殷寶吉,朱華倫,唐文獻(xiàn),金志坤,喻宇陽(yáng)

(1 江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2 江蘇科技大學(xué)江蘇省船海機(jī)械先進(jìn)制造及工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

海洋資源日益得到世界各國(guó)的重視，水下打撈、海底管道檢測(cè)、水下養(yǎng)殖等都是在水下進(jìn)行[1],水下機(jī)器人是完成這些水下工作必不可少的工具。水下機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)測(cè)，其可靠性是保障任務(wù)完成的必要條件[2-3],因此必須加強(qiáng)機(jī)器人的安全監(jiān)測(cè)[4]。

針對(duì)直接關(guān)閉水下機(jī)器人電源容易造成下位機(jī)主控制器系統(tǒng)崩潰問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]采用硬件電路監(jiān)測(cè)斷電信息。文中設(shè)計(jì)一種軟件關(guān)機(jī)方法，在上、下位機(jī)中分別添加關(guān)機(jī)監(jiān)測(cè)子線程，達(dá)到下位機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。針對(duì)下位機(jī)主控制器與推進(jìn)器共用同一電源時(shí)[6]，推進(jìn)器強(qiáng)電流容易對(duì)主控制器控制信號(hào)造成干擾的問(wèn)題，文中為主控制器和推進(jìn)器分別設(shè)置獨(dú)立電源。此種情況下，當(dāng)采用常規(guī)級(jí)聯(lián)電源控制電路為推進(jìn)器供電時(shí)[7]，下位機(jī)關(guān)閉后，推進(jìn)器突然達(dá)到最高速，針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種推進(jìn)器電源控制電路，以解決前述問(wèn)題。

為分析水下機(jī)器人艏向控制性能，設(shè)計(jì)水下機(jī)器人艏向PID控制器，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人艏向定向控制，通過(guò)改變正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)等3種艏向目標(biāo)跟蹤信號(hào)的頻率，研究水下機(jī)器人實(shí)際艏向角度信號(hào)與目標(biāo)跟蹤信號(hào)之間的幅值比-頻率特性以及相位差-頻率特性。

1 關(guān)機(jī)監(jiān)控方法概述

水下機(jī)器人由于其電子艙是處于密封狀態(tài)的，選擇直接斷開(kāi)總電源進(jìn)行關(guān)機(jī)，會(huì)對(duì)主控制器中的軟硬件造成很大傷害，且容易導(dǎo)致下位機(jī)系統(tǒng)崩潰。為解決上述問(wèn)題，采用軟件方式進(jìn)行下位機(jī)關(guān)機(jī)，即，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送關(guān)機(jī)命令，監(jiān)測(cè)下位機(jī)關(guān)機(jī)過(guò)程，待下位機(jī)完全關(guān)閉后，再斷開(kāi)下位機(jī)電源。下位機(jī)關(guān)機(jī)監(jiān)測(cè)程序由上位機(jī)監(jiān)測(cè)子線程和下位機(jī)監(jiān)測(cè)子線程兩部分構(gòu)成，具體流程如圖1所示。

圖1 關(guān)機(jī)監(jiān)測(cè)程序流程圖

2 推進(jìn)器電源控制電路

采用軟件方法關(guān)閉下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)，下位機(jī)系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，主控電源繼電器關(guān)閉前，推進(jìn)器出現(xiàn)突然達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，直至繼電器關(guān)閉，這將縮短推進(jìn)器使用壽命，甚至燒毀推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)器。

為此設(shè)計(jì)一種推進(jìn)器電源控制電路，使得在下位機(jī)系統(tǒng)關(guān)閉的同時(shí)或之前，斷開(kāi)推進(jìn)器電源，以防止推進(jìn)器突然達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。推進(jìn)器電源控制電路如圖2(a)所示，為進(jìn)行對(duì)比，常規(guī)級(jí)聯(lián)電路如圖2(b)所示。

