全海深載人深潛器水下云臺控制系統的研究與設計

陳宣成 ，郭 威，周 悅，張有波

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306；3.上海深淵科學工程技術研究中心，上海 201306）

0 引言

深海探測技術是我國發展深海裝備著力點，其中作業型全海深載人深潛器的研發是深海工程學科的核心課題之一[1]。全海深水下運動云臺（Deepsea Pan and tilt）作為載人潛水器的主要搭載部件，主要功能是在搭載水下攝像頭及輔助設備以擴大攝像頭的觀測范圍，是深潛器獲取圖像和體現作業能力的其中一項關鍵技術。鑒于美國Remote Ocean System（ROS）公司P系列的云臺常應用于3000m至6000m深海，適用全海深云臺還未見報。而國內超過6000米級水下深潛器大多使用國外云臺產品[2,3]。隨著深海工程裝備朝著萬米級深度的研發，目前水下云臺裝備難以匹配全海深載人深潛器的作業需求，在面向載人深潛器功能需求上，水下云臺控制系統從硬件設計到控制方法上有許多值得完善的地方。例如：傳統云臺操縱桿在狹小的載人艙內不利于多名潛航員控制，且占用較多通信接口[4,5]；深潛器通常搭載多臺云臺，控制系統需滿足良好的通信實時性和錯誤自檢機制；密封的載人艙內不能直觀的觀察云臺運動姿態，使用傳統的云臺控制方法不易控制。

本文以上海海洋大學深淵中心“彩虹魚”號全海深載人深潛器搭載云臺的研發需求出發，研究設計一種高可靠性全海深云臺控制系統，便于潛航員能在艙內使用手持式移動控制端完成操作、獲取、存儲和管理云臺系統信息。

1 系統概述及組成

本文設計的全海深水下云臺整體采用模塊化設計，由潛航員在載人艙內通過手持終端調節云臺在俯仰方向0～180°和回轉方向0～360°旋轉。由于潛航員在密封的載人艙內控制云臺并不能通過視覺直觀的觀察云臺轉動的方位角度，因此設計位置控制和手動微調兩種控制模式，并著重設計以下三個部分：

手持控制終端：為盡可能的節約載人艙空間在艙內采用零布線的通信方案，本設計在艙內選用藍牙無線傳輸代替現場總線以節約載人通信接口的使用[6]。系統使用基于Android操作系統手持移動終端作為控制端，利用移動終端內置藍牙與艙內云臺通信轉化板中的藍牙模塊完成配對，以藍牙信號為媒介在艙內實現云臺指令與艙外反饋的信息交互[7,8]。

云臺通信轉化板：控制系統為實現多臺云臺的靈活組網以及實時控制，在載人艙外使用CAN現場總線組網。此方案充分利用了CAN總線的通信的實時性與組網的靈活性[9,10]，在總線上掛有云臺通信轉化板、伺服控制器和多個伺服驅動器，能準確控制總線上任意節點[11]，實現多個云臺實時網絡化控制。

伺服控制子系統：云臺水平和俯仰方向的運動執行機構選用兩臺直流無刷電機[12]，鑒于無刷電機霍爾元件精度低無法滿足高精度位置控制的要求。因此本文提出在各電機的輸出軸處安裝回轉式直流減速機傳遞輸出扭矩以帶動云臺安裝支架運動，即伺服控制子系統將控制電機轉動圈數達到云臺安裝支架轉動位置的精確控制。

2 系統硬件設計

云臺控制系統硬件平臺由Android移動控制終端、云臺通信轉化板、云臺伺服控制子系統三個部分構成。鑒于市面上Android智能移動終端已經廣泛普及故不在本文的討論范圍，本文的著重解決的問題在通信系統的搭建、云臺通信協議轉化板和伺服控制子系統的硬件設計。

2.1 通信系統

云臺通信系統包括艙內藍牙無線通信部分和艙外CAN通信總線兩部分。云臺伺服控制子系統與通信轉化板連接基于CAN總線式拓撲結構[13]，云臺通信轉化板為通信節點1，外部云臺電子艙內伺服控制器為節點2，在總線上的每個伺服驅動也作為單獨的控制節點。當控制系統上電初始化后，通信轉化板先與手持控制終端完成藍牙配對并將控制端傳來的控制命令在CAN總線上廣播，直至接收到對應節點的應答信號。被控節點執行對應控制指令后反饋應發信號。

2.2 通信轉化板

通信轉化板實現了載人艙內無線通信與艙外CAN節點通信協議的轉換，該模塊由微處理器、藍牙串口模塊、CAN收發器和外圍供電電路組成，其主要硬件模塊與接口如圖1左半部分所示：模塊主控芯片采用STM32F103ZET6為主控芯片，芯片內部集成有14個標識符過濾器組的基本CAN控制器，兼容CAN 2.0B的主動模式，數據總線波特率最高可達1MB/S[14]。藍牙串口模塊選用微型主從一體工業級HC-05芯片，該芯片兼容3.3V和5V的單片機系統，支持4800～138240范圍的波特率。控制單元通過串口實時讀寫該模塊，完成與手持控制終端的配對以及數據透傳。CAN收發器選用TJA1050與CAN控制器構成基本的CAN節點，收發器的CAN_H、CAN_L兩個輸出端與載人艙外的云臺電子艙CAN接口通過水密電纜進行連接，從而實現艙內外通信協議轉化。

