基于STM32 的新型水下滑翔器姿态调节系统设计

2022-10-19王健曹园山徐令令陈珏

舰船科学技术 2022年17期

王健，陈伟，曹园山，徐令令，陈珏

(中国船舶科学研究中心水动力学国家重点实验室，江苏无锡 214082)

0 引言

水下滑翔器（underwater glider）是一种新型水下长航程智能航行器，具有续航能力大、噪声小、成本低等优点。水下滑翔器的姿态调节装置用于控制水下滑翔器滑翔过程中的姿态和航向，是水下滑翔器关键部件之一，其能否可靠正常运行，直接影响水下滑翔器的航向性能与通信性能。目前国内外水下滑翔器的各个控制模块普遍采用分散式布局方式，各个模块功能上具有一定的独立性，如姿态调节系统一般采用智能型驱动器如MSSTB05-R 系列驱动器，其自带控制核心通过RS485 总线通信的方式接收航行控制器（以下简称航控）的指令，且能够独立检测姿态调节的位置。然而采用该种驱动架构和控制方式会带来2 个方面的问题。

首先是能耗较高。通过对滑翔器的海试运动时历进行统计得知，水下滑翔器一次500 m 深度潜浮周期约为8 100 s，在此过程中滑翔器通过姿态调节系统进行姿态和航向控制约300 s，姿态调节系统实际驱动电机工作时间只占整个时长的3.7%。采用该种方式驱动，智能驱动器一直处于上电待机状态，消耗了大量电能。其次是可靠性较低。由于智能驱动器自主检测限位开关，自主开启和停止电机。当姿态调节系统由于异常发生宕机时，水下滑翔机航控无法准确实时获知姿态调节电机的通断和位置信息。

本文在理论和实践的基础上开发设计了基于STM32的新型水下滑翔器姿态调节系统，结合STM32 控制器搭建了全新的软硬件架构，与旧系统相比，新型姿态调节系统能够显著降低功耗并提高了可靠性。

1 系统的总体设计

系统的总体设计框图如图1 所示，新型水下滑翔器姿态调节系统主要由控制器、横倾驱动器、纵倾驱动器、以及位置检测模块构成，外部通过RS485 总线与航控进行数据交换。控制器实时解析航控指令，结合限位开关信息对横倾和纵倾驱动器进行控制，此外航控可以实时获取姿态调节系统的状态信息。

图1 系统的总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram of the system

2 系统的硬件设计

系统的硬件设计原理图如图2 所示，按照具体实现的功能，新型水下滑翔器姿态调节系统主要由主控模块、通信模块、位置检测模块、驱动器电源控制模块及信号转换模块构成。

图2 系统的硬件架构图Fig.2 Hardware architecture diagram of the system

2.1 主控模块

新型水下滑翔器姿态调节系统以STM32F103RBT6微处理器为控制核心，该处理器为32 位，主频最高72 MHz，具有高速嵌入式存储器（闪存和SRAM 多达128～20 bit），16 MHz 石英晶振，专用3 kHz 振荡器与RTC 校准，具有睡眠、停止和待机模式，可有效降低功耗。该芯片广泛应用于各种智能化嵌入式处理方案。新型水下滑翔器姿态调节系统以STM32F103RBT6为控制核心，结合通信模块、限位模块、驱动器电源控制模块、驱动器信号接收模块完成了系统的硬设计。

2.2 通信模块

为了与原有的通信方式兼容，控制器仍采用RS485通信的方式与航控通信联络，一方面接收来自航控的指令，另一方面将姿态调节系统的位置和继电器等状态信息发送给航控。

2.3 位置检测模块

位置检测模块主要由限位开关和位置检测电路构成。横倾电机有左、右、中3 个限位点，纵倾电机有前、后2 个限位点。其中左、右、前、后限位点采用微动式机械限位开关，其为触点开关，直接接入GPIO口进行检测，功耗几乎可以忽略。姿态调节装置的横倾中限位采用U 型槽光电开关，其使用DC5V 电源供电，消耗功率为65 MW。为了尽可能降低功耗提高可靠性，本文通过三极管电路控制其电源的通断，使得电机只在回中运动时该电源才打开。

2.4 驱动器电源控制模块

继电器电源控制模块主要用于控制驱动器的通断，主要由继电器和驱动电路构成，与过去的控制方式相比，由于采用分时控制，可以极大降低滑翔器的功耗。新型滑翔器采用非智能型海顿DCM4010 驱动器，单台待机功耗约0.4 W。一次500 m 深度潜浮周期约为8 100 s 单台驱动器可以节约大约8.1 W·h 的电能。

