水下航行器模擬平臺智能小車的設(shè)計

摘要：為了使水下航行器裝入密封艙后所有模塊正常運行，設(shè)計了一個模擬平臺，涵蓋了模擬電路、數(shù)字電路、信號處理、無線射頻、電源、傳感器等方面，特別是小車軌跡使用上層的PID參數(shù)的智能化控制，具有遠距離數(shù)據(jù)傳輸能力和遠程控制能力。通過平臺模擬水下航行器的運動狀況，對加速度與速度、周圍環(huán)境的溫度與濕度、電池的狀態(tài)等參數(shù)采集，達到實驗目的，同時節(jié)省人力物力，方便、適用性強。
關(guān)鍵詞：水下航行器；模擬平臺；智能小車；參數(shù)采集

    進入21世紀以來，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，各國對資源的需求量不斷增加，而陸地資源日趨緊張，各國便將目光投向了廣闊的海洋。海洋監(jiān)測技術(shù)成為海洋資源開發(fā)的支撐，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，越來越多的實驗需要在真實海洋環(huán)境下進行，實驗時的海況成為了影響和制約實驗可行性和結(jié)果正確性的關(guān)鍵因素，再加上海洋項目的成本比較高，就需要一個智能平臺來實驗水下航行器的功能，更加接近的模擬實驗的環(huán)境，通過各種傳感器的綜合運用，這樣才能在真實的環(huán)境中得到更加有效的數(shù)據(jù)，從而更加合理的開發(fā)和利用海洋資源，造福人民，保衛(wèi)祖國的海疆。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
    整個系統(tǒng)由四部分組成：無線部分，數(shù)據(jù)采集處理部分，電機驅(qū)動部分和供電部分，每部分由單獨單片機作為主控芯片，各部分間利用CAN總線交互數(shù)據(jù)。無線部分由GPS模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和無線控制器組成，負責衛(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，負責周圍環(huán)境要素的收集、處理工作和轉(zhuǎn)速的返回；電機驅(qū)動部分由空心杯直流電機、直流電機驅(qū)動器和編碼器組成，負責驅(qū)動直流電機和控制直流電機的轉(zhuǎn)速達到預期的速度；供電部分包括蓄電池、電池管理板和電壓轉(zhuǎn)換板，負責為系統(tǒng)各部分提供所需電壓和能量。整個系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    單片機采用Microchip公司出品的高性能dsPIC30F4011，內(nèi)部帶有DSP引擎，能進行大規(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化外圍電路的設(shè)計，增強系統(tǒng)的可靠性，縮短開發(fā)周期。軟件植入μCOSⅡ操作系統(tǒng)，它是一個基于優(yōu)先級的搶占式多任務實時內(nèi)核，可以實現(xiàn)多任務調(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
    參數(shù)采集板主要用于采集風速、風向、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 風速風向測量
    采用PH100SX風速風向傳感器，由風速傳感器和風向傳感器組成。風速傳感器給出的是頻率信號且頻率在1 kHz以下，采用單片機的輸入捕捉來測量。每當風速傳感器頻率信號上升沿剄來時輸入捕捉就會產(chǎn)生中斷，此時記下定時器中的數(shù)值，通過兩次中斷記下的兩個數(shù)值相減，同時根據(jù)定時器周期，就可以算出風速信號的頻率值，再利用風速計算公式(1)算出風速。風向傳感器的變換器采用精密導電塑料電位器，從而在電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出，經(jīng)過單片機的A／D采樣轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字信號，然后根據(jù)風向公式(2)計算出風向值。把數(shù)字羅盤的正方向、智能平臺的正方向、風向傳感器的定北點規(guī)定在一條直線上，用航向角來修正風向，得到實際的風向數(shù)值，即偏離地理北的角度。經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后，將這些風速、風向、加速度以及羅盤數(shù)據(jù)GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。
    風速計算公式：
    V=(0．3+0．0877×f)      (1)
    式中：V為風速值(單位：m／s)；f為信號頻率；0．3和0．087 7為常系數(shù)(不同型號的風速傳感器的系數(shù)不一樣)。
    風向計算公式：
    D=360°×R0／R+          (2)
    式中：D為相對風向值(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。

    溫度的測量使用高精度的傳感器DS1820數(shù)字溫度計來獲取，提供了9位溫度讀數(shù)指示器件的溫度，測量范圍從-55～+125℃，增量值為0．5℃。
     大氣壓強的測量用集成氣壓傳感模塊MS5561來實現(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，可提供依賴于壓力和溫度的16位數(shù)據(jù)字，可通過3線串行接口與微處理器進行通信。
    大氣濕度的測量用高精度的傳感器SY-HS-220來獲取，只需通過單線接口與單片機相連，再通過A／D轉(zhuǎn)換，算法處理即可獲得濕度值。
2．1．3 數(shù)字羅盤
    主要目的是給出平臺的朝向值，來修正加速度和風向。S24-H是一個平面羅盤和雙軸傳感器的組合產(chǎn)品，由一個處理單元分別測量運算出羅盤和傾角的數(shù)據(jù)信息，然后放在同一組數(shù)據(jù)包中輸出，產(chǎn)品輸出接口同時提供TTL和485兩種方式，默認傳輸速率為19 200 b／s。
2．1．4 激光測距系統(tǒng)
    激光測量系統(tǒng)LMS200，是基于飛行時間測量原理(激光雷達)，通過激光發(fā)射到被反射回激光測距儀的時間算出障礙物和激光測距儀之間的距離。
   
    式中：ρ是障礙物到激光測距儀的距離；V是光速；t是從激光發(fā)出到被反射回來的時間。
2．2 遠程無線板設(shè)計
    無線數(shù)據(jù)傳輸通過RFC-30F無線通信模塊實現(xiàn)。RFC-30F單片無線收發(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。遠程無線板的框圖如圖4所示。

    衛(wèi)星接收模塊采用中國臺灣省長天科技股份有限公司產(chǎn)品，型號為GM-82，是一個具備全方位完整的衛(wèi)星定位接收器。
2．3 電機的驅(qū)動部分
    主要由空心杯直流電機、ED系列直流電動機伺服驅(qū)動器和編碼器組成，通過單片機的普通I／O口和PWM控制直流電機驅(qū)動器，使空心杯直流電機在驅(qū)動器的控制下轉(zhuǎn)動，編碼器負責測量電機的實際轉(zhuǎn)速，在程序上用電機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)(PID)控制，用無線控制手柄對速度進行實時的控制。實物圖如圖5所示。

3 程序軟件設(shè)計
    單片機程序包括電源管理、無線控制、數(shù)據(jù)采集和電機驅(qū)動四大功能模塊，PC機軟件包括界面、數(shù)據(jù)接收與處理、數(shù)據(jù)存儲和電源狀態(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)測試
    系統(tǒng)測試在空曠的地方并且人為的設(shè)置障礙完成，驗證小車的功能和工作狀態(tài)以及各種傳感器的可靠性和精度，用電風扇模擬風，熱風槍模擬氣溫升高，觀察PC界面軟件，測得的數(shù)據(jù)與相關(guān)儀器測得的數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果見表1。

5 結(jié)語
    本項目準備開發(fā)與研制一種陸路智能的運載平臺，用來仿真水下航行器的自身定位與地圖的構(gòu)建，并且通過一些傳感器將周圍環(huán)境的參數(shù)通過平臺傳遞給遠程的控制平臺，以便獲取環(huán)境的信息。從測試數(shù)據(jù)中可以看出，智能運載平臺各項功能均能正常工作，基本能夠滿足設(shè)計所提出的性能參數(shù)要求。