AUV水下機器人運

動控制系統(tǒng)設(shè)計

中國海洋大學(xué)工程學(xué)院

機械電子±程研究生課程考核論文

?i

題目：AUV水下機器人運動控制系統(tǒng)研究報告

課程名稱：運動控制技術(shù)

名：______________________

學(xué)號：

院系：工程學(xué)院機電工程系

專業(yè)：機械電了工程

時間：2010-12-26

課程成績：______________

任課老師：譚俊哲

AUV水下機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：以主推加舵控制的小型自治水下機器人為研究對象，建立了水下機器人的數(shù)學(xué)模型

并進(jìn)行了分析。根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)的特點，對模型進(jìn)行了必要的簡化。設(shè)計了機器人的運動控

制系統(tǒng)。以成功研制的無纜自治水下機器人(AUV)為基礎(chǔ)，對其航行控制和定位控制方

法進(jìn)行了較詳細(xì)的分析.同時介紹了它的推進(jìn)器布置、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、推力分配等方法。

最后展示了它的運行實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：水下機器人；總體設(shè)計方案；運動控制系統(tǒng)；電機仿真

1引言

近年來國外水下機器人技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)水平較高。其中，具有彳味性的產(chǎn)品有：舞

VideoRay公司開發(fā)出的Scout、ExplorerPro等系列遙控式水下機器人，美國

Seabotix公司研發(fā)的LBV-ROV系列，英國AC-CESS公司的AC-ROV系列。

隨著海洋開發(fā)、探測的需求越來越強，水下機器人成為全世界研究的熱門課題C小型自

治水下機器人具有低成本、小型化、操作靈點成為ifi年來國內(nèi)外研究的熱點。自治《下搬以

(AutonomousUnderwaterVehicles,AUV)載體采用模塊化設(shè)計思想，可根據(jù)需要適當(dāng)增

減作業(yè)或傳感器模塊，載體采用魚雷狀流線外形，總叫勺2m,夕羥25

cm,基本模塊包括推進(jìn)器模塊、能源模塊、電子艙模塊、傳感器模塊以及GPS、無線電

通訊模塊，基本傳感器有姿態(tài)傳感器、高度計、深度計和視覺傳感器，支持光纖通訊，載體

可外掛聲學(xué)設(shè)備，通過光纖系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作可實現(xiàn)其半自主作業(yè)，也可在預(yù)編程指

令下實現(xiàn)自主作業(yè)。系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計如圖所示⑺。它具有開放式、模塊化

的體系結(jié)構(gòu)和多種控制方式(自主/半自主/遙控I自帶能源。這種小型水下機器人可在大范圍、

大深度和復(fù)雜海洋環(huán)境下進(jìn)行海洋科學(xué)研究和深海資源調(diào)查，具有更廣泛的應(yīng)用前景。在控制

系統(tǒng)的設(shè)計過程中充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操縱性?？刂破骶哂凶銐虻聂敯粜詠砜朔Ｕ`

