實值。在實際模擬電路中, DSP采樣端的電壓計算為(3924/4095)*3=2.874V, 對應的舵角度數為13.75°。

這種方法較為直觀, 可作為分析處理的首選方法, 但是此方法不適合在線實時處理數據。

2.4.2 公式法

公式法計算過程簡便, 且能實現實時處理, 其主要推導過程如下。

由式(4)得

(5)

由式(5)得

由以上各式得

(7)

運用該公式進行編程過程中要注意各個參數的類型, 特別是浮點型和整型數據的區別, 否則容易丟失精度, 造成數據偏差和錯誤。

2.5 應用場景分析

在以上討論過程中不難發現, DSP本身自帶的采樣存在著一些問題。

由圖5可知, 當采樣結果達到最大值4095時, 其真實值僅為3 924, 即DSP采樣端電壓為2.84V, 不能達到最大的3V, 所以采樣的有效區間為[0, 2.84]V, 對應本工程中的角度可控范圍為[-15, 13.75]°。這也是本文擬合曲線選取的3個點沒有采用12 V的原因。在實際工程設計中, 要特別注意這樣的問題, 給相關的控制量留下足夠的閾值。

3 舵機控制試驗結果

采用采樣校正后的數據, 經過相關的控制算法計算, 在最終調試中得到了良好的控制效果, 舵機控制系統的實際響應曲線如圖6所示。

由圖6看出, 舵機控制的實際響應時間為0.11 s, 控制精度完全滿足穩態誤差[0.1, 0.2]°的設計要求。

4 結束語

本文以在實際工程過程中遇到的問題為出發點, 討論了AUV舵機控制系統的采樣校正問題。試驗結果表明, TMS320F2812控制芯片經過內部的數字校正后, 舵機控制系統具有良好的位置跟蹤性能, 且起動快速、穩定。此校正方法的控制參數易于調整, 具有更好的實用性, 提高了系統的準確性和實時性。

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(責任編輯: 楊力軍)

Sampling Correction of Steering Gear Control System for Autonomous Underwater Vehicle

WANG Qian, YAN Wei-sheng, FENG Kai

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The error correction for analog-to-digital(A/D) sampling by analog circuit processing is relatively mature. But it is relatively difficult to be implemented. And the digital correction has not been actually verified. In this paper, aiming at the sampling problem of steering gear control system for an autonomous underwater vehicle(AUV), the reason, process and result of generating sampling deviation are analyzed by considering the characteristics of the A/D sampling module on a TMS320F2812 chip, and the principles of sampling correction are described. Accordingly, graphic method and formula method are proposed for the error correction. In graphic method, the difference between duty cycle of actual pulse width modulation(PWM) and theoretical sampling value are compared for error correction through a graphical way. In formula method the theoretical formula is compared with actual output to get correction formula. Experimental results show that the steering gear control system achieves a good position tracking performance through internal digital correction, and the control precision fully meets the design requirement of steady-state error.

autonomous underwater vehicle(AUV); steering gear control; sampling; error correction

TJ630.33; TP215

A

1673-1948(2013)03-0197-05

2012-12-27;

2013-01-31.

國家自然科學基金(509090082).

王 茜(1988-), 女, 碩士, 研究方向為計算機控制、智能控制、網絡控制、容錯控制.