基于ARM嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)研究

1、摘要深海機(jī)器人作為深海復(fù)合式水力提升采礦系統(tǒng)中的關(guān)鍵，其行走控制性能的好壞直接關(guān)系到深海采礦的成敗。深海機(jī)器人行走在深海底4000-6000米，環(huán)境復(fù)雜多變，因此提高深海機(jī)器人行走控制的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，對(duì)深海采礦系統(tǒng)的可靠性具有重要的意義。本文以深海機(jī)器人為背景，在深入了解深海機(jī)器人行走控制機(jī)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于ARM嵌入式系統(tǒng)的深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)中，主控制器采用是32位ARM微處理器S3C2410，并通過(guò)光電編碼器和數(shù)字羅盤(pán)分別檢測(cè)深海機(jī)器人行走過(guò)程中的速度和方向角，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器直接控制電液比例閥，從而控制深海機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。深海機(jī)器人的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是

2、復(fù)雜的非線(xiàn)性高階系統(tǒng)，無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)模型描述其控制規(guī)律，因此設(shè)計(jì)了基于模糊算法的履帶速度內(nèi)環(huán)控制器，對(duì)左右履帶的速度進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。而對(duì)深海機(jī)器人速度和方向角的外環(huán)控制則依據(jù)人工駕駛經(jīng)驗(yàn)整定的專(zhuān)家控制規(guī)則，對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)家控制。深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的單任務(wù)順序執(zhí)行機(jī)制不能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求，且由于程序是一條單線(xiàn)執(zhí)行下來(lái)，如果程序某一處出現(xiàn)問(wèn)題，則可能影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，只能靠復(fù)位來(lái)解決，系統(tǒng)的可靠性不高。因此在設(shè)計(jì)中采用了開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)C/OS-進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。仿真結(jié)果表明，本文所用控制算法對(duì)深海機(jī)器人的行走控制具有良好的性能。

3、關(guān)鍵字：深海機(jī)器人，行走控制，ARM嵌入式，專(zhuān)家模糊控制系統(tǒng) ABSTRACTAs the key of deep-sea mining system with complex hydraulic hoisting, deep-sea robots performance of tracking control decides the deep-sea minings success or not. The deep-sea robot walks in the deep seabed of 4000-6000m, and the environment is complex and chan

4、geable. Thereby, it has important significance for the reliability of deep-sea mining to improve the quality and dynamic of the deep-sea robots tracking control.With the background of the deep-sea robot, and in the basis of deep understanding of the structure and work principle of deep-sea robots tr

5、acking control, this paper has designed a trajectory tracking system of deep-sea robot base on ARM embedded system. In the hardware design, the host controller uses the 32-bit ARM microprocessor S3C2410, and measures the speed and direction angle when the deep-sea robot is walking through the optica

6、l encoder and digital compass. Finally, using the D/A converter to control the electro-hydraulic proportional valve directly, and then to control the hydraulic drive system of deep-sea system of deep-sea robot. The hydraulic drive of deep-sea robot is a complicated nonlinear multi-step system, so it

7、s difficult to describe the control theory with accurate mathematics model. Therefore this paper has designed a inner loop controller by fuzzy algorithm to control the speed of the left and right pedrail accurately. Meanwhile, the outer loop controller uses the expert control algorithm to control th

8、e speed and direction angle of the deep-sea robot. The trajectory tracking system of deep-sea robot is a real-time and multi-task system, and the traditional single-task cant satisfy the desire of real-time system. Once a particular process makes a mistake, the whole system will be affected. In orde

9、r to solve this problem, only to make a reset. So in order to assure the real-time and reliability, this paper uses the open-source embedded operating system C/OS-to manage for the multi-task. Simulation results show that the control algorithm used in deep-sea robot tracking control has a good perfo

10、rmance.KEY WORD: deep-sea robot, tracking control, ARM embedded, expert-fuzzy control目錄摘要IABSTRACTII第一章 緒論11.1 深海機(jī)器人軌跡跟蹤研究的意義和目的11.2 深海機(jī)器人軌跡跟蹤的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀21.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀51.3 我國(guó)深海采礦的工藝流程71.4 論文組成8第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)92.1 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖92.2 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件原理圖102.2.1 主控制器的選擇102.2.2 傳感器的選擇102.2.3 D

11、/A轉(zhuǎn)換器192.2.4 RS-232/RS485轉(zhuǎn)換器212.2.5 其它器件的選擇222.3 硬件抗干擾232.4 本章小結(jié)24第三章 控制算法253.1深海機(jī)器人行走作業(yè)規(guī)劃及控制要求253.2 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)控制算法的研究263.2.1 專(zhuān)家控制系統(tǒng)273.2.2 模糊控制系統(tǒng)273.2.3 專(zhuān)家模糊控制系統(tǒng)283.3 本章小結(jié)30第四章 基于MATLAB的系統(tǒng)仿真及其結(jié)果314.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)314.2 基于Simulink的模糊控制器仿真及其結(jié)果334.2.1 深海機(jī)器人履帶液壓系統(tǒng)理想數(shù)學(xué)模型334.2.2 基于Simulink的仿真模型設(shè)計(jì)344.2.3 控制規(guī)則

12、在線(xiàn)學(xué)習(xí)的模糊控制器的實(shí)現(xiàn)354.3 本章小結(jié)37第五章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)385.1 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體框圖385.2 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇及移植395.2.1嵌入式操作系統(tǒng)的選擇395.2.2嵌入式操作系統(tǒng)的移植395.2.3 快速自啟動(dòng)程序的設(shè)計(jì)425.3 各應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)435.3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)435.3.2 速度采集模塊程序設(shè)計(jì)435.3.3 航向采集模塊程序設(shè)計(jì)435.3.4 數(shù)據(jù)處理模塊程序設(shè)計(jì)455.3.5 履帶速度調(diào)節(jié)模塊程序設(shè)計(jì)465.3.6 報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)475.3.7 深海機(jī)器人上位機(jī)程序設(shè)計(jì)475.4 軟件抗干擾485.5 結(jié)束