差，以及水動力參數(shù)變化。

圖系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計

2機器人物理模型

2.1AUV物理模型

為了研究AUV的運動規(guī)律，確定運行過程中AUV的位置和姿態(tài)，需要建立AUV

的動力學(xué)模型。為了便于分析，建立適合于描述AUV運動的兩種參考坐標(biāo)系，即固

定坐標(biāo)系E4〃即運動坐標(biāo)系Oxyz，如圖2-1所示：包含5個推進(jìn)器，分別是腿部的2個

主推進(jìn)器、解部的1個垂向推進(jìn)器和腦部的2個垂句推進(jìn)器。左右對稱于縱中剖面，

上和下、前和后都不對稱⑵。

圖2-1AUV水下機器人物理模型

1.2微小型水下機器人動力學(xué)分析

微小型水下機潛人總長1.5m,采用鋰電池作為能源，尾部為一對水平舵和一對垂

直舵，單槳推進(jìn)，可攜帶慣導(dǎo)設(shè)備、探測聲納、水下攝像機、深度計等設(shè)備，設(shè)計巡航

速蹴2節(jié)。首先建立適合描述水下機器人空間運動的坐標(biāo)系，其定義如圖2-2所示，慣

性坐標(biāo)系為E-自有，運動坐標(biāo)系為o-xyzo

建立的坐標(biāo)系，如圖1所示。圖中：E-€HC一慣性坐標(biāo)系；Oxyz一載體坐標(biāo)系。

因為機器人在航行時速度不高（＜4節(jié)）可以對機器人模型進(jìn)行線性化及一些簡化。載

體坐標(biāo)系原點取于載體浮心處，在此坐標(biāo)系下，載體在三個方向上的受力及運動量表達(dá)為：

力：F=[X,*T力矩:M=[K,M,N]T速度：V=[U,V,W]T角速率:3=[p,q,r]T°

F

圖2-2慣性和載體坐標(biāo)系

在圖2-2定義的慣性坐標(biāo)系和運動坐標(biāo)系中，機器人的空間運動向量表達(dá)為:

nj-ExyZ]T；n2-[<bo+]TuJ

[uvw]T；u2=[pqr]T

式中：向量nl一機器人在慣性坐標(biāo)系中的位置；n2—其在慣性坐標(biāo)系中的姿態(tài);

6—橫滾角；0—俯仰角；”一航向角；U1一機器人在載體坐標(biāo)系中的線速度（VJ

2—其在載體坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動角速度（3）[3]o

2總體方案設(shè)計

2.1系統(tǒng)組成及工作原理

小型水下觀測機器人主要由人機交互平臺、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機四部分組成,

操作人員通過有線遙控，結(jié)合人機交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動上位系統(tǒng)控制面板上

相應(yīng)的運動控制按鈕即可實現(xiàn)對水下機器人的運動控制，操作簡單、實用。圖2?3為水下機

器人控制系統(tǒng)框圖：

圖2-3水下機器人控制系統(tǒng)框圖

2.2導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航是最常見和應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在工作時不依

賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受S阡擾破壞，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。但單獨使用腳隹

滿足水卜航行所需的導(dǎo)獅青度與定位要求，僅靠提高慣性傳感器的性觴袈高的導(dǎo)航、定位精度是非

常布?限的。組合導(dǎo)航系統(tǒng)融合不同獺的導(dǎo)航傳感器的信息，使它們優(yōu)勢互補，經(jīng)過卡爾曼濾波，

得出系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)估1-，以獲得比使用單一導(dǎo)航系統(tǒng)更高的性能和導(dǎo)航精度。采ffl磁羅盤和

深度計分別IJ捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)成的組合量測值作為卡爾曼濾波的量測值，既可以用精度高的子系

統(tǒng)的信息修正慣導(dǎo)誤差，又可以用慣導(dǎo)對動態(tài)響應(yīng)慢的子系統(tǒng)作未榴和校正，從而綜合娜各自優(yōu)

點。導(dǎo)航計算機在保證導(dǎo)航運算速度和精度的同時，還要具有豐富的外i殳接口，方便與外部多傳

感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[小

導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器包括慣性測量器件IMU（陀螺儀和加速度計）磁羅盤、深度計。

其中IMU通過三陀螺儀、三加速度計捷聯(lián)解算后獲得位置、速度、姿態(tài)共9維信息,

通過RS232串口與導(dǎo)航計算機相連。以NEMA0183格式傳輸信息到導(dǎo)航計算機。磁羅

盤可以獲取當(dāng)前載體三維姿態(tài)信息，通過RS232串口與導(dǎo)航計算機相連，以

NEMA0183格式傳輸信息到導(dǎo)航計算機。深度計為液壓變送器，通過膜片感應(yīng)內(nèi)外側(cè)

水壓差來確定水深，其輸出為4?20mA模擬電流信號，轉(zhuǎn)換為0?5V的電壓信號后

經(jīng)過16位ADC轉(zhuǎn)換模塊，串行傳送到導(dǎo)航計算機。如圖2-4所示。

單十年斤機的數(shù)粥米條模生

圖2-4組合導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2.3驅(qū)動方式的選用

幾乎所有的水下機器人都采用螺旋槳式推進(jìn)器。80%以上采用電機推進(jìn)器，其余

采用油壓電機推進(jìn)器。水下機器人要實現(xiàn)水下空間的六維（六自由度）運動，即三個平

移運動：推進(jìn)（Surge,沿x軸）升沉（Heave,沿z軸）橫移（Sway,沿），軸）和三個

回轉(zhuǎn)運動：轉(zhuǎn)首（Yaw,繞z軸）縱傾（Pitch,繞y軸）橫搖（Roll,繞x軸）為使水下機

器人在所有六維上的運動都是可控的，須適當(dāng)選用推進(jìn)器的數(shù)量和給予不同的布置。根據(jù)