2.5 信号转换模块

信号转换模块电路主要用于将STM32 控制模块发出的PWM 控制指令进行电平转换，将TTL 的3.3V 电平信号转换为驱动器可以接收的5V 电平信号。

3 系统的软件设计

为了提高水下滑翔器姿态调节装置的可靠性，降低控制系统的功耗，仅靠硬件设计还不够，必须有相应的软件配合。软件实现上主要分为低功耗管理软件和故障自诊断复位软件。

3.1 低功耗管理软件设计

滑翔器姿态调节系统低功耗管理软件设计流程图如图3 所示。系统软件是基于C 语言在KEIL 平台中基于前后台的编程思路完成的。系统主控制器在上电后一直处于接收状态，接收来自航控的指令。当收到航控的控制指令后，主控模块解析该指令，设置驱动器的电机转动方向，发送一定频率的控制脉冲，打开横/纵倾驱动器电源，位置检测模块进行相应的检测，待到位后关闭横/纵倾驱动器电源。中限位开关只有在回中运动时电源才打开，其余都处于关闭状态。系统根据姿态改变需要，通过分时控制驱动器电源及中限位开关电源的方式来降低系统的整体功耗。

图3 姿态调节系统低功耗管理软件设计流程图Fig.3 low chart of low power management software design for attitude adjustment system

3.2 故障自诊断保护软件设计

姿态调节装置一般通过滚珠丝杠等传动方式实现滑块的移动，但是这些机构在长时间恶劣海况下工作时，不可避免地会产生机械结构卡顿等异常现象。机械结构卡顿将消耗大量电能，若卡死还会导致电路系统的烧毁。过去的系统架构，主机无法获知当前姿态调节系统的状态信息，系统的可靠性较低，为了提高系统的可靠性，新系统需要实时获取电机的运动状态，必要时采取相应的保护措施，并发送当前姿态调节的位置状态给航控进行相应的处理。

当系统由于故障超时断电处于不确定位置时，系统启动自诊断保护程序，流程图如图4 所示。对于横倾电机，控制系统会按照从前向后方向进行驱动，对于纵倾电机控制系统会按照左、右、中的方向进行驱动。当电机在运动过程中，控制器的计时器开始记录当前电机的运动时间，当超过设定的安全时间后，控制器发送断电信号，然后当前故障点位置信息通过串口发送给航控进行记录，紧急时采取应急上浮措施，进行回收处理。通过这种故障诊断方式可以提高姿态调节系统的可靠性，对滑翔器整体系统的可靠性提高具有重要意义。

图4 姿态调节系统故障自诊断复位软件设计流程图Fig.4 Design flow chart of self-diagnosis reset software for attitude adjustment system

4 试验及结果分析

4.1 功耗测试及结果分析

为进一步降低滑翔器的功耗，开发了新型水下滑翔器姿态调节系统应用在正在研发的“海翔系列”水下滑翔器中。为了获取新型水下滑翔器姿态调节系统的功耗数据，验证系统的低功耗特性，实际海试前，在岸基测试系统上进行测试。设置试验参数为3 个潜伏周期，30 m 深度滑翔深度，在滑翔器内部安装了功耗测试模块对改进前后姿态调节系统的功耗分别进行记录，滑翔器姿态调节系统实时功耗对比如图5 所示，其中滑翔深度为后加拟合线。由对比图可以看出，改进前姿态调节装置的工作功耗约为22.8 W，待机功耗7.2 W。改进后姿态调节装置工作功耗约为16.916 W，待机功耗只有0.5 W 左右。

图5 改进前后一个航次实时功耗对比图Fig.5 Comparison chart of one voyage real-time power consumption of data before and after improvement

表1 统计了一个航次连续24 天累计共897 次下潜过程中，改进前使用智能型驱动器MSSTB05-R 方案和改进后新型姿态调节装置在水下滑翔器中使用时的功耗统计值。通过对比改进后的姿态调节装置功耗值只占改进前的23%，功耗较改进前大幅下降。

表1 改进前后姿态调节装置功耗统计表Tab.1 Statistical table of power consumption of adjustment device before and after improvement

4.2 可靠性验证

可靠性验证分为陆上倾角测试验证和海试验证。陆上测试分为纵倾测试和横倾测试，纵倾测试时姿态调节系统测试角度从埋首40°至抬首40°变化，横倾测试时姿态调节角度系统角度从左倾40°至右倾40°变化。陆上倾角测试统计表如表2 所示，姿态调节装置合计测试次数大于5 000 次，远大于单次海上航行姿态调节次数，期间没有出现异常。

表2 陆上倾角测试统计表Tab.2 Statistics for land dip test

2021 年8 月试验团队开展了海翔-500X 型水下滑翔器的南海海试。在海试过程中水下滑翔器必须通过姿态调节装置进行纵倾角实时干预以使得滑翔角到达合适角度。在整个海南海域的海试中，基于STM32 的新型水下滑翔器姿态调节系统滑翔器姿态调节装置运行良好，水下滑翔器的各项功能运行正常，未出现任何由于姿态条件装置异常而产生损坏、失控等问题。图6 为滑翔器海试测得的纵倾、横倾以及深度数据。