13、語(yǔ)49第六章 結(jié)論50參考文獻(xiàn)52致謝54附錄第一章 緒論1.1 深海機(jī)器人軌跡跟蹤研究的意義和目的曾有人預(yù)言：“21世紀(jì)將是人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用海洋的世紀(jì)”。隨著人類(lèi)社會(huì)人口的激增和現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人們正在逐漸地把陸地上有限的礦產(chǎn)資源消耗殆盡。為了尋求新的礦產(chǎn)資源，人們開(kāi)始把目光投向了海底豐富的礦產(chǎn)資源。 海洋占地球表面積的70.2%，其蘊(yùn)藏著幾乎取之不盡的生物、能源和礦產(chǎn)資源1。據(jù)(2000)的粗略推算，僅海底的Cu、Ni、Co、Mn金屬資源的蘊(yùn)藏量就可供全球使用千年以上。然而直到現(xiàn)在為止，人們對(duì)海洋金屬礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)還處在起步的階段，因此加快對(duì)海洋資源的研究和開(kāi)發(fā)在21世紀(jì)成了各國(guó)的共識(shí)。在過(guò)去

14、的3O年間，包括中國(guó)在內(nèi)的各國(guó)完成了千余航次的海上地質(zhì)調(diào)查、取樣和海底鉆探，對(duì)鐵錳結(jié)核和富鈷結(jié)殼的分布、物質(zhì)成分、資源量和采冶工藝進(jìn)行了全面而深入的研究，使人們對(duì)海底礦產(chǎn)的分布、資源量和開(kāi)發(fā)前景有了一個(gè)較全面和較準(zhǔn)確的了解。目前探明具有商業(yè)開(kāi)發(fā)前景的有多金屬結(jié)核(錳結(jié)核)、富鈷結(jié)殼和熱硫化礦床以及生物基因資源。多金屬結(jié)核是一種結(jié)核狀的鐵錳礦，又稱(chēng)為大洋錳結(jié)核，它廣泛分布于水深30006 000 m海底。它主要由鐵錳物質(zhì)組成，含有70多種元素(包括工業(yè)所需要的銅、鉆、鎳、錳、鐵等金屬)，其中Ni，Co，Cu，Mn的平均含1.30%，0.22%，1.00%和25.00%，總儲(chǔ)量分別高出陸地相應(yīng)儲(chǔ)量

15、的幾十倍到兒千倍，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是一種重要的深海礦產(chǎn)資源。多金屬結(jié)核在大西洋、印度洋、太平洋等世界幾大洋中均有分布，惟太平洋分布最廣，儲(chǔ)量最大，并呈帶狀分布，擁有東北太平洋海盆、中太平洋海盆、南太平洋、東南太平洋海盆等4個(gè)分區(qū)，其中位于東北太平洋海盆內(nèi)克拉里昂、克里帕頓斷裂之間的CC區(qū)(Clarion-Clipperton Zone)是結(jié)核經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的區(qū)域2。目前,國(guó)際海底區(qū)域資源的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈,許多國(guó)家都在積極發(fā)展海洋高技術(shù),深化海洋資源利用。海底工業(yè)采礦實(shí)驗(yàn)的成功，促進(jìn)了鐵錳結(jié)核和富鈷結(jié)殼的工業(yè)開(kāi)采冶煉工藝。有鑒于此，聯(lián)合國(guó)海洋公約大會(huì)于1994年曾將世界海洋劃分為200海里專(zhuān)屬經(jīng)

16、濟(jì)區(qū)(EEZ)(這里的資源屬主權(quán)國(guó))和200海里以外的國(guó)際公海。廣闊的國(guó)際公海中蘊(yùn)藏的所有資源是屬于“人類(lèi)的共同財(cái)富”，各國(guó)可依法進(jìn)行調(diào)查研究和申請(qǐng)開(kāi)采。我國(guó)的大洋工作起始于20世紀(jì)70年代，最初以多金屬結(jié)核資源調(diào)查為主3。70年代中后期，我國(guó)大洋調(diào)查船先后在太平洋海底采集到錳結(jié)核。80年代初，我國(guó)大洋錳結(jié)核資源調(diào)查工作取得較大進(jìn)展，1984年開(kāi)始著手制定我國(guó)大洋礦產(chǎn)資源勘查規(guī)劃，并開(kāi)始部署相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)研究工作。1991年，以“發(fā)展我國(guó)深海高新技術(shù)，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用國(guó)際海底資源做出貢獻(xiàn)”為宗旨的中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)大洋協(xié)會(huì))正式成立，成為組織我國(guó)各方面深?？蒲虚_(kāi)發(fā)力量，開(kāi)展

17、大洋工作的主要平臺(tái)，并代表我國(guó)向國(guó)際海底管理局和國(guó)際海洋法法庭籌備委員會(huì)申請(qǐng)礦區(qū)登記。2001年5月，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)與國(guó)際海底管理局簽訂了勘探合同，以合同形式確定了我國(guó)在太平洋CC區(qū)擁有專(zhuān)屬勘探權(quán)和優(yōu)先商業(yè)開(kāi)采權(quán)的7.5萬(wàn)平方公里多金屬結(jié)核礦區(qū)，成為繼印度、原蘇聯(lián)、法國(guó)、日本之后第5個(gè)已登記的國(guó)際海底開(kāi)發(fā)先驅(qū)投資者。這一多金屬結(jié)核礦區(qū)的獲得，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了寶貴的資源戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備。1.2 深海機(jī)器人軌跡跟蹤的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)60年代以來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家先后投入了大量的資金、人力和物力來(lái)進(jìn)行深海采礦技術(shù)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究，并已對(duì)連續(xù)繩斗法采礦系統(tǒng)、穿梭艇式采礦系統(tǒng)

18、進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，并進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)45678。1970年國(guó)際財(cái)團(tuán)海洋采礦公司(OMA)在大西洋在布萊克海底臺(tái)地試驗(yàn)了拖曳式水力深海機(jī)器人，1978年在太平洋的克拉里昂-克里帕頓斷裂帶用同樣的采礦系統(tǒng)進(jìn)行了試采。在1978年,美國(guó)海洋管理財(cái)團(tuán)就在太平洋礦區(qū)按1/41/5工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行了海上采礦試驗(yàn)并取得成功,從而奠定了流體提升采礦法的基礎(chǔ)。該采礦法的最大特點(diǎn)是配備了自行遙控采礦車(chē),具有較好的機(jī)動(dòng)靈活性,能避開(kāi)海底障礙物和不利地形,能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效采礦。1987年和1990年俄羅斯(前蘇聯(lián))在黑海79米水深區(qū)域采用自行式深海機(jī)器人進(jìn)行了集礦實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，特地在試驗(yàn)區(qū)海底拋灑了從太平洋中部水

