文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.011
中文引用格式： 章雪挺，魏晗冬，曾凡宗，等. 一種用于深海裝備的著陸控制技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：42-44，
英文引用格式： Zhang Xueting，Wei Handong，Zeng Fanzong，et al. A kind of landing control technology used for deep-sea equipment[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：42-44，
0 引言
深海裝備開發(fā)及其配套技術(shù)是海洋技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，在國防安全、海洋科學調(diào)查、海洋資源勘探、水下工程等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)深海裝備在海底作業(yè)中出現(xiàn)的實際需求，針對需要在海底復雜地形下平穩(wěn)著陸，保持水平姿態(tài)進行作業(yè)的情況，提出了一種用于深海裝備的四足著陸控制技術(shù)，并制作了實現(xiàn)該技術(shù)的原理樣機。該樣機采用了傳感器技術(shù)、微處理技術(shù)、水下密封技術(shù)等構(gòu)成系統(tǒng)單元的硬件，在研究和分析了國內(nèi)外深海裝備著陸及調(diào)平技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用了一種創(chuàng)新性的“二次調(diào)平”機制，并通過自適應(yīng)控制理論設(shè)計實現(xiàn)了一種水下四足著陸算法，在實驗室水池中實現(xiàn)了原理樣機在模擬海底地形下的平穩(wěn)著陸與調(diào)平功能。與以往研究相比，該技術(shù)能實時根據(jù)地形地貌，自主、平穩(wěn)地著陸到海底地面，輔助勘探工作順利進行，大大提高了水下資源采集的能力。
1 系統(tǒng)工作原理
深海裝備的著陸控制系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。系統(tǒng)分為水上的甲板供電單元和水下作業(yè)平臺兩個部分。母船行駛到指定海域后，下放搭載了著陸控制系統(tǒng)的深海裝備進行水下作業(yè)。當整個裝備離底10 m時，著陸控制中的距離調(diào)平系統(tǒng)被觸發(fā)，4個安裝在支腿底部的距離傳感器開始測距，并通過RS-232總線將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊。主控模塊進行數(shù)據(jù)處理計算后，輸出PWM信號給電機驅(qū)動模塊，從而通過電機的轉(zhuǎn)動調(diào)整各個支腿的長度，完成第一次調(diào)平工作。隨著整個裝備的繼續(xù)下降，當離底距離小于0.5 m時，距離調(diào)平系統(tǒng)停止工作。隨后裝備坐底，角度調(diào)平系統(tǒng)被觸發(fā)，安裝在平臺中央的角度傳感器將實時的水平X、Y兩個方向的角度通過I2C總線傳送給主控模塊，通過數(shù)據(jù)融合解算，反復調(diào)節(jié)各個支腿的伸縮長度，使整個裝備盡可能地水平著陸在指定的海底。當X、Y的角度同時小于1°時，角度調(diào)平系統(tǒng)暫停工作，從而完成整個裝備的第二次調(diào)平工作。這一調(diào)平技術(shù)可為該深海裝備的執(zhí)行機構(gòu)平穩(wěn)、可靠地進行水下作業(yè)(如鉆機鉆具下行、CPT探針下行、ROV或HOV機械手取樣等)提供一系列的保障。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包含主控模塊、傳感器模塊和步進電機驅(qū)動模塊，如圖2所示。
本系統(tǒng)選擇意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6作為控制模塊處理器，其工作頻率高達72 MHz，內(nèi)部集成嵌套矢量中斷控制器NVIC、64 Kb閃存、20 Kb的RAM，支持SWD調(diào)試，多個16位定時器可以實現(xiàn)輸入捕獲、PWM輸出等功能，另外芯片內(nèi)部集成2個SPI外設(shè)接口、2個I2C接口、5個U(S)ART等外設(shè)，完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計的資源要求[1]。
角度傳感器采用的是ADI公司生產(chǎn)的采用MEMS技術(shù)的三軸加速度計ADXL345，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點；具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能；最大量程可達±16 g，另可選擇±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測得0.25°的傾角變化。在系統(tǒng)工作時，微處理器通過SPI總線訪問ADXL345的寄存器中的X、Y、Z的值，經(jīng)過處理得到水平X、Y方向的傾角值[2]。
距離傳感器是直接采用Tritech公司生產(chǎn)的Micro Sounder高度計，其工作頻率為500 kHz，測量范圍0.5 m～50 m，分辨率達到1 mm，完全符合本系統(tǒng)設(shè)計要求。其通過RS232總線將高度值以ASCII碼的形式傳送給微處理器。