本水下機器人的使用目的，不需要使用六維運動，只要三個自由度即可，即推進(jìn)、升沉利

轉(zhuǎn)首。我們選用了五個直流電機推進(jìn)器，分別布置在機器人本體的水平左右兩側(cè)和后部部垂直

處，左右推進(jìn)器完成推進(jìn)和轉(zhuǎn)首兩個動作，垂推進(jìn)器完成升沉動作。

2.4推力器的組成

推力港是由電機和螺旋槳組成的，水下機器人用的電機需要密封。密封主要有兩種

方式，一種是機械密封，另一種采用磁耦合器。機械密封相對而言比較簡單，但因密封

處要承受海水的壓力，其特性因摩擦力的增加而變壞。對電機來說，則表現(xiàn)為電機的空載電

流增大（有時會增大1-3倍）這樣的電機用于推力器，會使啟動電壓升高，從而加重推力

器非線性。為了改善這種情況可以采用充油電機，由于電機內(nèi)部充油，因而耐水壓的性能得

到極大的改善，而且電機因密封而引起的摩擦力要小得多，其空載電流的增加也很小，故可以忽

略不計。

采用磁耦合器就是利用電磁力傳遞扭矩，這樣減速器和螺旋槳之間沒有直接的機械聯(lián)

系。依據(jù)磁場傳遞扭矩，密封問題很容易解決，只要用非導(dǎo)磁材料將電機、減速器包圍起來

就解決了動密封難題。采用磁耦合器，推力器的效率略有下降，但性能基本上不受影響。電機

的轉(zhuǎn)速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速不一定完全匹配，為了得到較高的效率，需要采用減速器，有時為了減

小尺寸，采用高速電機（例5睬用10000轉(zhuǎn)/分以上的高速電機）這時也需要減速器。這樣

組成的推力器如圖2-5所示。

磁

耦

電機減速器合

器

圖2?6螺旋槳與推進(jìn)器示意圖

考慮帶定子的導(dǎo)管槳在無限寬廣的靜止流體域中工作的情況。設(shè)流體為理想且不可

壓縮。如圖2-6所示，建立固定于導(dǎo)管上的直角坐標(biāo)系O-xyz,以螺旋槳槳葉參考線與

槳軸交點為原點，x軸與槳軸中心線重合，指向槳的下游，y軸垂直向上，z軸方向

由右手法則確定。推進(jìn)器工作時，導(dǎo)管、定子與槳共同沿x軸負(fù)方向以勻速V0前

進(jìn)，同時槳葉繞x軸以等角速度Q旋轉(zhuǎn)⑼。

2.5能源供給方式的選用

其能源供給方式有兩種選擇：有纜方式或無纜方式，對于無纜水下機器人能源供給一般

在機器人艙體安裝蓄電池或是帶燃油發(fā)電機組，這就造成水下機器人本體體積龐大、超重，

此外蓄電池所儲存的能力有限，且受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響。根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境,

此機器人工作所要求的行走離不是很大，故設(shè)計時采用了有纜遠(yuǎn)程遙控方式，這樣既可減小

本體尺寸、重量，又保證了控制操作的有效性和可靠性，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不可預(yù)料的故障時可通過

纜線撤回安全區(qū)域，不至于丟失。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1水下機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

主要包含主處理器核心模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊和視頻切換模塊等，實現(xiàn)對

機器人推進(jìn)器的動力驅(qū)動、上下位機的通訊以及視頻圖像的切換等。

水下機器人本體的左右兩邊各安裝2個主推進(jìn)器，分別由2個直流電機通過聯(lián)動

軸與螺旋槳相連，實現(xiàn)水下機器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運動；垂直方向安裝有3

