0 引言

　　深海裝備開(kāi)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(guó)防安全、海洋科學(xué)調(diào)查、海洋資源勘探、水下工程等多個(gè)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(shí)際需求，針對(duì)需要在海底復(fù)雜地形下平穩(wěn)著陸，保持水平姿態(tài)進(jìn)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(shí)現(xiàn)該技術(shù)的原理樣機(jī)。該樣機(jī)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(guó)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(jī)制，并通過(guò)自適應(yīng)控制理論設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種水下四足著陸算法，在實(shí)驗(yàn)室水池中實(shí)現(xiàn)了原理樣機(jī)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(shí)時(shí)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(jìn)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(tái)兩個(gè)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(jìn)行水下作業(yè)。當(dāng)整個(gè)裝備離底10 m時(shí)，著陸控制中的距離調(diào)平系統(tǒng)被觸發(fā)，4個(gè)安裝在支腿底部的距離傳感器開(kāi)始測(cè)距，并通過(guò)RS-232總線將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊。主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算后，輸出PWM信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整各個(gè)支腿的長(zhǎng)度，完成第一次調(diào)平工作。隨著整個(gè)裝備的繼續(xù)下降，當(dāng)離底距離小于0.5 m時(shí)，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(tái)中央的角度傳感器將實(shí)時(shí)的水平X、Y兩個(gè)方向的角度通過(guò)I2C總線傳送給主控模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)融合解算，反復(fù)調(diào)節(jié)各個(gè)支腿的伸縮長(zhǎng)度，使整個(gè)裝備盡可能地水平著陸在指定的海底。當(dāng)X、Y的角度同時(shí)小于1°時(shí)，角度調(diào)平系統(tǒng)暫停工作，從而完成整個(gè)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(jī)構(gòu)平穩(wěn)、可靠地進(jìn)行水下作業(yè)(如鉆機(jī)鉆具下行、CPT探針下行、ROV或HOV機(jī)械手取樣等)提供一系列的保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包含主控模塊、傳感器模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，如圖2所示。

　　本系統(tǒng)選擇意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6作為控制模塊處理器，其工作頻率高達(dá)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(gè)16位定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)輸入捕獲、PWM輸出等功能，另外芯片內(nèi)部集成2個(gè)SPI外設(shè)接口、2個(gè)I2C接口、5個(gè)U(S)ART等外設(shè)，完全能滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)ADXL345，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點(diǎn)；具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能；最大量程可達(dá)±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(cè)得0.25°的傾角變化。在系統(tǒng)工作時(shí)，微處理器通過(guò)SPI總線訪問(wèn)ADXL345的寄存器中的X、Y、Z的值，經(jīng)過(guò)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(jì)，其工作頻率為500 kHz，測(cè)量范圍0.5 m～50 m，分辨率達(dá)到1 mm，完全符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。其通過(guò)RS232總線將高度值以ASCII碼的形式傳送給微處理器。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是以THB7128作為驅(qū)動(dòng)芯片，其特點(diǎn)是：低功耗、多種細(xì)分、高細(xì)分，且電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)噪聲，不失步。采用兩片6N137高速光耦隔離輸入，在保護(hù)控制器的同時(shí)，更高的傳輸速率讓步進(jìn)電機(jī)工作更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。在系統(tǒng)工作時(shí)，微處理器通過(guò)2個(gè)I/O與一路驅(qū)動(dòng)電路相連，分別控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)著陸控制系統(tǒng)以STM32微處理器為控制核心，使用C語(yǔ)言編寫。著陸控制系統(tǒng)軟件包括高度計(jì)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(gè)部分。

　　3.1 高度計(jì)的數(shù)據(jù)采集及處理

　　測(cè)距模塊程序設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)步驟，如圖3所示。

　　(1)系統(tǒng)初始化

　　上電后，對(duì)系統(tǒng)時(shí)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(jī)微處理器接收中斷程序，判斷是否接收到高度計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，如果接收到發(fā)送請(qǐng)求，則單片機(jī)進(jìn)入到接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，存入預(yù)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(diǎn)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(jì)的數(shù)據(jù)采集及處理

　　ADXL345寄存器中存放的是X、Y、Z 3個(gè)方向的加速度值，微處理器通過(guò)SPI總線取出數(shù)據(jù)，計(jì)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(jì)

　　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?jì)和傾角計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、判斷、運(yùn)算，結(jié)合PID算法，獲得電機(jī)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(gè)支腿的高度值，i為支腿編號(hào)，j為測(cè)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(jī)控制量。通過(guò)4個(gè)支腿的高度值Hi（i=1，2，3，4），分別計(jì)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(dāng)整個(gè)設(shè)備坐底后，各個(gè)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(diǎn)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(biāo)系，OXY為平臺(tái)坐標(biāo)系[5，6]。其中，平臺(tái)長(zhǎng)為L(zhǎng)a，寬為L(zhǎng)b，平臺(tái)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(tái)的4個(gè)支點(diǎn)的坐標(biāo)為（xi，yi，0）(i=1，2，3，4)，根據(jù)數(shù)學(xué)推算，得出各個(gè)支點(diǎn)的坐標(biāo)為：

　　當(dāng)平臺(tái)剛落地后，各個(gè)支點(diǎn)在OX0Y0中的縱坐標(biāo)的初值：

　　根據(jù)式(7)，這里必有最高腿存在，同時(shí)假定i=h，且zi≤zh。那么動(dòng)作過(guò)程中，各腿的高度差滿足：

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

　　在實(shí)驗(yàn)室水池中搭建的試驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。在水池底部模擬一個(gè)高低不平的復(fù)雜海底環(huán)境，并將整個(gè)裝置通過(guò)滑輪吊到半空中，處于模擬海底的正上方；接通電源，通過(guò)滑輪將裝置緩緩下放；下放過(guò)程中，4個(gè)支腿將會(huì)通過(guò)水底的實(shí)際環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)支腿的高度，進(jìn)行“粗調(diào)”；當(dāng)4個(gè)支腿到達(dá)底部時(shí)，傾角傳感器開(kāi)始工作，進(jìn)行 “微調(diào)”；當(dāng)傾斜度小于閾值時(shí)，調(diào)平結(jié)束，著陸成功。圖7所示為調(diào)平過(guò)程中各個(gè)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(xiàn)

　　[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(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)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(jī)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2014(11)：139-141.

　　[5] 何兵懷.多點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

　　[6] 何林立.大型重載平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué)，2010.