電機驅(qū)動模塊采用的是以THB7128作為驅(qū)動芯片，其特點是：低功耗、多種細分、高細分，且電機運行穩(wěn)定，無噪聲，不失步。采用兩片6N137高速光耦隔離輸入，在保護控制器的同時，更高的傳輸速率讓步進電機工作更加穩(wěn)定準確。在系統(tǒng)工作時，微處理器通過2個I/O與一路驅(qū)動電路相連，分別控制步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個著陸控制系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，使用C語言編寫。著陸控制系統(tǒng)軟件包括高度計和姿態(tài)模塊數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理和PID控制三個部分。
3.1 高度計的數(shù)據(jù)采集及處理
測距模塊程序設(shè)計可以分為以下幾個步驟，如圖3所示。
(1)系統(tǒng)初始化
上電后，對系統(tǒng)時鐘、I/O口、UART初始化配置。
(2)微處理器接收高度數(shù)據(jù)
單片機微處理器接收中斷程序，判斷是否接收到高度計發(fā)送數(shù)據(jù)的請求，如果接收到發(fā)送請求，則單片機進入到接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，存入預先設(shè)定好大小的數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
(3)數(shù)據(jù)解析
從數(shù)據(jù)緩存區(qū)提取5幀完整字符串類型的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化成浮點型數(shù)據(jù)，求出這5組數(shù)據(jù)的平均值，存入數(shù)組變量。
3.2 傾角計的數(shù)據(jù)采集及處理
ADXL345寄存器中存放的是X、Y、Z 3個方向的加速度值，微處理器通過SPI總線取出數(shù)據(jù)，計算得到X、Y方向的傾角值，軟件流程圖如圖4所示。
3.3 著陸控制系統(tǒng)主程序設(shè)計
著陸控制系統(tǒng)主程序的軟件流程圖如圖5所示。主程序?qū)⒉杉降母叨扔嫼蛢A角計數(shù)據(jù)進行解析、判斷、運算，結(jié)合PID算法，獲得電機控制量。
距離調(diào)平系統(tǒng)采用向平均值靠攏的方法，設(shè)H為各個支腿的高度值，i為支腿編號，j為測量序數(shù)，P、I、D分別為PID調(diào)節(jié)中的比例、積分和微分參數(shù)，M為電機控制量。通過4個支腿的高度值Hi（i=1，2，3，4），分別計算出誤差Hi：
角度調(diào)平系統(tǒng)采用位置誤差控制調(diào)平的方法。當整個設(shè)備坐底后，各個支腿承受較大的力，因此采用各支腿只升不降，其他支腿向最高點靠攏的方式，可以快速平穩(wěn)地完成系統(tǒng)的“微調(diào)”。
在如圖6所示的模型分析圖中，OX0Y0為水平坐標系，OXY為平臺坐標系[5，6]。其中，平臺長為La，寬為Lb，平臺與X、Y方向的傾角。首先根據(jù)?琢、?茁的大小判斷出最高的支腿；其次，設(shè)平臺的4個支點的坐標為（xi，yi，0）(i=1，2，3，4)，根據(jù)數(shù)學推算，得出各個支點的坐標為：
當平臺剛落地后，各個支點在OX0Y0中的縱坐標的初值：
根據(jù)式(7)，這里必有最高腿存在，同時假定i=h，且zi≤zh。那么動作過程中，各腿的高度差滿足：
4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論
在實驗室水池中搭建的試驗環(huán)境如圖7所示。在水池底部模擬一個高低不平的復雜海底環(huán)境，并將整個裝置通過滑輪吊到半空中，處于模擬海底的正上方；接通電源，通過滑輪將裝置緩緩下放；下放過程中，4個支腿將會通過水底的實際環(huán)境自動調(diào)節(jié)各個支腿的高度，進行“粗調(diào)”；當4個支腿到達底部時，傾角傳感器開始工作，進行 “微調(diào)”；當傾斜度小于閾值時，調(diào)平結(jié)束，著陸成功。圖7所示為調(diào)平過程中各個支腿的高度曲線。結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，能很好地在水下完成平穩(wěn)的著陸。
參考文獻
[1] ST Microelectronics.STM32F103xC STM32F103xD STM32-F103xE[Z].2008.
[2] 肖茜，陳慶.基于ADXL345的超低功耗傾角測量儀的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2014(16)：3923-3925.
[3] 徐鋒，張嫣華.數(shù)字控制系統(tǒng)的PID算法研究[J].機床電器，2008(6)：8-10.
[4] 王虎，彭如恕，尹泉.基于STM32嵌入式模糊PID步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].機械工程師，2014(11)：139-141.
[5] 何兵懷.多點調(diào)平系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學，2014.
[6] 何林立.大型重載平臺的自動調(diào)平系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學，2010.