圖2 推進(jìn)器電源控制電路圖

如圖2中虛線框所示，從圖2(b)中可以看出，常規(guī)級(jí)聯(lián)推進(jìn)器電源控制電路中繼電器的控制信號(hào)輸入端直接連接12 V電壓，在打開(kāi)旋鈕開(kāi)關(guān)后，主控電源繼電器工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器電源繼電器工作，此時(shí)，繼電器的控制信號(hào)輸入端是不可控的，即只能通過(guò)關(guān)閉總電源來(lái)關(guān)閉推進(jìn)器電源繼電器；從圖2(a)中，可以看出，推進(jìn)器電源控制電路中，推進(jìn)器電源繼電器控制信號(hào)輸入端與PC104組件的數(shù)字輸出(DO)引腳連接，當(dāng)DO為高電平時(shí)，繼電器閉合，當(dāng)DO為低電平時(shí)，繼電器斷開(kāi)，從而使得繼電器的斷開(kāi)和閉合可由下位機(jī)程序控制。

3 艏向PID控制器

為分析水下機(jī)器人艏向控制性能，設(shè)計(jì)水下機(jī)器人艏向PID控制器[8-10]，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人的艏向閉環(huán)控制，并以此研究艏向跟蹤性能。水下機(jī)器人閉環(huán)控制回路如圖3所示。

圖3 PID控制水下機(jī)器人艏向閉環(huán)控制回路圖

圖3中，艏向閉環(huán)控制方程為：

(1)

通過(guò)水池實(shí)驗(yàn)，確定PID參數(shù)為：KP=0.167，KI=0.01，KD=0.1。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

進(jìn)行陸上和水池實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 水下機(jī)器人系統(tǒng)

水下機(jī)器人總長(zhǎng)550 mm，質(zhì)量約11 kg，航速1 kn。岸基監(jiān)控系統(tǒng)與水下機(jī)器人艇體之間通過(guò)RS232串口線連接。

4.2 關(guān)機(jī)監(jiān)控方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下位機(jī)關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)是將電子艙拿出密封艙進(jìn)行的，下位機(jī)連接顯示屏，下位機(jī)上電開(kāi)機(jī)，通過(guò)顯示屏觀察到程序正常運(yùn)行，最后運(yùn)行上位機(jī)程序，待程序初始化后，上位機(jī)監(jiān)控界面中下位機(jī)健康狀態(tài)欄顯示綠色，從上位機(jī)界面點(diǎn)擊按鈕發(fā)送關(guān)機(jī)指令，通過(guò)下位機(jī)連接的顯示屏看到，下位機(jī)正在執(zhí)行關(guān)機(jī)程序，關(guān)機(jī)完成后，此時(shí)上位機(jī)控界面中下位機(jī)健康狀態(tài)欄顯示藍(lán)色，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)關(guān)機(jī)的監(jiān)控。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中關(guān)機(jī)監(jiān)控方法的有效性。

4.3 推進(jìn)器電源控制電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下位機(jī)上電開(kāi)機(jī)，然后運(yùn)行上位機(jī)程序，待程序初始化后，通過(guò)上位機(jī)運(yùn)行界面點(diǎn)擊推進(jìn)器電源控制按鈕，此時(shí)按鈕上推進(jìn)器狀態(tài)顯示“開(kāi)”，同時(shí)聽(tīng)到繼電器吸合聲和推進(jìn)器上電初始化提示聲音，說(shuō)明推進(jìn)器已成功上電，發(fā)送推進(jìn)器控制電壓，檢測(cè)推進(jìn)器是否正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)證明，推進(jìn)器運(yùn)行正常，通過(guò)發(fā)送推進(jìn)器控制電壓讓推進(jìn)器停轉(zhuǎn)，再次點(diǎn)擊推進(jìn)器電源控制按鈕，此時(shí)按鈕上位推進(jìn)器狀態(tài)顯示“關(guān)”，再次發(fā)送推進(jìn)器控制電壓，推進(jìn)器不再運(yùn)行，說(shuō)明推進(jìn)器已斷電。然后上位機(jī)發(fā)送關(guān)機(jī)命令至下位機(jī)，下位機(jī)系統(tǒng)關(guān)機(jī)過(guò)程中以及關(guān)機(jī)完成后，推進(jìn)器都沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，驗(yàn)證了推進(jìn)器電源控制電路的有效性。