2.3 云臺伺服控制子系統

云臺伺服控制子系統實現云臺在俯仰和回轉方向上高精度的位置控制。如圖1右側所示，該模塊由伺服控制器與多個Elmo伺服驅動器組成，被安裝云臺耐壓電子艙內，由載人深潛器電源單元進過濾波降壓供電。為盡可能的縮小云臺電子艙的體積，電機驅動器選型為Elmo公司產品中體積最小的Gold Twitter，尺寸為12.6（cm3），卻可持續提供超過4000W的功率。該驅動器內置DSP處理器和CAN接口，可迅速響應來自CAN總線的控制指令。適用于分布式實時網絡的多軸運動控制。伺服控制器選用STM32微處理器，通過GPIO讀寫控制所有Elmo驅動器的運行，并通過CAN單元實時發送應答信號至上位CAN節點。

3 軟件設計

3.1 通信協議設計

Elmo Gold Twitter驅動器僅支持CAN與RS-232協議指令進行訪問，因而艙內的手持控制終端不能直接訪問伺服控制子系統，為更好的實現系統的控制功能，本文在手持控制終端與通信轉化板間制定一套通信協議以直接訪問底層節點功能。通信雙方采取應答機制進行交互，移動終端觸發按鈕發送命令，通信板解析后在CAN總線上廣播命令并等待伺服節點應答幀，接收到應答幀后給與手持終端應答，最后手持移動終端提示此次操作成功。當移動終端切換其他功能請求時，必須等待上次任務執行完畢。

圖1 系統硬件組成及其接口圖

協議幀采用十六進制編碼，幀長度為固定的4字節，其中幀頭為同步字節，標志著協議的開頭；地址位與功能位占一個字節，地址位包含總線上被控節點地址信息，供控制端識別總線上所有云臺。功能位前兩位用以區分命令幀或應答幀，后兩位對云臺功能進行編碼；協議幀中數據位占1字節，包含位置模式下電機位置信息以及手動模式控制標志位；數據幀最后為校驗字節。協議編碼表如表1所示。

3.2 通信轉化板控制程序設計

該模塊控制器主程序用Keil uVision5進行開發，在基于STM32微控制器硬件平臺上采用庫函數方式進行編寫。通信板程序的主要功能如下：1）通過串口讀寫藍牙模塊指令集，完成與手持控制終端的藍牙配對，并實時解析云臺命令；2）根據協議解析命令并改寫CAN數據幀中的仲裁段與數據段，實現控制節點選擇與驅動器CANopen指令集的位置控制；3）監聽CAN總線上的應答幀與其他CAN節點反饋報文判斷電機是否觸碰到軟件限位，并執行云臺復位。主程序由初始化程序、主函數和功能子函數構成，程序執行流程如圖2(a)所示。

圖2 控制系統流程圖

表1 通信協議編碼表

3.3 伺服控制子系統控制程序設計

Elmo可編程驅動器自帶32K閃存和10個可編程IO且使用伺服運動控制語言在Composer Elmo Studio IDE上對70余個內置參數完成控制及預編譯。硬件平臺搭建后，在Composer調試器上配置比例（KP）積分（KI）以及濾波器的值以獲取伺服系統最佳的階躍響應。Elmo驅動器程序流程圖如圖2(b)所示，手動微調模式下伺服控制器與Elmo驅動器協同工作。首先在初始化向導中設置驅動器GPIO為外部TTL電平觸發，伺服控制器接收上位指令控制GPIO輸出電平。位置模式下，預先配置CAN節點ID和相應位置環控制參數，Elmo直接接收上位端的CANopen指令控制電機輸出軸位置。

4 手持控制終端控制界面設計及實驗驗證

手持控制端人機界面設計的核心在于控制界面布局和實現藍牙通信，應用程序使用Android Studio進行開發[15]，為實現藍牙通信，應用程序首先調用BluetoothAdapter類中的StartActivity()方法和startLeScan()方法，完成控制端藍牙開啟以及云臺通信轉化板BLE設備搜索，然后重寫BluetoothDevice類中connectGatt()方法實現設備的握手，最后等待更改事件發生后在重載函數中回調只有一個參數intend的broadcastUpdate()函數實現數據的傳輸。應用程序的控制界面如圖3所示。

圖3 手持控制端界面

為驗證云臺控制系統水平位置控制準確性與穩定性設計如下測試實驗：在Composer通過預編程設置云臺俯仰位置限制之后，打開應用程序如圖3(a)所示，界面完成云臺通信連接轉化板藍牙配對、被控云臺選擇以及電機轉速設置。進入圖3(b)位置控制界面選擇被控電機，發送位置指令并使用Elmo公司Motion Monitor Recorder生成電機輸出軸位置曲線與驅動器輸出電流曲線。監控窗口如圖4所示。

圖4 控制端界面與監控曲線

由圖4可看出控制端發出命令后，電機在0.03秒左右初次到達目標位置900轉，隨后出現正向偏差，隨著反向制動電流趨于峰值，電機調整至目標位置，考慮到電機輸出軸的摩擦與慣性因素影響，本設計符合預期設計目標。

5 結論

綜上所述，本文為全海深云臺控制系統設計提供一種新思路，實現全海深水下云臺較為精確的位置控制，云臺位置控制與手動控制功能能滿足全海深云臺快速獲取水下位置與攝像頭微調的功能需求，解決了傳統云臺控制系統在在載人深潛器應用上的諸多不足。除此之外，控制系統采用模塊化設計以及應用CAN總線通信組網，便于系統升級維護以及功能拓展。但系統控制功能較為單一、上位機設計還較為簡單，將在以后的研究工作中繼續完善。