19、域采集的十余噸錳結(jié)核，而其研制的自行式深海機(jī)器人采集錳結(jié)核的生產(chǎn)能力達(dá)到了7.2噸/小時(shí)。1994年起，韓國(guó)開(kāi)始了“深海采礦技術(shù)開(kāi)發(fā)和深海環(huán)境保護(hù)”項(xiàng)目，并進(jìn)行了大量的研發(fā)工作。韓國(guó)開(kāi)發(fā)的復(fù)合式深海機(jī)器人采用履帶行走方式，與我國(guó)目前研制的履帶式深海機(jī)器人不同的是，它的采礦設(shè)備是可以相對(duì)底盤(pán)平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，而且其運(yùn)動(dòng)由底盤(pán)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)決定。與采用固定的方式相比，這種方式集礦效率相對(duì)較高，但控制較為復(fù)雜?，F(xiàn)在韓國(guó)正在對(duì)履帶式深海機(jī)器人進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和數(shù)字仿真研究。德國(guó)和法國(guó)為海洋采礦系統(tǒng)研制了柔性懸掛和剛性懸掛兩臺(tái)海底履帶式深海機(jī)器人，其研究重點(diǎn)主要在開(kāi)發(fā),對(duì)導(dǎo)航研究涉及甚少。印度在200

20、0年完成了500 m水深海底履帶式深海機(jī)器人行走試驗(yàn),采用的是法國(guó)研制的機(jī)器車(chē)底盤(pán)。目前，西方國(guó)家具有代表性的深海機(jī)器人主要有以下幾種：（1）美國(guó)OMCO研制的深海機(jī)器人 美國(guó)海洋礦產(chǎn)公司(OMCO)研制，于1978年在夏威夷以南海域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并成功收集結(jié)核。見(jiàn)圖3.1。行走機(jī)構(gòu)：液壓驅(qū)動(dòng)，阿基米德螺旋行走機(jī)構(gòu)。其工作原理是螺旋葉片陷入海泥中，螺旋體旋轉(zhuǎn)推動(dòng)海泥，使行走機(jī)構(gòu)獲得向前或向后的推力而前進(jìn)或后退。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、海底通過(guò)性好，缺點(diǎn)為行走打滑、承載能力低、功耗大、對(duì)海底擾動(dòng)較大。集礦方式：采用轉(zhuǎn)輪和鏈帶機(jī)械集礦。由兩根斗鏈把多金屬結(jié)核鏟起，通過(guò)輸?shù)V皮帶傳輸?shù)劫A礦罐。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

21、，耗能低，缺點(diǎn)為集礦效率不高、轉(zhuǎn)速較高時(shí)，結(jié)核有隨水流漂浮現(xiàn)象，一些用圓柱齒制作的工作表面易被細(xì)泥堵塞。傳感裝置：一個(gè)測(cè)障聲納、一個(gè)姿態(tài)角傳感器、一臺(tái)深海攝像機(jī)。幾何參數(shù)：長(zhǎng)3415mm，寬2440mm，高2100mm.圖3.1 美國(guó)OMCO研制的深海機(jī)器人（2）德國(guó)錫根大學(xué)研制的深海機(jī)器人 德國(guó)從上世紀(jì)七十年代就開(kāi)始了深海底采礦機(jī)器人的研制。經(jīng)歷幾十年研究，形成了具有德國(guó)特色的采礦系統(tǒng)。圖3.2為德國(guó)錫根大學(xué)研制的深海機(jī)器人。該機(jī)器人的改進(jìn)型于1999年7月在印度的淺海實(shí)驗(yàn)成功。行走機(jī)構(gòu)：液壓驅(qū)動(dòng)，漸開(kāi)線(xiàn)履齒橡膠帶行走機(jī)構(gòu)。該車(chē)的特點(diǎn)就是采用了特殊形式的擺動(dòng)車(chē)架，支承輪也能擺動(dòng)，因此該底盤(pán)車(chē)

22、能較好地適應(yīng)海底復(fù)雜地形，具有較好的越障能力。履帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，漸開(kāi)線(xiàn)履齒對(duì)沉積物的作用如同齒輪與齒條嚙合，對(duì)沉積導(dǎo)擾動(dòng)較小。集礦方式：高壓水射流集礦。集礦時(shí)，前排射流將結(jié)核從沉積層上沖起，后排反向射流擋住沖起的結(jié)核往后的去路，并與前排射流產(chǎn)生一向上的合流將結(jié)核抬起，并沖向后部的輸送機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該集礦頭可在集礦高度100200mm內(nèi)工作，高度為140mm時(shí)，集礦效率可達(dá)100%。傳感裝置：一個(gè)測(cè)障聲納、一個(gè)磁通門(mén)羅盤(pán)、一臺(tái)多普勒測(cè)速儀、兩個(gè)測(cè)速編碼器、一臺(tái)深海攝像頭。幾何參數(shù)：長(zhǎng)3.1M，寬3米，高2米。圖3.2 德國(guó)錫根大學(xué)研制的深海人（3）法國(guó)梭型潛水深海機(jī)器人1980年前后，法國(guó)Vert

23、ut等人研制了一種梭型潛水深海機(jī)器人（見(jiàn)圖3.3）。為得采礦靠自身重量下行，一般與豎直方向成一定角度。壓倉(cāng)物貯存在結(jié)核倉(cāng)內(nèi)，當(dāng)深海機(jī)器人快到達(dá)海底時(shí)，釋放一部分壓艙物以便采礦車(chē)徐徐降落。深海機(jī)器人用阿基米德螺旋推進(jìn)器在海底行走，一邊排出壓艙物，一邊采集等效重量接近零。當(dāng)最后一點(diǎn)壓艙物被排出，深海機(jī)器人在阿基米德推進(jìn)器作用下返回到海面。法國(guó)所設(shè)計(jì)的第二代梭型潛水遙控深海機(jī)器人模型機(jī)PLA-2型外形尺寸為5.53.32.6m、重16t（包括壓艙物）。由于系統(tǒng)投資大，產(chǎn)品價(jià)值不高，法國(guó)大洋結(jié)核研究開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)（AFERNOD）于1983年已停止研究。圖3.3 法國(guó)梭型潛水深海機(jī)器人（4）日本拖曳式深海機(jī)