一般而言，水下機(jī)器人的艏向控制過(guò)程可分為艏向改變時(shí)水下機(jī)器人由當(dāng)前艏向轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)設(shè)艏向的轉(zhuǎn)向階段和在艏向穩(wěn)定后消除穩(wěn)態(tài)誤差，抵抗外界擾動(dòng)的保持階段兩部分[11-12]。水下機(jī)器人艏向PID控制器實(shí)驗(yàn)分為定艏、艏向角度跟蹤兩部分，前者驗(yàn)證PID控制器的有效性；后者驗(yàn)證水下機(jī)器人艏向跟蹤性能。

4.3.1 定艏實(shí)驗(yàn)

定艏運(yùn)動(dòng)主要將水下機(jī)器人定在不同角度，從而驗(yàn)證文中PID控制器的控制效果。水下機(jī)器人期望艏向角設(shè)定在90°,180°,270°，艏向角響應(yīng)曲線以及對(duì)應(yīng)推進(jìn)器控制電壓值分別如圖5～圖7所示。

圖5 艏向角90°返回值及控制電壓值

圖6 艏向角180°返回值及控制電壓值

從以上3個(gè)圖可以看出，水下機(jī)器人能夠快速響應(yīng)并跟隨期望艏向角運(yùn)動(dòng)，由于受傳感器固有誤差以及地磁影響，穩(wěn)定后的各個(gè)響應(yīng)角度其誤差均在正負(fù)5°以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)艏向控制，基本達(dá)到預(yù)期效果。

4.3.2 艏向角度跟蹤實(shí)驗(yàn)

選用正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)等3種常見(jiàn)的周期信號(hào)進(jìn)行艏向角度跟蹤，輸入信號(hào)周期為90 s,80 s,70 s,60 s,50 s,40 s,30 s,20 s,10 s，信號(hào)幅值為180°，以信號(hào)周期為30 s，即頻率為0.03 Hz為例，其實(shí)際艏向角度信號(hào)及目標(biāo)跟蹤信號(hào)如圖8所示。

如圖8所示，水下機(jī)器人實(shí)際艏向角度軌跡與目標(biāo)角度軌跡基本一致，幅值基本相等，相位略有滯后。通過(guò)改變周期信號(hào)的頻率來(lái)研究水下機(jī)器人實(shí)際艏向角度信號(hào)與目標(biāo)跟蹤信號(hào)之間的幅值比-頻率特性以及相位差-頻率特性，其結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖11 三角波信號(hào)相位差與幅值比曲線圖

從圖9可以看出，當(dāng)頻率較小時(shí)，隨著頻率的增加，相位差、幅值比變化幅度較小，但當(dāng)頻率大于0.03 Hz時(shí)，相位差快速增加，幅值比與幅值快速衰減。由此可知，頻率小于0.03 Hz時(shí)水下機(jī)器人實(shí)際輸出可以跟蹤上期望輸出，當(dāng)頻率大于0.03 Hz時(shí)水下機(jī)器人實(shí)際輸出難以跟蹤上期望輸出。圖10、圖11所示結(jié)果與圖9相一致。由此可知，水下機(jī)器人艏向跟蹤截止頻率為0.03 Hz。

5 結(jié)束語(yǔ)

圍繞水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)問(wèn)題展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了一種下位機(jī)關(guān)機(jī)監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)關(guān)機(jī)的監(jiān)控，避免了直接關(guān)閉水下機(jī)器人電源容易造成下位機(jī)主控制器崩潰的問(wèn)題；設(shè)計(jì)了一種推進(jìn)器電源控制電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推進(jìn)器供電的控制，解決了下位機(jī)關(guān)機(jī)后，推進(jìn)器突然達(dá)到最高速的問(wèn)題；設(shè)計(jì)了一種PID控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下機(jī)器人的艏向控制。水下機(jī)器人艏向定位與跟蹤的水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，艏向定位穩(wěn)態(tài)誤差為±5°，對(duì)于幅值為90°的正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)的艏向期望軌跡，當(dāng)期望軌跡頻率小于0.03 Hz時(shí)，水下機(jī)器人實(shí)際輸出可以跟蹤上期望輸出，當(dāng)頻率大于0.03 Hz時(shí)，水下機(jī)器人實(shí)際輸出難以跟蹤上期望輸出。