某小型水下滑翔機控制系統淺析

鄭達　鄒光燦

摘要：本文針對小型水下滑翔機控制系統的組成、工作原理、工作過程進行了研究，形成了一個控制水下滑翔機姿態控制的有效方法。

引言

水下滑翔機是一種新型水下機器人。借助改變自身浮力和重心在水下做滑翔運動，具有航行阻力小、能源利用率高、航行距離大、噪聲低、回收方便等優點，在海洋監測與探測領域發揮著重要作用。本文針對小型水下滑翔機控制系統的研究。

1 功能及組成

1.1? 功能

本控制系統主要完成水下滑翔機的姿態控制，具備滑翔機的潛伏、俯仰、偏航控制以及無線數據收發、傳輸、指令下達、遠程數據傳輸、系統狀態自動檢測等功能，完成滑翔機的水下滑翔動力驅動與姿態調節控制，達到預定滑翔運動控制要求。

1.2? 組成

本控制系統主要由岸上控制終端、下位機控制系統兩部分組成（系統構成圖如圖1所示）。

其中岸上終端主要由控制計算機及相關輔助器件設備組成。上位控制終端為滑翔機與操作人員的人機界面。岸上控制終端主要通過無線串口、北斗一代/銥星系統、在線測試電纜三中不同的連接方式同滑翔機系統的下位控制系統建立聯系，實現數據的收發、檢測與控制。

下位機控制系統主要由中心控制器和相關的外圍輔助控制電路、傳感器、執行器件等組成，完成航行器浮力調節控制、航行器俯仰控制、滾轉控制以及安全應急拋載控制。控制系統包括通訊接口電路、控制器、驅動電路、直流電源、復位電路、外圍驅動器等組成。

2 系統工作原理

電氣控制系統分為上位機和下位機兩部分，上位機通過無線串口（銥星數據通訊傳輸/北斗導航定位衛星的數據短報文功能）、有線數據通訊電纜實現與下位控制器通訊，完成系統指令傳輸與數據交換。

下位機主要完成上位機所發送指令的執行控制，下位機工作原理如下圖2所示。

3 控制系統技術要求

控制系統設計技術要求如下。

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

2）靜態功耗：≤3W;

3）系統動態響應時間：≤100ms;

4）數據輸入接口：標準CAN2.0/RS232/無線串口;

5）浮力調節電機控制數字信號輸出：保證電機轉速控制在600～3500轉之間可調;

6）重心調節電機開關量輸出，控制1臺24V直流電機正反轉;

7）重心調節位移控制精度誤差累計：≤0.3mm;

8）橫滾控制電機開關量輸出，控制1臺24V直流電機正反轉;

9） 橫滾調節角度控制精度誤差：≤0.1°（角度范圍為±60°，對應姿態角最大：±35°，姿態角的角度控制為閉環控制，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載能力IW≥3A（24VDC）;

11）伺服電機電源通斷繼電器負載能力：IW≥15AP（48VDC）;

12）浮力調節控制精度：≤0.05L或浮力調節能力的1%FS（取小值）;

13）控制系統連續無故障工作時間不低于1年，控制系統工作壽

命不小于3年;

14）岸上控制終端連續供電工作可靠性不低于1年，工作壽命不低于3年。

4 系統工作過程概述

控制系統由滑翔機控制系統和岸上指揮控制系統（上位機）兩部分組成。滑翔機控制系統主要完成滑翔機的滑翔動力驅動控制與姿態控制。通過控制浮力調節電機泵完成系統的浮力調節控制、完成下潛滑翔機和上浮滑翔、水面漂浮通訊三個工作狀態。為保證航行器在滑翔過程的姿態滿足預定滑翔姿態控制要求。

岸上指揮控制系統（上位機）主要完成滑翔機與操作員的人機界面交互，實現航行器工作路徑規劃、航行狀態邊界條件設定、系統狀態檢測、航行狀態數據檢測、下位機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、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啟動、狀態檢測、滑翔參數設定、任務裝載、水面遙控調試、航行起點位置標定等。

4.1.2 滑翔階段

滑翔工作階段滑翔機按照預定設定的目標位置、滑翔最大深度、滑翔周期個數或結束滑翔條件等約束開始滑翔。滑翔機啟動后滑翔機開始進行減小浮力操作開始下潛滑翔，當滑翔機下潛到水下0.5米深度以下時，滑翔機根據北斗衛星水面獲取的航行器位置信息與目標航行終點之間的角度關系調整航行器的自身姿態使得航行器航向與目標航行方向一致，并穩定在相應狀態（調整到位后橫滾角度回歸零位），當航行器姿態再次發生于目標航行方向有較大偏差時再次調整航行器橫滾姿態進行航向修正，直到滿足設定航行器航行方向為止。當航行器航行回歸到設定航行方向橫滾姿態調節系統應回歸到零橫滾角度狀態，繼續滑翔。航行器下潛滑翔過程中，當航行器下潛到水面以下1米以后，航行器的天線與通訊關閉。當航行器達到設定最大下潛轉換深度時，航行器開始增大浮力調節操作，直到達到設定增大浮力的上限為止。滑翔機開始上浮滑翔，在此過程中當航行器與目標方位角偏差超過允許值界限時，系統自動調節橫滾姿態以進行方位修正，當修正到目標范圍內時，系統的橫滾姿態控制再次回歸零位繼續上浮滑翔，直到水面。

當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，與岸上控制系統建立聯系，并將當前接受的GPS位置信息發送給岸上控制系統終端，同時滑翔機自動更新當前起點位置信息。滑翔機與岸上控制系統完成數據交換后，在規定時間周期內如果沒有新的任務變更，滑翔機再次進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最后的報告位置進行滑翔機的回收工作，回收階段主要通過無線串口近距離進行人為干預操作，配合回收設備及平臺進行滑翔機的打撈回收。并對滑翔機內計數據進行下載和分析整理，回收后進行狀態檢測測試。

5 系統工作流程

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

結論

本文通過滑翔機的滑翔特點，提出了一種針對滑翔機的姿態控制方案，通過研究完成滑翔機的水下滑翔動力驅動與姿態調節控制的效果，達到預定滑翔運動控制要求。

參考文獻

[1]陳強.水下無人航行器技術.北京.海潮出版社.2007