24、器人日本在連續(xù)斗系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)失敗后，于八十年初轉(zhuǎn)入拖曳水力射流深海機(jī)器人的研究（見(jiàn)圖3.4）。但經(jīng)過(guò)多年研究，日本已認(rèn)識(shí)到拖曳式行走不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，正準(zhǔn)備轉(zhuǎn)身自行走深海機(jī)器人的研究。圖3.4日本拖曳式深海機(jī)器人（5）印度深海底深海機(jī)器人印度于十九世紀(jì)七十年代即開(kāi)始了多金屬結(jié)核采礦的研究，但進(jìn)展緩慢。通過(guò)與德國(guó)錫根大學(xué)合作，采用錫根大學(xué)研制的履帶車(chē)底盤(pán)，并自行研究了獨(dú)特的集礦頭，印度與1999年7月進(jìn)行了200m淺海實(shí)驗(yàn)，并取得了成功。圖3.5為印度深海機(jī)器人模型。該機(jī)器人長(zhǎng)3160mm，寬2950m，重10t，最大速度0.75m/s。在機(jī)器人頂安裝有一個(gè)可左右擺動(dòng)的機(jī)械臂，機(jī)械臂的下方為一個(gè)泥漿

25、泵。采礦時(shí)，通過(guò)機(jī)械臂的左右擺動(dòng)，用泥漿泵抽取海底表面的多金屬結(jié)核。該機(jī)器人除可采集多金屬結(jié)核外，也可進(jìn)行海底采沙。圖3.5印度深海底深海機(jī)器人1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)深海機(jī)器人控制技術(shù)研究始于“八五”計(jì)劃?！鞍宋濉逼陂g，我國(guó)在綜合研究國(guó)外深海機(jī)器人作業(yè)行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)沙礦山研究院在“八五”期間研制了一臺(tái)自行式履帶車(chē)模型機(jī)（見(jiàn)圖3.6(a)），該車(chē)采用近似漸開(kāi)線(xiàn)高齒橡膠履帶，雙浮動(dòng)懸架和橫向擺動(dòng)梁，雙泵全功率供油，液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，電液比例控制，采用水力機(jī)械復(fù)合集礦方式，外形尺寸4.63.02.1m，重8t,行駛速度01m/s。結(jié)合深海采礦模型深海機(jī)器人的研制和實(shí)驗(yàn)室研究，于95年成功

26、開(kāi)發(fā)了稀軟底履帶行走式深海機(jī)器人控制系統(tǒng)，淺水試驗(yàn)初獲成功，取得了階段性研究成果。同時(shí)暴露了控制系統(tǒng)水下儀表的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多根電纜和信號(hào)纜相互間的纏繞扭曲嚴(yán)重、密水接頭過(guò)多、主要依賴(lài)觀測(cè)手段操作等薄弱環(huán)節(jié)，為“九五”擴(kuò)大研究奠定了基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)，與法國(guó)Cebynetic公司合作，研制了第二代深海機(jī)器人（見(jiàn)圖3.6(b)）主要改進(jìn)表現(xiàn)為采用尖三角齒特種合金履帶板，提高了深海機(jī)器人在深海軟底環(huán)境下的可靠性和可行駛性；改用全水力集礦方式，進(jìn)一步提高了深海機(jī)器人的效率；增加了控制密水箱和相關(guān)傳感器，提高了深海機(jī)器人的可操作性。該深海機(jī)器人達(dá)到了牽引特性理想、牽引力大、承載能力強(qiáng)、跨越或

27、繞過(guò)海底障礙容易、能適應(yīng)軟海底行走的預(yù)期目標(biāo)。研究重點(diǎn)集中于深海中的試深海機(jī)器人控制和供電技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，旨在打通深海采礦主要子工藝系統(tǒng)的控制流程?；诩夹g(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，采用國(guó)際合作的技術(shù)路線(xiàn)，各控制環(huán)節(jié)初步形成，于2000年研制出我國(guó)第二代深海機(jī)器人控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)基于COMPACT-PCI-IPC組成DCS層次結(jié)構(gòu)，控制功能較為完善。開(kāi)發(fā)了基于PLC的硬管揚(yáng)礦監(jiān)控裝置、基于研華一體化IPC的軟管控制裝置。各子系統(tǒng)工藝流程基本滿(mǎn)足工藝實(shí)驗(yàn)室要求，但控制系統(tǒng)功能有待完善。并于2001年成功進(jìn)行130m水深湖試。由于自身和外部環(huán)境等因素，在湖試時(shí)發(fā)現(xiàn)，深海機(jī)器人在130m軟底是行駛的難度很

28、大，現(xiàn)在人工控制效果很不理想。2001年，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)發(fā)布了“十五”深海資源研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃，并向中南大學(xué)、長(zhǎng)沙礦山研究院、長(zhǎng)沙礦冶研究院等研究課題承擔(dān)單位下達(dá)了深海采礦中試系統(tǒng)監(jiān)控、動(dòng)力配置技術(shù)設(shè)計(jì)研究開(kāi)發(fā)子項(xiàng)目任務(wù)，下轄5個(gè)子課題，重點(diǎn)仍然集中于深海中試深海機(jī)器人控制技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。面向?qū)嶒?yàn)室研究和技術(shù)設(shè)計(jì)，旨在打通深海采礦各子工藝系統(tǒng)的控制流程，為“十五”海試控制系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和研制開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。根據(jù)中國(guó)大洋協(xié)會(huì)“十五”計(jì)劃安排，結(jié)合“八五”“九五”研究和技術(shù)設(shè)計(jì)成果，開(kāi)展深海機(jī)器人控制技術(shù)深度開(kāi)發(fā)?！笆晃濉庇?jì)劃的頭兩年完成深海采礦系統(tǒng)1000米海試的試驗(yàn)工作，積累海上大型系統(tǒng)施工作業(yè)的

29、經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)完成后開(kāi)展針對(duì)6000米的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為6000米海上試驗(yàn)開(kāi)采做好準(zhǔn)備。與此同時(shí)在“十一五”計(jì)劃期間展開(kāi)其他資源的開(kāi)采方案和部分關(guān)鍵技術(shù)的研究，力爭(zhēng)深海采礦技術(shù)能面向多種資源。圖3.6第一代深海機(jī)器人 圖3.7第二代深海機(jī)器人1.3 我國(guó)深海采礦的工藝流程我國(guó)采用的采礦系統(tǒng)方案是深海復(fù)合式水力提升采礦系統(tǒng)，屬于深海機(jī)器人加管道輸送采礦系統(tǒng)中的一種9。該系統(tǒng)包括三個(gè)相互連系部分，即深海底采礦機(jī)器車(chē)、提升設(shè)備和海面設(shè)施（見(jiàn)圖2.1）。其基本的工作原理是，集礦子系統(tǒng)（即深海機(jī)器人）在海底按預(yù)定路徑行駛，由深海機(jī)器人上的采集頭將多金屬結(jié)核吸入深海機(jī)器人并進(jìn)行破碎。破碎后的礦漿經(jīng)輸送管到達(dá)中

