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(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(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算后，輸出PWM信號給電機(jī)驅(qū)動模塊,，從而通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動調(diào)整各個(gè)支腿的長度,，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I2C總線傳送給主控模塊,，通過數(shù)據(jù)融合解算,，反復(fù)調(diào)節(jié)各個(gè)支腿的伸縮長度，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,，該分辨率可測得0.25°的傾角變化。在系統(tǒng)工作時(shí),，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(jì),，其工作頻率為500 kHz,，測量范圍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)動模塊采用的是以THB7128作為驅(qū)動芯片,，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2個(gè)I/O與一路驅(qū)動電路相連,，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)的請求，如果接收到發(fā)送請求,，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,，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(jī)控制量,。通過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為平臺坐標(biāo)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(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(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(gè)支腿將會通過水底的實(shí)際環(huán)境自動調(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的超低功耗傾角測量儀的設(shè)計(jì)[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(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.大型重載平臺的自動調(diào)平系統(tǒng)研究[D].太原：中北大學(xué),，2010.