0 引言

　　深海裝備開發(fā)及其配套技術是海洋技術領域的重要分支,，在國防安全,、海洋科學調(diào)查、海洋資源勘探,、水下工程等多個領域有著廣泛的應用,。本文根據(jù)深海裝備在海底作業(yè)中出現(xiàn)的實際需求，針對需要在海底復雜地形下平穩(wěn)著陸,，保持水平姿態(tài)進行作業(yè)的情況,，提出了一種用于深海裝備的四足著陸控制技術，并制作了實現(xiàn)該技術的原理樣機,。該樣機采用了傳感器技術,、微處理技術、水下密封技術等構(gòu)成系統(tǒng)單元的硬件,，在研究和分析了國內(nèi)外深海裝備著陸及調(diào)平技術方案的基礎上,，采用了一種創(chuàng)新性的“二次調(diào)平”機制，并通過自適應控制理論設計實現(xiàn)了一種水下四足著陸算法,，在實驗室水池中實現(xiàn)了原理樣機在模擬海底地形下的平穩(wěn)著陸與調(diào)平功能,。與以往研究相比，該技術能實時根據(jù)地形地貌,，自主,、平穩(wěn)地著陸到海底地面，輔助勘探工作順利進行,，大大提高了水下資源采集的能力,。

1 系統(tǒng)工作原理

　　深海裝備的著陸控制系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。系統(tǒng)分為水上的甲板供電單元和水下作業(yè)平臺兩個部分,。母船行駛到指定海域后,，下放搭載了著陸控制系統(tǒng)的深海裝備進行水下作業(yè)。當整個裝備離底10 m時,，著陸控制中的距離調(diào)平系統(tǒng)被觸發(fā),，4個安裝在支腿底部的距離傳感器開始測距，并通過RS-232總線將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊,。主控模塊進行數(shù)據(jù)處理計算后,，輸出PWM信號給電機驅(qū)動模塊，從而通過電機的轉(zhuǎn)動調(diào)整各個支腿的長度，完成第一次調(diào)平工作,。隨著整個裝備的繼續(xù)下降,，當離底距離小于0.5 m時，距離調(diào)平系統(tǒng)停止工作,。隨后裝備坐底，角度調(diào)平系統(tǒng)被觸發(fā),，安裝在平臺中央的角度傳感器將實時的水平X,、Y兩個方向的角度通過I2C總線傳送給主控模塊，通過數(shù)據(jù)融合解算,，反復調(diào)節(jié)各個支腿的伸縮長度,，使整個裝備盡可能地水平著陸在指定的海底。當X,、Y的角度同時小于1°時,，角度調(diào)平系統(tǒng)暫停工作，從而完成整個裝備的第二次調(diào)平工作,。這一調(diào)平技術可為該深海裝備的執(zhí)行機構(gòu)平穩(wěn),、可靠地進行水下作業(yè)(如鉆機鉆具下行、CPT探針下行,、ROV或HOV機械手取樣等)提供一系列的保障,。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)的硬件設計主要包含主控模塊、傳感器模塊和步進電機驅(qū)動模塊,，如圖2所示,。

　　本系統(tǒng)選擇意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6作為控制模塊處理器，其工作頻率高達72 MHz,，內(nèi)部集成嵌套矢量中斷控制器NVIC,、64 Kb閃存、20 Kb的RAM,，支持SWD調(diào)試,，多個16位定時器可以實現(xiàn)輸入捕獲、PWM輸出等功能,，另外芯片內(nèi)部集成2個SPI外設接口,、2個I2C接口、5個U(S)ART等外設,，完全能滿足本系統(tǒng)設計的資源要求[1],。

　　角度傳感器采用的是ADI公司生產(chǎn)的采用MEMS技術的三軸加速度計ADXL345，具有小巧輕薄,、超低功耗,、可變量程、高分辨率等特點；具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能,；最大量程可達±16 g,，另可選擇±2、±4,、±8 g量程,，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測得0.25°的傾角變化,。在系統(tǒng)工作時,，微處理器通過SPI總線訪問ADXL345的寄存器中的X、Y,、Z的值,，經(jīng)過處理得到水平X、Y方向的傾角值[2],。

　　距離傳感器是直接采用Tritech公司生產(chǎn)的Micro Sounder高度計,，其工作頻率為500 kHz，測量范圍0.5 m～50 m,，分辨率達到1 mm,，完全符合本系統(tǒng)設計要求。其通過RS232總線將高度值以ASCII碼的形式傳送給微處理器,。