30、間艙，再由水力提升系統(tǒng)將礦漿通過(guò)揚(yáng)礦管（硬管）輸送到水面采礦船。在而在整個(gè)采礦系統(tǒng)中，集礦子系統(tǒng)部分是該方案中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由深海機(jī)器人和與之相配套的控制系統(tǒng)及動(dòng)力配置系統(tǒng)構(gòu)成。深海機(jī)器人主要包括自行式履帶作業(yè)車(chē)、深海機(jī)器人構(gòu)、破碎機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力裝置、軟管連接裝置。整個(gè)深海機(jī)器人行走、姿態(tài)調(diào)整、采集、破碎的動(dòng)力都由液壓系統(tǒng)提供，采用2臺(tái)高壓水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵提供壓力。深海機(jī)器人是履帶式的自行走作業(yè)車(chē)，采用高尖齒的履帶行走，兩條履帶由安裝在后輪上的兩臺(tái)液壓馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)，用變量泵調(diào)節(jié)速度。同時(shí)，為了在深海機(jī)器人收放時(shí)控制其姿態(tài)，防止其旋轉(zhuǎn)，在深海機(jī)器人的前后各安裝了一臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)

31、的螺旋槳。深海機(jī)器人構(gòu)安裝在作業(yè)車(chē)的前端，由前后兩排相對(duì)斜向海底射流的噴嘴、附壁噴嘴、封閉輸送管道和排泥隔柵等組成。采用低壓大流量水力沖抬輸送原理采集結(jié)核，壓力水由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的水泵提供。深海機(jī)器人構(gòu)利用水射流將賦存在海這個(gè)底表面的多金屬結(jié)核擾動(dòng)、捕獲，經(jīng)過(guò)脫泥后輸送到破碎機(jī)構(gòu)的料倉(cāng)中；破碎機(jī)構(gòu)將多金屬結(jié)核破碎成滿(mǎn)足揚(yáng)礦輸送要求的大小的礦石粒徑后進(jìn)入揚(yáng)礦輸送管道，完成整個(gè)集礦作業(yè)。破碎機(jī)構(gòu)采用單齒輥式破碎，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)具有液壓自動(dòng)防卡排除大塊裝置。采礦系統(tǒng)還包括一個(gè)中繼站，中繼站為深海機(jī)器人處理過(guò)的礦結(jié)核提供一個(gè)暫存和中轉(zhuǎn)的場(chǎng)所，另外，合理地分擔(dān)了部分設(shè)備安裝，使深海機(jī)器人有最大的機(jī)動(dòng)

32、靈活性。海面采礦船為集礦和揚(yáng)礦提供所有操作控制和維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)由海面采礦船上的監(jiān)控中心分別對(duì)深海機(jī)器人的集礦過(guò)程、行走速度和方向、以及海面采礦船之間的相對(duì)位置、深海機(jī)器人上的碰壁聲納進(jìn)行控制。深海機(jī)器人上的定位聲納用來(lái)確定和顯示深海機(jī)器人在采礦區(qū)相對(duì)中繼站的位置，多波聲納用來(lái)探測(cè)前進(jìn)方向的地形和障礙物。此外深海機(jī)器人上安裝的電視攝像機(jī)用來(lái)觀察深海機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)和各工作機(jī)構(gòu)的工作情況，以及其周?chē)牡匦?。采礦船揚(yáng)礦管復(fù)合電纜提升泵中間倉(cāng)輸送軟管深海機(jī)器人6000m圖2.1 深海底多金屬結(jié)核采集系統(tǒng)示意圖1.4 論文組成由于深海機(jī)器人對(duì)整個(gè)采礦方案有著舉足輕重的作用，因此，開(kāi)展對(duì)深海機(jī)器人行走控制

33、的研究是非常有必要的。為此本文著重對(duì)深海機(jī)器人的行走控制進(jìn)行了研究，研究的內(nèi)容如下：第一章簡(jiǎn)要介紹了深海采礦的背景、工藝流程及深海機(jī)器人在深海采礦中的重要意義及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。第二章設(shè)計(jì)了基于ARM微處理器的深海機(jī)器人行走控制硬件方案。第三章提出了基于專(zhuān)家模糊控制的深海機(jī)器人行走控制算法。第四章采用MATLAB對(duì)深海機(jī)器人行走控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。第五章設(shè)計(jì)了深海機(jī)器人行走控制系統(tǒng)的軟件方案。第六章總結(jié)。第二章 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖中斷主控制器ARMARMRS-232RS-485RS-232UART1 LDATA07 EINT05 UART

34、0RS232/RS485轉(zhuǎn)換器上位機(jī)RS-232D/A電液比例閥增量式光電編碼器（左右履帶、車(chē)體線(xiàn)速度）數(shù)字羅盤(pán)（航向角采集）左右履帶速度RS232/RS485轉(zhuǎn)換器圖2.1 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖從深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件框圖可以看出，需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括: 左右履帶當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速、深海機(jī)器人的當(dāng)前實(shí)際切向速度和深海機(jī)器人當(dāng)前行駛方向角。這三種參數(shù)的檢測(cè)原理為：1.左右履帶當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速是通過(guò)安裝在左右履帶驅(qū)動(dòng)輪上的光電編碼器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。通過(guò)測(cè)量編碼器兩個(gè)相鄰脈沖時(shí)間間隔，就可以測(cè)得深海機(jī)器人左右履帶的速度。2. 深海機(jī)器人的當(dāng)前實(shí)際線(xiàn)速度是通過(guò)安裝在深海機(jī)器人的地輪來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。

