基于ARM自主式水下机器人系统设计

纪慧鑫 杨毅 郑东东 张翔 叶柱

摘 要：为了解决自主式水下机器人智能控制问题，设计了一种自主式水下机器人。文章从系统设计方面介绍了自主式水下机器人，利用PID控制算法对水下机器人运动控制进行了试验研究。PID算法对自主式水下机器人进行回路控制，实现对水下机器人航向角度进行控制，从而提高稳定性能。通过研究自主式水下机器人及其控制系统能够实现水下机器人对目标进行锁定进行观测，优化了自主式水下机器人的工作性能和指标。

关键词：自主式水下机器人；PID控制算法；系统结构，运动控制；控制器

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0041-02

Abstract： In order to solve the intelligent control problem of autonomous underwater vehicle （AUV）， an autonomous underwater vehicle （AUV） is designed. In this paper， the autonomous underwater vehicle is introduced from the aspect of system design， and the experimental study on the motion control of the underwater vehicle is carried out using the PID control algorithm. PID algorithm controls the autonomous underwater vehicle loop， to achieve the control of its heading angle， so as to improve the stability performance. Through the research of autonomous underwater vehicle and its control system， it can get the underwater vehicle to lock and observe the target， and optimize the working performance and index of the autonomous underwater vehicle.

Keywords： autonomous underwater vehicle； PID control algorithm； system structure； motion control； controller

引言

作为一种水下无人航行器的自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），在21世纪军用和海洋开发等领域拥有广泛的应用前景和发展趋势，已成为向深海领域发展研究的一個大热点，特别是自主式水下机器人核心技术之一的控制体系结构设计已成为其实现水下自主作业探索海洋的关键。目前来说，AUV的控制体系结构基本可分为四模块：反应式结构模块、分层递接结构模块、包容式结构模块和混合结构模块。为实现其体系结构模块的优虐势互补，可以将不同体系结构模块进行有机结合以设计出一种全方位混合式控制体系结构；本身的结构特点是：自给能源，能依靠自身的自治能力来管理和控制自己来完成水下作业。

1 系统设计

水下机器人设计总体分为：主机控制模块、传感器操作模块、硬件结构设计模块、控制系统结构模块、算法控制软件模块，其系统层次如图 1 所示。

2 水下机器人系统

2.1 总体设计

自主式水下机器人结构设计近似于船体的结构，但传动效率高。设计结构充分发挥水下机器人的各部分空间，确保设备完好无损且方便控制，又要防止各器件之间互相产生影响，减少机器人寿命，确保发挥出机器人的最大的性能、作业时间和效率。它的整体形态设计包括五个主要部分：外部形体结构、防水舱、推进控制器、电源盒以及通信传感器设计。外部形体结构主要是将水下机器人电气系统、控制器、通信系统分别固定到机器人机体上，要保证器件和系统能够安全有效率的作业，为此，在电气系统外部设计了一个密封舱，防止水下作业时有水进入电气系统。设计的水下机器人如图2所示。

2.2 推进器布置设计

水下机器人的推进器数量主要取决于其航行方向、时间、作业功能特点的强弱，一般来说功能越强，作业环境越复杂，推进器数量越多。推进器在作业时能够快速准确的让机器人到达指定目标位置，在航行中俯仰角决定水下机器人的上升和下降运动；而欧拉角中，航向角决定着水下机器人的航行方向，是水下机器人在航行过程中至关重要的；为确保其水下正常作业，通常将重心设计在系统的中心方面偏下的位置，用来抵消其不良运动的产生，增加机器人的运动平稳能力和自主控制能力。

确保机器人水下作业运行平稳，其布置方法可以按照下面几个要求来实现：

（1）应最大可能的使纵向、横向、竖向的合力交于一个汇聚点，而且这点要最大可能的接近机器人的重心，除去不良的附加运动给系统及自身带来控制上的麻烦。

（2）在水平航线航行过程中，理论上推进器的位置与自身前进动力坐标系保持平行，可以获得最大的前进动力，但是水下机器人形体较小空间有限，设备之间布置比较密集，推进器的布局、航行动力会受到的影响，航行过程中动力降低，影响推进器的推进效率。为了保持推进器的效率，可以在航行中让推进器与理想坐标轴轴线之间有一个小小的偏差度，大约在5°～15°，而cos5°～cos15°的值仍然接近于1，其误差非常之小，所以推进器的推力不会损失太多。

2.3 控制系统结构设计

控制驱动系统以ARM为核心，与高性能的PC104芯片进行数据交换，进而可以对多种信号进行数据处理以及系统化控制，通讯方面采用异步串行通讯接口与PC104进行对接，并反馈上传推进器的速度信息，以此接收更多的速度数据信息。每个驱动器以单片机为核心组成一个速度驱动模块，方便对推进器进行有效的控制，信息发送以PWM形式向各个MOS管发送命令，间接向各驱动器发送速度控制命令，推进器接收到命令之后反馈给单片机，单片机通过接收反馈信息以此来实现由发送PWM到MOS管组成速度驱动模块之间的闭环控制。控制驱动系统结构如图3所示。

3 基于ARM控制器的控制回路设计

3.1 ARM9嵌入式系统开发平台

ARM嵌入式系统系列处理器是英国的ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要以ARM9TDMI和ARM9E-S。ARM9与ARM7相比处理数据速度方面，ARM9频率高，速度快。ARM9处理器高于ARM7处理器的性能，作业中ARM9通过减少指令周期和增加频率，大大增强了其处理能力。所运用的ARM主要是以ARM922T为核心的UP-ZCP320C处理器平台。

3.2 水下机器人航向控制设计

图4为水下机器人航向理想控制框图。程序开始后会等待串口读事件的发生，接收数据，从数据中可以看到系统显示的输出，就可以计算出航向角度与系统输出角度的差指，设为PID_X。当角度差PID_X在第二象限时，系统会向水下机器人推进器发送饱和控制信号0x941E，推进器使机器人尽快向右边转动来缩小PID_X的绝对值，接近目标角度；相反当角度差PID_X在第三象限时，系统会向水下机器人发送饱和控制信号0x6BE2，推进器让机器人向左转动来缩小PID_X的绝对值；而当PID_X为其他情况时，控制器利用PID算法计算出需要推力大小，以此来实现改变机器人航行角度。使其回归设定角度附近。在实验过程中程序是一直循环工作的，会不断的调整推进器推力大小，使机器人在理想条件下航行角度在设定的航行角度。

4 结束语

通過对水下机器人的研究，设计了一个自主式水下机器人。水下机器人主要以ARM为核心，与高性能PC104进行数据交换，采用传感器作为数据的处理中心并配合控制推进器达到机器人精确控制的目的。ARM通过与各种系统对接协调配合的作业方式，来完成水下作业的任务和下潜目标。

参考文献：

[1]魏延辉，田海宝，杜振振，等.微小型自主式水下机器人系统设计及试验[J].哈尔滨工程大学学报，2014，35（5）：567-570.

[2]李开生，张慧慧，费仁元，等.机器人控制其体系结构研究的现状和发展[J].机器人，2000，22（3）：235-240.

[3]李港，朱大奇，颜明重.基于ARM的水下机器人通信与控制器研制[J].自动化与仪表，2010.

[4]梁富琳，叶家玮，等.基于Labview的PID算法在小型水下机器人中的应用[J].中国舰船研究，2008.