個垂推進(jìn)器，實現(xiàn)機器人上升、下沉運動。前變焦攝像機安裝有垂直方向一維云臺，避

免攝像死區(qū)。在機器人電子艙內(nèi)安裝有深度計、溫度計和數(shù)字式電子羅盤傳感器，滿足

實際作業(yè)環(huán)境需要，為檢修人員提供了豐富的作業(yè)環(huán)境信息。

根據(jù)功能需要，我們選擇了TI公司推出的MSP430系列的MSP430F149作為主

處理器，這是一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，

受到了廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。該控制器可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的

輻射小，可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運行環(huán)境[6]0利用

MSP430F149定時器B比較單元產(chǎn)生的6路PWM信號和5路方向信號，分別控制

主推進(jìn)器、垂推進(jìn)器、機械手、攝像機云臺電機速度和照明燈亮度；兩路串口實現(xiàn)了羅

盤數(shù)據(jù)的采集和上位系統(tǒng)的通訊；外部傳感器反饋的模擬信息通過ADC模塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)

化，使芯片豐富的外設(shè)資源得以充分利用。

總線型結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點都共享一個公共的物理通道(即總線)。具有延遲小、速度快、

易擴展、單個節(jié)點故障影響小的優(yōu)點。本系統(tǒng)即采用總線磐石撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用單片機作為控制

單元完成機器人控制系統(tǒng)中的各種控制任務(wù)(如傳感器控制、電機驅(qū)動器控制和通信模

塊控制等)。各功能單元直接掛接在CAN總線上，成為控制網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，從而構(gòu)

成多主機結(jié)構(gòu)，即每個節(jié)點均為一個主機，通過CAN通信協(xié)議協(xié)同完成控制任務(wù)。將

CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水下機器人中?？偩€上各節(jié)點完成不同的任務(wù)和功

能，它們大部分時間并行工作，必要時通過總線與其他節(jié)點進(jìn)行通信。如圖3-1所示。

CAN總線是一種多主總線，理論上任何一個節(jié)點都可以作為主節(jié)點。在控制系統(tǒng)中設(shè)置

與上位PC機相連的節(jié)點I為上位節(jié)點，其它節(jié)點為底層節(jié)點。PC機通過串口與節(jié)點I

上的CPU通信,CPU再與CAN收發(fā)器通信，實現(xiàn)信息在CAN總線上的發(fā)送與接收。節(jié)點

1與12個底層節(jié)點根據(jù)應(yīng)用的不同具有不同的功能，但它們都具有與CAN總線通信的

能力，上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

圖3?1CAN總線通信節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計框圖

CAN總線上各節(jié)點可采用Philips公司生產(chǎn)的單片機P87C591,除完成節(jié)點自身的

控制功能外，還實現(xiàn)了CAN通信接口。P87C591兼容80C51指令集，并成功地集成了

Philips公司的SJA1000CAN控制器，該嵌入式CAN控制器具有以下特點：

(1)完全符合CAN2.{)規(guī)范，控制CAN幀的接收和發(fā)送；

0CAN接口包含5個實現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器；

0CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個完整的CAN信息幀(擴展或標(biāo)準(zhǔn)幀)，通i

CPU啟動發(fā)送,信息就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內(nèi)核模塊；

(4)當(dāng)接收一個信息時，CAN內(nèi)核模塊將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)津炇?/p>

濾波器，通過該可編程濾波器，P87c591確認(rèn)接收需要的信息。圖3-2為以P87c591

為核心的CAN總線接口電路。P1.()、Pl.1分別對應(yīng)CAN的收(RxDC)和發(fā)(TxDC)

線。

P87C591

《AN配線

圖3-2CAN總線接口電路

CAN總線收發(fā)器選莊Philips公司的PCA82C250,以差分方式發(fā)送。引腳8與地之

間的電阻為斜率電阻，其取值決定了系統(tǒng)處于高速方式、斜率控制方式或待機方式。本系

統(tǒng)中PCA82C250工作于斜率方式，通過Rs對地連接的電阻對總線進(jìn)行斜率控制，

以控制射頻干擾。使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。通過高速光耦6N137將P87c591與CAN

總線收發(fā)器進(jìn)行光電隔離，以增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力?？偩€末端加124Q的

