水下航行器模擬平臺(tái)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)

摘要：為了使水下航行器裝入密封艙后所有模塊正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬平臺(tái)，涵蓋了模擬電路、數(shù)字電路、信號(hào)處理、無(wú)線射頻、電源、傳感器等方面，特別是小車(chē)軌跡使用上層的PID參數(shù)的智能化控制，具有遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸能力和遠(yuǎn)程控制能力。通過(guò)平臺(tái)模擬水下航行器的運(yùn)動(dòng)狀況，對(duì)加速度與速度、周?chē)h(huán)境的溫度與濕度、電池的狀態(tài)等參數(shù)采集，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，同時(shí)節(jié)省人力物力，方便、適用性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：水下航行器；模擬平臺(tái)；智能小車(chē)；參數(shù)采集

    進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國(guó)對(duì)資源的需求量不斷增加，而陸地資源日趨緊張，各國(guó)便將目光投向了廣闊的海洋。海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)成為海洋資源開(kāi)發(fā)的支撐，隨著海洋開(kāi)發(fā)的不斷深入，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)需要在真實(shí)海洋環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)的海況成為了影響和制約實(shí)驗(yàn)可行性和結(jié)果正確性的關(guān)鍵因素，再加上海洋項(xiàng)目的成本比較高，就需要一個(gè)智能平臺(tái)來(lái)實(shí)驗(yàn)水下航行器的功能，更加接近的模擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，通過(guò)各種傳感器的綜合運(yùn)用，這樣才能在真實(shí)的環(huán)境中得到更加有效的數(shù)據(jù)，從而更加合理的開(kāi)發(fā)和利用海洋資源，造福人民，保衛(wèi)祖國(guó)的海疆。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
    整個(gè)系統(tǒng)由四部分組成：無(wú)線部分，數(shù)據(jù)采集處理部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和供電部分，每部分由單獨(dú)單片機(jī)作為主控芯片，各部分間利用CAN總線交互數(shù)據(jù)。無(wú)線部分由GPS模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和無(wú)線控制器組成，負(fù)責(zé)衛(wèi)星定位、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能；數(shù)據(jù)采集處理部分由各種傳感器和數(shù)據(jù)采集處理板組成，負(fù)責(zé)周?chē)h(huán)境要素的收集、處理工作和轉(zhuǎn)速的返回；電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由空心杯直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和編碼器組成，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期的速度；供電部分包括蓄電池、電池管理板和電壓轉(zhuǎn)換板，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)各部分提供所需電壓和能量。整個(gè)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)采用Microchip公司出品的高性能dsPIC30F4011，內(nèi)部帶有DSP引擎，能進(jìn)行大規(guī)模、高速的數(shù)據(jù)處理，并內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換模塊、SPI總線模塊、CAN總線模塊、UART模塊等，利用這些模塊可以簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，縮短開(kāi)發(fā)周期。軟件植入μCOSⅡ操作系統(tǒng)，它是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，提高了系統(tǒng)的有效性、穩(wěn)定性和可靠性。
2．1 參數(shù)采集板的設(shè)計(jì)
    參數(shù)采集板主要用于采集風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)速以及加速度和GPS數(shù)據(jù)等。參數(shù)采集板功能框圖如圖2所示。

2．1．1 風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量
    采用PH100SX風(fēng)速風(fēng)向傳感器，由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。風(fēng)速傳感器給出的是頻率信號(hào)且頻率在1 kHz以下，采用單片機(jī)的輸入捕捉來(lái)測(cè)量。每當(dāng)風(fēng)速傳感器頻率信號(hào)上升沿剄來(lái)時(shí)輸入捕捉就會(huì)產(chǎn)生中斷，此時(shí)記下定時(shí)器中的數(shù)值，通過(guò)兩次中斷記下的兩個(gè)數(shù)值相減，同時(shí)根據(jù)定時(shí)器周期，就可以算出風(fēng)速信號(hào)的頻率值，再利用風(fēng)速計(jì)算公式(1)算出風(fēng)速。風(fēng)向傳感器的變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，從而在電位器的活動(dòng)端產(chǎn)生變化的電阻信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的A／D采樣轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字信號(hào)，然后根據(jù)風(fēng)向公式(2)計(jì)算出風(fēng)向值。把數(shù)字羅盤(pán)的正方向、智能平臺(tái)的正方向、風(fēng)向傳感器的定北點(diǎn)規(guī)定在一條直線上，用航向角來(lái)修正風(fēng)向，得到實(shí)際的風(fēng)向數(shù)值，即偏離地理北的角度。經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換后，將這些風(fēng)速、風(fēng)向、加速度以及羅盤(pán)數(shù)據(jù)GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。
    風(fēng)速計(jì)算公式：
    V=(0．3+0．0877×f)      (1)
    式中：V為風(fēng)速值(單位：m／s)；f為信號(hào)頻率；0．3和0．087 7為常系數(shù)(不同型號(hào)的風(fēng)速傳感器的系數(shù)不一樣)。
    風(fēng)向計(jì)算公式：
    D=360°×R0／R+          (2)
    式中：D為相對(duì)風(fēng)向值(單位：(°))；R+為電位器電阻(單位：Ω)；R0為輸出電阻(單位：Ω)。
2．1．2 大氣參數(shù)的采集
    大氣參數(shù)主要包括大氣溫度、大氣壓強(qiáng)和大氣濕度，由相關(guān)的傳感器采集，溫壓濕采集板的框圖如圖3所示。

