海裝裝備項目管理中心 北京 100161

1 設計背景

水下航行器的研究工作始于二十世紀四五十年代，最初為研制載人水下航行器。從二十世紀六十年代開始，研制遙控水下航行器(ROV)。最近20年的研究重點為發(fā)展自主式水下航行器(AUV)。ROV和AUV統(tǒng)稱為無人水下航行器(UUV)[1]。

無人水下航行器在海軍作戰(zhàn)、海洋環(huán)境研究及海洋資源探測方面具有廣泛的應用前景。無人水下航行器航行過程中的障礙識別和路徑規(guī)劃尤為重要,但海洋模擬存在試驗數(shù)據采集困難、數(shù)據量大、環(huán)境復雜、試驗對象易丟失等不足[2-4],對此，筆者設計了一個陸地模擬試驗系統(tǒng),主要測定在水深變化和出現(xiàn)障礙物時的航向變動,方便觀察試驗對象導航、打舵、深度控制及躲避障礙物的精準度。這一陸地模擬試驗系統(tǒng)由池體、水深模擬模塊、障礙物模擬模塊和檢測系統(tǒng)組成,池體、水深模擬模塊和障礙物模擬模塊為試驗對象提供模擬的運行環(huán)境,檢測系統(tǒng)包含測量單元、數(shù)據采集和處理單元、數(shù)據傳輸單元、控制單元和數(shù)據輸出單元,主要測定俯仰角、偏航角及橫滾角等參數(shù)。

2 運行環(huán)境模擬

2.1 池體

池體尺寸為3 m×1.5 m×1.5 m,池體四周材質為有機玻璃。池體底部為采用鋼板制作的假底結構,通過導向裝置進行頂緊固定[5],并采用液壓升降裝置控制升降[6]。試驗對象采用等比例縮比模型,以水下航行布雷器為例,按照1∶5制作縮比模型。水下航行布雷器由高自由度旋轉裝置固定在托槽中,即采用單個滾珠固定在類軸承結構中,以減小轉向打舵時的外部阻力及干擾,滿足在模擬試驗中的測定需求[7]。池體結構如圖1所示。

▲圖1 池體結構

2.2 水深模擬模塊

池體底部采用液壓升降裝置控制假底升降,假底上升時模擬水下航行布雷器下潛過程,假底下降時模擬水下航行布雷器上浮過程。水深模擬模塊結構如圖2所示。

▲圖2 水深模擬模塊結構

2.3 障礙物模擬模塊

障礙模擬模塊由若干自定義形狀的滑塊和滑道組成,每個滑塊可模擬不同類型的水下障礙物。滑塊置于池底,由機械裝置進行滑動控制?；瑝K滑向水下航行布雷器模型近端時,模擬障礙物接近工況。滑塊滑向水下航行布雷器模型遠端時,模擬障礙物遠離工況。障礙物模擬模塊如圖3所示[8]。

▲圖3 障礙物模擬模塊

3 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)原理如圖4所示。無人水下航行器的舵機固定在測試臺上,加載扭桿的一端固定,另一端通過聯(lián)軸節(jié)與舵機輸出軸相連,并隨舵機軸偏轉產生變形來模擬舵機所受到的鉸鏈力矩[9]。外部220 V、50 Hz交流電經交直流轉換器轉換為穩(wěn)定的直流電壓，為系統(tǒng)供電。光電編碼器安裝在舵機輸出軸的近端，用于感知角度變化,同時轉換為正交脈沖數(shù)字信號,經接口電路送入數(shù)字信號處理器進行處理,運算后各項測量值顯示在液晶顯示屏上。

▲圖4 檢測系統(tǒng)原理

3.1 測量單元

系統(tǒng)以增量型光電編碼器作為角位置測量元件[10-11],測定俯仰角、偏航角及橫滾角等參數(shù),對在航行過程中障礙識別和路徑規(guī)劃的精確度進行模擬試驗。根據分辨率、轉動慣量和機械結構,選擇型號為ZKT-59的光電編碼器。

3.2 數(shù)據采集和處理單元

數(shù)據采集和處理單元包括數(shù)字信號處理器、電源、時鐘和外擴存儲器等。舵機的偏轉運動短時、快速,對數(shù)字信號的采集和處理速度要求比較高,因此選用TMS320LF2407A型數(shù)字信號處理器作為系統(tǒng)的核心處理器。該處理器指令周期為2.5 ms,實時控制和運算能力強,具有豐富的硬件資源和外設接口,內置正交編碼脈沖電路,不需其它輔助電路就可處理光電編碼器的輸出信號,還具有轉向判別和四倍頻功能。采用10 MHz有源晶振,經LF2407A內部鎖相環(huán)倍頻之后達到頻率為40 MHz的工作時鐘。采用MAX811型電源監(jiān)控器件來進行電源監(jiān)視和復位控制操作。采用CY7C1021型靜態(tài)隨機存取存儲器作為外擴存儲器,具有64 KByte×16 bit的存儲空間,讀寫周期為12 ns,數(shù)字信號處理器能夠對其進行零等待讀寫。外擴存儲器設于數(shù)字信號處理器的外部總線上,片選端口通過跳線與數(shù)字信號處理器的PS引腳或DS引腳相連,可以作為程序存儲器或數(shù)據存儲器使用。

3.3 數(shù)據傳輸單元

光電編碼器工作電壓為+5 V。編碼器的正交信號和零位信號分別經74LVC245型芯片進行電平轉換后送入數(shù)字存儲示波器的正交編碼脈沖電路單元和捕獲單元。傳感器的輸出信號線統(tǒng)一進行屏蔽處理,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.4 控制單元

試驗前需設置系統(tǒng)的配置,例如采樣周期等。測量中為實現(xiàn)在任意位置的相對零位建立、絕對/相對位置切換、60進制/10進制顯示切換和液晶顯示清零等功能,系統(tǒng)采用四個獨立的鍵盤來分別進行控制。在系統(tǒng)工作的配置階段和測量階段，鍵盤所實現(xiàn)的功能是不同的,可通過在軟件上設置不同階段的標志變量來判斷鍵盤處于何種階段，可實現(xiàn)何種功能。

3.5 數(shù)據輸出單元

數(shù)據輸出單元用于顯示參數(shù)名稱及測量值,參數(shù)名稱用漢字顯示,測量值通過字符顯示。為滿足顯示容量的需求,采用240×128點陣式液晶模塊,內置T6963C型控制器,包含美國信息交換標準代碼字符發(fā)生器,每屏可顯示15×8個漢字或30×16個字符,能夠同時顯示指標要求的各項測量信息。數(shù)字信號處理器采用間接控制方式控制液晶模塊,液晶顯示采用5 V電壓器件,與數(shù)字信號處理器之間需加入電平轉換單元以避免處理器損壞。

4 結束語

無人水下航行器陸地模擬試驗系統(tǒng)設計方案包含池體、內部結構和測量系統(tǒng)硬件,可模擬水下航行器在水深變化及出現(xiàn)障礙物時的工況,測定航行器俯仰角、偏航角及橫滾角等參數(shù)，為無人水下航行器的設計或改進提供必要的試驗數(shù)據。