　　電機驅(qū)動模塊采用的是以THB7128作為驅(qū)動芯片,，其特點是：低功耗、多種細分,、高細分,，且電機運行穩(wěn)定，無噪聲,，不失步,。采用兩片6N137高速光耦隔離輸入，在保護控制器的同時,，更高的傳輸速率讓步進電機工作更加穩(wěn)定準確,。在系統(tǒng)工作時，微處理器通過2個I/O與一路驅(qū)動電路相連,，分別控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,。

3 系統(tǒng)軟件設計

　　整個著陸控制系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，使用C語言編寫,。著陸控制系統(tǒng)軟件包括高度計和姿態(tài)模塊數(shù)據(jù)的采集,、數(shù)據(jù)處理和PID控制三個部分。

　　3.1 高度計的數(shù)據(jù)采集及處理

　　測距模塊程序設計可以分為以下幾個步驟,，如圖3所示,。

　　(1)系統(tǒng)初始化

　　上電后，對系統(tǒng)時鐘、I/O口,、UART初始化配置,。

　　(2)微處理器接收高度數(shù)據(jù)

　　單片機微處理器接收中斷程序，判斷是否接收到高度計發(fā)送數(shù)據(jù)的請求,，如果接收到發(fā)送請求,，則單片機進入到接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，存入預先設定好大小的數(shù)據(jù)緩存區(qū),。

　　(3)數(shù)據(jù)解析

　　從數(shù)據(jù)緩存區(qū)提取5幀完整字符串類型的數(shù)據(jù),，將其轉(zhuǎn)化成浮點型數(shù)據(jù)，求出這5組數(shù)據(jù)的平均值,，存入數(shù)組變量,。

　　3.2 傾角計的數(shù)據(jù)采集及處理

　　ADXL345寄存器中存放的是X,、Y,、Z 3個方向的加速度值，微處理器通過SPI總線取出數(shù)據(jù),，計算得到X,、Y方向的傾角值，軟件流程圖如圖4所示,。

　　3.3 著陸控制系統(tǒng)主程序設計

　　著陸控制系統(tǒng)主程序的軟件流程圖如圖5所示,。主程序?qū)⒉杉降母叨扔嫼蛢A角計數(shù)據(jù)進行解析、判斷,、運算,，結(jié)合PID算法，獲得電機控制量,。

　　距離調(diào)平系統(tǒng)采用向平均值靠攏的方法,，設H為各個支腿的高度值，i為支腿編號,，j為測量序數(shù),，P、I,、D分別為PID調(diào)節(jié)中的比例,、積分和微分參數(shù)，M為電機控制量,。通過4個支腿的高度值Hi（i=1,，2，3,，4）,，分別計算出誤差Hi：

　　角度調(diào)平系統(tǒng)采用位置誤差控制調(diào)平的方法。當整個設備坐底后，各個支腿承受較大的力,，因此采用各支腿只升不降,，其他支腿向最高點靠攏的方式，可以快速平穩(wěn)地完成系統(tǒng)的“微調(diào)”,。

　　在如圖6所示的模型分析圖中,，OX0Y0為水平坐標系，OXY為平臺坐標系[5,，6],。其中，平臺長為La,，寬為Lb,，平臺與X、Y方向的傾角,。首先根據(jù)?琢,、?茁的大小判斷出最高的支腿；其次,，設平臺的4個支點的坐標為（xi,，yi，0）(i=1,，2,，3，4),，根據(jù)數(shù)學推算,，得出各個支點的坐標為：

　　當平臺剛落地后，各個支點在OX0Y0中的縱坐標的初值：

　　根據(jù)式(7),，這里必有最高腿存在,，同時假定i=h，且zi≤zh,。那么動作過程中,，各腿的高度差滿足：

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

　　在實驗室水池中搭建的試驗環(huán)境如圖7所示。在水池底部模擬一個高低不平的復雜海底環(huán)境,，并將整個裝置通過滑輪吊到半空中,，處于模擬海底的正上方；接通電源,，通過滑輪將裝置緩緩下放,；下放過程中，4個支腿將會通過水底的實際環(huán)境自動調(diào)節(jié)各個支腿的高度,，進行“粗調(diào)”,；當4個支腿到達底部時,，傾角傳感器開始工作，進行 “微調(diào)”,；當傾斜度小于閾值時,，調(diào)平結(jié)束，著陸成功,。圖7所示為調(diào)平過程中各個支腿的高度曲線,。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常,，能很好地在水下完成平穩(wěn)的著陸,。

參考文獻

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