35、其檢測(cè)原理是：在深海機(jī)器人中下部安裝一個(gè)拖在地面的可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的輪子，當(dāng)深海機(jī)器人行駛時(shí)，利用安裝在輪子一側(cè)的增量式光電編碼器來(lái)檢測(cè)輪子的轉(zhuǎn)速，從而得到集礦機(jī)的當(dāng)前線(xiàn)速度。由于地輪基本上不發(fā)生打滑現(xiàn)象，因此地輪的轉(zhuǎn)速即反應(yīng)了深海機(jī)器人當(dāng)前的實(shí)際線(xiàn)速度。3.深海機(jī)器人當(dāng)前行駛方向角是由安裝在深海機(jī)器人上的數(shù)字羅盤(pán)檢測(cè)得到。數(shù)字羅盤(pán)是通過(guò)檢測(cè)磁阻的變化來(lái)確定深海機(jī)器人當(dāng)前方向角的傳感器。數(shù)字羅盤(pán)的接口簡(jiǎn)單，可以通過(guò)RS-232或RS-485串口直接讀取深海機(jī)器人當(dāng)前行駛的方向角。主控制器進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的在線(xiàn)采集并存儲(chǔ)，然后根據(jù)相關(guān)控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制電液比例

36、閥的動(dòng)作，從而達(dá)到控制深海機(jī)器人左右履帶的目的。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控深海機(jī)器人的軌跡，通過(guò)RS-485與上位機(jī)進(jìn)行通信。由于上位機(jī)的通信端口只有RS-232，所以為了與上位機(jī)進(jìn)行通信，必須進(jìn)行RS-232/RS485轉(zhuǎn)換。2.2 深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件原理圖深海機(jī)器人軌跡跟蹤系統(tǒng)硬件原理圖見(jiàn)附錄圖1圖7。2.2.1 主控制器的選擇 目前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)包括MCU、MPU等30多個(gè)等系列。其中的典型代表有單片機(jī)、ARM、DSP等。而針對(duì)深海環(huán)境的復(fù)雜性，主控制器的選擇必有具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)任務(wù)支持能力，能夠完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的

37、代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低的限度。單片機(jī)、ARM、DSP都具有這樣的特點(diǎn)。但單片機(jī)的抗干擾能力較弱，性能一般，一般用在低端的控制系統(tǒng)中，對(duì)于深海復(fù)雜的環(huán)境來(lái)說(shuō)并不適合，而DSP是專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)的，在語(yǔ)音合成和編碼器中有廣泛的應(yīng)用，用來(lái)控制深海機(jī)器人行走也不合適。所以對(duì)于深海機(jī)器人的行走控制來(lái)說(shuō)選用ARM控制器是最佳的選擇。Samsung公司的S3C2410處理器是一款A(yù)RM9系列的處理器，基于ARM9TDMI處理器核，采用1.8V/2.0V內(nèi)核供電，3.3V存儲(chǔ)器供電，3.3V外部I/O口供電。這塊芯片含有非常豐富的片上資源：具備16KB的I-Cache和16KB的D-Cach

38、e/MMU;外部存儲(chǔ)控制器（SDRAM控制和片選邏輯）；4通道DMA并有外部請(qǐng)求引腳；3通道UART（IrDA1.0，16字節(jié)TxFIFO，和16字節(jié)RxFIFO）,2通道SPI；4通道PWM定時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器；看門(mén)狗定時(shí)器；117個(gè)能用I/O口和24通道外部中斷源；功耗控制模式：具有普通，慢速，空閑和掉電模式。8通道10比特ADC和觸摸屏接口；S3C2410是目前國(guó)內(nèi)使用較為普遍的ARM處理器，有較為豐富的資源可以參考，同時(shí)，采購(gòu)比較方便，成本低。2.2.2 傳感器的選擇1. 光電編碼器光電編碼器在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)中常常用以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置與速度，是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量

39、轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器10。因此深海機(jī)器人左右履帶和整體的速度可以通過(guò)光電編碼器來(lái)測(cè)得。（1）光電編碼器的原理光電編碼器由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，編碼器光源產(chǎn)生的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)形成一束平行光投射在碼盤(pán)上，并與位于碼盤(pán)另一面成徑向排列的光敏元件相耦合，經(jīng)放大整形后辦出若干的脈沖信號(hào)。其原理示意圖如圖2.2所示，通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差的兩路脈沖信。透鏡轉(zhuǎn)軸光源光敏元件放大整形碼盤(pán)透鏡脈沖輸出 圖2.

40、2 光電編碼器原理圖根據(jù)光電編碼器的刻度和輸信號(hào)的不同，可以分為絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器。1）絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)式編碼器可直接輸出數(shù)字量。在它的圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件;當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N

41、條碼道。絕對(duì) 式 編 碼器是利用自然二進(jìn)制或循環(huán)二進(jìn)制(葛萊碼)方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。特點(diǎn)：具有輸出數(shù)字量可與微機(jī)或DSP直接接口，可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值；沒(méi)有累積誤差；電源切除后位置信息不會(huì)丟失。但是分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，也就是說(shuō)精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等多種。缺點(diǎn)：引出線(xiàn)較多，信號(hào)線(xiàn)數(shù)量與二進(jìn)制的位數(shù)相同；但是價(jià)格高、制造工藝復(fù)雜，不宜實(shí)現(xiàn)小型化。2）增量式光電編碼器增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。

42、增量式光電編碼器利用雙光柵疊柵條紋技術(shù)，對(duì)空間位置進(jìn)行光學(xué)放大，通過(guò)光電接收器輸出相位相差的兩路信號(hào)sin和cos口，判向電路根據(jù)這兩號(hào)的相位關(guān)系，確定碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后按光柵付之間的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)φ倚盘?hào)的每個(gè)周期進(jìn)行增或減計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)則加，反轉(zhuǎn)則減，于是便可獲得相對(duì)某一位置的計(jì)數(shù)值N。若光柵節(jié)距角為:,那么相對(duì)該指定位置的角度粗碼值就為:=N。特點(diǎn)：分辨率高、響應(yīng)速度快、體積小、輸出穩(wěn)定，測(cè)速度和測(cè)角度精度高；輸出信號(hào)可以直接連接到微機(jī)或DSP的計(jì)數(shù)器輸入端，由其軟件來(lái)辨相和計(jì)數(shù)； 成本低。 缺點(diǎn)：不具有計(jì)數(shù)和接口電路；無(wú)記憶能力，斷電后要重新計(jì)數(shù)。根據(jù)以上對(duì)比，選用增量式光電編碼器是最佳的選