    溫度的測(cè)量使用高精度的傳感器DS1820數(shù)字溫度計(jì)來(lái)獲取，提供了9位溫度讀數(shù)指示器件的溫度，測(cè)量范圍從-55～+125℃，增量值為0．5℃。
     大氣壓強(qiáng)的測(cè)量用集成氣壓傳感模塊MS5561來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一款集成有壓阻式壓力傳感器和ADC接口的SMD混合集成電路，可提供依賴(lài)于壓力和溫度的16位數(shù)據(jù)字，可通過(guò)3線串行接口與微處理器進(jìn)行通信。
    大氣濕度的測(cè)量用高精度的傳感器SY-HS-220來(lái)獲取，只需通過(guò)單線接口與單片機(jī)相連，再通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，算法處理即可獲得濕度值。
2．1．3 數(shù)字羅盤(pán)
    主要目的是給出平臺(tái)的朝向值，來(lái)修正加速度和風(fēng)向。S24-H是一個(gè)平面羅盤(pán)和雙軸傳感器的組合產(chǎn)品，由一個(gè)處理單元分別測(cè)量運(yùn)算出羅盤(pán)和傾角的數(shù)據(jù)信息，然后放在同一組數(shù)據(jù)包中輸出，產(chǎn)品輸出接口同時(shí)提供TTL和485兩種方式，默認(rèn)傳輸速率為19 200 b／s。
2．1．4 激光測(cè)距系統(tǒng)
    激光測(cè)量系統(tǒng)LMS200，是基于飛行時(shí)間測(cè)量原理(激光雷達(dá))，通過(guò)激光發(fā)射到被反射回激光測(cè)距儀的時(shí)間算出障礙物和激光測(cè)距儀之間的距離。
   
    式中：ρ是障礙物到激光測(cè)距儀的距離；V是光速；t是從激光發(fā)出到被反射回來(lái)的時(shí)間。
2．2 遠(yuǎn)程無(wú)線板設(shè)計(jì)
    無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)RFC-30F無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)。RFC-30F單片無(wú)線收發(fā)器工作在433 MHz的ISM頻段。由頻率調(diào)制器、解調(diào)器、RF功放和調(diào)節(jié)控制器組成。遠(yuǎn)程無(wú)線板的框圖如圖4所示。

    衛(wèi)星接收模塊采用中國(guó)臺(tái)灣省長(zhǎng)天科技股份有限公司產(chǎn)品，型號(hào)為GM-82，是一個(gè)具備全方位完整的衛(wèi)星定位接收器。
2．3 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分
    主要由空心杯直流電機(jī)、ED系列直流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器和編碼器組成，通過(guò)單片機(jī)的普通I／O口和PWM控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使空心杯直流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器負(fù)責(zé)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在程序上用電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)(PID)控制，用無(wú)線控制手柄對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。實(shí)物圖如圖5所示。

3 程序軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)程序包括電源管理、無(wú)線控制、數(shù)據(jù)采集和電機(jī)驅(qū)動(dòng)四大功能模塊，PC機(jī)軟件包括界面、數(shù)據(jù)接收與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和電源狀態(tài)四部分，流程圖如圖6～圖9所示，PC軟件如圖10所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
    系統(tǒng)測(cè)試在空曠的地方并且人為的設(shè)置障礙完成，驗(yàn)證小車(chē)的功能和工作狀態(tài)以及各種傳感器的可靠性和精度，用電風(fēng)扇模擬風(fēng)，熱風(fēng)槍模擬氣溫升高，觀察PC界面軟件，測(cè)得的數(shù)據(jù)與相關(guān)儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

5 結(jié)語(yǔ)
    本項(xiàng)目準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)與研制一種陸路智能的運(yùn)載平臺(tái)，用來(lái)仿真水下航行器的自身定位與地圖的構(gòu)建，并且通過(guò)一些傳感器將周?chē)h(huán)境的參數(shù)通過(guò)平臺(tái)傳遞給遠(yuǎn)程的控制平臺(tái)，以便獲取環(huán)境的信息。從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，智能運(yùn)載平臺(tái)各項(xiàng)功能均能正常工作，基本能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所提出的性能參數(shù)要求。