43、擇。在本文中選用歐姆龍?jiān)隽渴焦怆娋幋a器E6B2-CWZ6B，其分辨率為1024脈沖/轉(zhuǎn)。（2）增量式光電編碼器的測(cè)速原理及應(yīng)用增量式光電編碼器輸出兩個(gè)互差的方波信號(hào)為A、B，每轉(zhuǎn)一周每個(gè)信號(hào)輸出N個(gè)脈沖。A、B信號(hào)的相位關(guān)系體現(xiàn)了光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A超前B；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，B超前A。辨向電路通過(guò)A、B的相位關(guān)系來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)方向，并且據(jù)此決定當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖出現(xiàn)時(shí)應(yīng)該對(duì)當(dāng)前計(jì)數(shù)值加1還是減1。圖2.3是增量式光電編碼器的輸出波形。BZZBAA （a）碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí) (b)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí)圖2.3 增量式光電編碼器的輸出波形由以上的波形圖可以看出整個(gè)測(cè)速步驟有兩個(gè)：1）脈沖鑒相；2）脈

44、沖計(jì)數(shù)。1）脈沖鑒相脈沖鑒相的方法比較多，既可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)11。本文采用的是采用D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖的鑒相，其工作的原理如圖2.4所示：W3W4W2BW1A （a）原理電路 （b）波形（順時(shí)針）圖2.4 鑒相電路及其相應(yīng)波形其中D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)鑒相，異或門(mén)從A、B信號(hào)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，起到倍頻的作用所以精度為2Nppr，最大的的脈沖頻率是Nn/30Hz,其中n是轉(zhuǎn)速（r/min）。增量式光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)A超前B ，如圖2.4（b）所示，D觸發(fā)器輸出Q非（波形W1）為高電平，Q（波形W2）為低電平，則下面的與非門(mén)開(kāi)通，計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)（波形W3），送至計(jì)數(shù)器輸入端，進(jìn)行加

45、法計(jì)算。此時(shí)上面的與非門(mén)關(guān)閉，其輸出為高電平(波形W4)。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，情況相反。2）脈沖計(jì)數(shù)增量式光電編碼器除直接用于測(cè)量角位移外，常用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。其轉(zhuǎn)速檢測(cè)的方案主要有以下幾個(gè)方法12：M法，通過(guò)測(cè)量在一段固定的時(shí)間間隔內(nèi)的的編碼器脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，適用于高速場(chǎng)合。T法，通過(guò)測(cè)量相鄰脈沖間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，適用于低速場(chǎng)合。M/T法，通過(guò)同時(shí)測(cè)量光電編碼器輸出脈沖的數(shù)目M和時(shí)間間隔T，相除后獲得轉(zhuǎn)速，適用于轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)范圍較大的場(chǎng)合。但是對(duì)于低速，該方法需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，無(wú)法滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速檢測(cè)系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。由于深海機(jī)器人的行走速度為0.5m/s，屬

46、于低速的場(chǎng)合，所以選用T法進(jìn)行測(cè)量。編碼器脈沖M圖2.5 T法測(cè)速原理圖假設(shè)時(shí)鐘頻率為，光電編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為，為對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值。則由圖2.5可以得到轉(zhuǎn)速： 公式 (2.1)相對(duì)誤差為： 公式 (2.2)由于在控制系統(tǒng)中編碼器的轉(zhuǎn)速具有不可預(yù)見(jiàn)性，造成脈沖周期T具有不確定的特點(diǎn)，所以為了提高光電編碼器的測(cè)量精度，本文采用了光電編碼器的四倍頻的電路設(shè)計(jì)13。詳細(xì)觀察圖2.3可發(fā)現(xiàn)，在脈沖周期T內(nèi)，A、B兩相信號(hào)共產(chǎn)生了四次變化，盡管T不確定，但由于A、B兩相信號(hào)之間相位關(guān)系確定，使這四次變化在相位上的平均分布。如果利用這四次變化產(chǎn)生四倍頻信號(hào)，則可以實(shí)現(xiàn)光電編碼器測(cè)量精度的提高。四倍頻電路的

47、設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于鑒別出A、B信號(hào)的上升沿和下降沿。鑒別信號(hào)上升沿和下降沿的方法有很多，但其實(shí)質(zhì)是一樣的，其原理圖如圖2.6所示，輸入信號(hào)異或后，就可得到倍頻的信號(hào)。而對(duì)于延時(shí)的處理方法也很多，如圖2.7所示。微分電路其信噪比小，抗干擾性差，積分型電路可以提高信噪比，但和微分型電路一樣有致命的缺點(diǎn)：當(dāng)輸入信號(hào)嚴(yán)重變形；對(duì)于各路倍頻電路來(lái)說(shuō)，電阻和電容的參數(shù)不可能完全一致，所以倍頻后的各路脈沖寬度不等，而且寬度的調(diào)節(jié)也比較困難。因此本文采用數(shù)字型延時(shí)電路可以很好的克服以上延時(shí)電路的缺點(diǎn)，延時(shí)的時(shí)間和各電路倍頻的脈沖寬度由時(shí)鐘控制，倍頻后脈沖寬度均勻一致。OUT延時(shí)異或門(mén) （a）倍頻原理 (b)倍頻波形

48、 圖2.6 倍頻電路原理圖OUTCLKDQ (a)微分型 （b）積分型 （c）數(shù)字型圖2.7 延時(shí)電路綜上所述，可以設(shè)計(jì)以下四倍頻電路原理圖如圖2.8所示以及所得的四倍頻波形如圖2.9所示。 圖2.8 增量式光電編碼器四倍頻電路原理圖其中CLK的頻率應(yīng)大于A或B相的脈沖頻率，BA圖2.9 增量式光電編碼器四倍頻波形2. 數(shù)字羅盤(pán)(1)數(shù)字羅盤(pán)的分類(lèi)及其工作原理目前世界上常用的指向設(shè)備有用電羅經(jīng)、磁羅經(jīng)、磁通門(mén)和磁阻傳感器。由于電羅經(jīng)啟動(dòng)后需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定、陀螺球轉(zhuǎn)速高、磨損大、壽命短、價(jià)格高、故障多、需大功率電源供應(yīng)等諸多缺點(diǎn)造成使用上的不便，而磁通門(mén)雖然靈敏度高、起動(dòng)快，但其體積大、價(jià)

49、格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合小型化和高可靠性的要求。磁傳感器本身是固定態(tài)的，電阻的體積可以做的很小且沒(méi)有活動(dòng)部件，功耗也很低，配合選用體積小功耗低的外圍器件可以將磁阻羅盤(pán)微型化，已有逐步取代磁通門(mén)的趨勢(shì)。圖2.10是磁阻傳感器及其工作原理。（a）磁阻傳感器工作原理（b）磁阻傳感器圖2.10 磁阻傳感器及其工作原理磁阻傳感器利用的是鎳鐵合金的電阻對(duì)某一個(gè)方向的磁場(chǎng)敏感的原理。在鐵磁性材料中會(huì)發(fā)生磁阻的各向異性（AMR），當(dāng)沿著一條長(zhǎng)而薄的鐵磁合金帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流，在垂直于電流的方向施加一個(gè)磁場(chǎng)，合金帶自身的阻值會(huì)發(fā)生變化。磁阻傳感器由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，在電阻中有電流

50、流過(guò)。且在電橋上施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H，使得兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值增加；另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，引起電阻阻值減少。在線(xiàn)性區(qū)域輸出和外加磁場(chǎng)成正比（V=ShVb）。靈敏度S 和傳遞函數(shù)的線(xiàn)性區(qū)成反比。方位角是物體從地理上的“北極”繞垂直于水平面的軸的轉(zhuǎn)角，或物體從“磁北”繞垂直于水平面的軸的轉(zhuǎn)角m，且，m均是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。如果地磁矢量H在水平面的投影分別為Hx，Hy，則有14： 公式 (2.3) 公式 (2.4)這時(shí)可以由下式計(jì)算運(yùn)載體的磁角方位角： 公式 (2.5)對(duì)于載體方位角可以通過(guò)歐拉角描述固定坐標(biāo)系OXYZ和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)之間的關(guān)系

51、（見(jiàn)圖2.11）。這里規(guī)定，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系是由固定坐標(biāo)系OXYZ先繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度m，得到坐標(biāo)系，然后再繞軸旋轉(zhuǎn)角度，得到坐標(biāo)系，最后繞軸旋轉(zhuǎn)角度得到坐標(biāo)。這里涉及的三次旋轉(zhuǎn)都按右手法則，例如，繞OZ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由OX軸向OY軸方向旋轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)。此時(shí)，三個(gè)角度：m為定義為磁方位角，定義為橫滾角，定義為俯仰角。旋轉(zhuǎn)順序 圖2.11 坐標(biāo)變換圖因?yàn)榉较蛴嘞揖仃囀钦痪仃?，它的逆矩陣存在且就等于它自身的轉(zhuǎn)置矩陣。所以從到OXYZ的逆過(guò)程的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： 公式（2.6） 公式（2.7） 公式（2.8）由式（2-4）（2-5）（2-6）可得 公式（2.9） 公式（2.10） 由式（2-3）得到方位角為 公

52、式（2.11）由式（2-9）方位角的計(jì)算公式可以看出，在捷聯(lián)方位測(cè)量系統(tǒng)中并不需要知道各個(gè)分量之間的比例關(guān)系就可以進(jìn)行方位解算。(2)數(shù)字羅盤(pán)HMR3000的應(yīng)用磁場(chǎng)基于磁阻傳感器HMR3000羅盤(pán)模塊的數(shù)字羅盤(pán)經(jīng)系統(tǒng)以其價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、具有數(shù)字化接口、便于數(shù)據(jù)處理等優(yōu)勢(shì)，在船舶導(dǎo)航中得到越來(lái)越普的應(yīng)用15。HMR3000是一款集航向、俯仰和橫滾三個(gè)旋轉(zhuǎn)量測(cè)量于一體的磁敏傳感器，由三軸磁阻傳感器和一個(gè)充有液體的兩軸傾斜傳感器組成，可以得到進(jìn)行傾斜補(bǔ)償后的航向數(shù)據(jù)，并且?guī)в须娮悠胶饧?，其航向角度的精確度可以達(dá)到，俯仰和翻滾方向的精度可以達(dá)到，分辨率達(dá)到，即使在傾斜達(dá)到時(shí)，也能給出精確的航向角

53、。其內(nèi)部全部采用貼片元件，不含任何移動(dòng)元件，非常堅(jiān)固可靠，并且其輸入電壓范圍廣、功耗低、體積小，適合安裝在各種平臺(tái)上使用。圖2.12是HMR3000的原理圖。ASCII輸出微處理器傳感器傾斜磁阻IIR濾波器航向計(jì)算非線(xiàn)性濾波器RS232RS485圖2.12 HMR3000原理圖HMR3000數(shù)字羅盤(pán)由內(nèi)置單片機(jī)控制傳感器的測(cè)量時(shí)序，所有控制HMR3000操作的參數(shù)都存儲(chǔ)在內(nèi)置EEPROM中1617。HMR3000可以配置數(shù)字羅盤(pán)輸出3類(lèi)NMEA標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句（HDG、HDT和XDR），3類(lèi)專(zhuān)用語(yǔ)句（HPR、RCD和CCD），并且在數(shù)據(jù)輸出前有一串ASCII字符頭信息。它與外界通信的接口簡(jiǎn)單，用標(biāo)準(zhǔn)的

54、RS-232 T型頭接口，采用串行通信的方法，為傳輸波特率可選擇從1200bit/s到38 400bit/s，可以方便的采集數(shù)據(jù)，供CPU處理。 由于HMR3000與外部的通信通過(guò)RS-232接口或RS-485接口，因此不能直接與ARM進(jìn)行通信，必須通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行通信。HMR3000數(shù)字羅盤(pán)上自帶有標(biāo)準(zhǔn)的D型9針插頭，可以利用該插頭通過(guò)MAX3232芯片，連接到ARM的串口。這里需注意的是，在使用串口連接ARM時(shí)，HMR3000的9針串口的2、3管腳經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)連接錯(cuò)誤。這主要是因?yàn)镠MR3000的輸出數(shù)據(jù)在連接到D型插頭時(shí)，為了方便和PC機(jī)的連接已經(jīng)調(diào)換了2、3腳的順序，因此只要將HMR3000的2、3腳按順序連接到對(duì)應(yīng)的管腳就可以了。當(dāng)HMR3000采用不同的電源時(shí)，其RS232有兩種不同的接法，如圖2.13所示。GND 5Tx 3Rx 29 V+5 GND3 Rx2 TxHMR3000接口未經(jīng)穩(wěn)壓電源6-15V DCARM接口（a） 接入未經(jīng)穩(wěn)壓的電源8 V+5 GND3 Rx2 TxGND