終端匹配電阻，以減少信號反射干擾⑹。

3.2水上控制箱控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計中，我們采用了常見的小型控制箱作為岸上控制平臺，其外形尺寸為372mm

X266mmX134mm,具有體積小，攜帶方便的特點。其內(nèi)部硬件模塊主要包含主處理

器核心模塊和液晶顯示模塊，完成上下位機間的通訊，視頻圖像、傳感器信息的顯示，

實現(xiàn)人機交互。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示。

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機特切懵.爆像八、

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9力推進(jìn)也

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圖3?3水上控制箱控制系統(tǒng)

在該控制系統(tǒng)中采用MSP430F135作為主處理器，充分應(yīng)用了其內(nèi)部集成的14路

12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和串口通訊模塊，操作人員只需通過設(shè)定控制面板上各按鍵、搖桿，

經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，將各模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)串口通訊模塊來實現(xiàn)控制箱對下位控制

系統(tǒng)各推進(jìn)器速度、方向的控制、照明燈的亮度調(diào)節(jié)以及攝像機云臺的運動設(shè)定。

3.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位系統(tǒng)程序主要完成系統(tǒng)上電初始化，控制面板各按鍵、搖桿信息的采集，液晶模

塊顯示，與下位系統(tǒng)的通訊等工作。它采用順序式結(jié)構(gòu)往復(fù)運行。運行過程中可以被中斷子程

序中斷，執(zhí)行完中斷子程序之后返回斷點處繼續(xù)執(zhí)行主程序。卜位系統(tǒng)程序主要完成電引感度、

方向設(shè)定，各傳感器信息的采集，與上位系統(tǒng)的通訊等工作。同上位系統(tǒng)一樣，也采用了順序結(jié)

構(gòu)往復(fù)運行。系統(tǒng)上電后，MSP430F149微處理器首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，包括時鐘配

置、I/O口的初始化、外設(shè)模塊的初始化等。初始化結(jié)束后，開中斷，處理器進(jìn)入串

口接收數(shù)據(jù)的判斷循環(huán)當(dāng)中口。程序流程圖如圖3-5所示。

圖3-5下位系統(tǒng)程序流程圖

4控制算法

4.1轉(zhuǎn)腦控制

選用正確的控制方法是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定控制的重要環(huán)節(jié)。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自

適應(yīng)控制、PID控制算法等都可以達(dá)到潛器穩(wěn)定運行的目的。具體的方法需根據(jù)不同

的載體結(jié)構(gòu)、不同的控制對象、不同的任務(wù)要求而確定。

53

圖4?1速度控制

經(jīng)用多普勒聲學(xué)測試原理可以獲得水下機器人相對于海底或流層的速度，對速度積

分后就可以得到行程，這就是多普勒計程儀的基本原理。速度閉環(huán)控制回路的結(jié)構(gòu)如圖4-1

所示。構(gòu)成航行速度閉環(huán)后可以較為精確地控制水下機器人在海底的航行速度。

我們采用分段線性PID控制算法，即根據(jù)潛器運行的速度不同采用不同的PID參

數(shù).離散后的PID控制算法為：

kzxd

PK=Kp#Ck+EKd-」

a=01(1)

潛器在不同的速度下可采用不同的控制參數(shù)值，經(jīng)過試驗即可確定Kp.Ki.Kd的

數(shù)值.在上式中，如果微分項采用(ek-ek-1)/T直接計算，由于采樣周期較短，因此

會產(chǎn)生較大的噪聲信號，進(jìn)而影響控制效果。為了避免這種情況的發(fā)生，可采用最小二

乘法對角速度進(jìn)行濾波平滑，然后再求出角速度測量值，這樣可獲得較好的控制效

果。

4.2深度(高度)和縱傾控制

深度(高度)和縱傾控制又稱為垂直面的控制。潛器在航行過程中，其高度或深

度的變化通常是在運動中實現(xiàn)的。一但要求的高度或深度有變化，則必然會引起縱傾角的

變化；而縱傾角的變化也常常引起高度或深度的變化。因此潛器在垂直面的控制實際上是一

個多輸入多輸出系統(tǒng)。

這里A0為給定矩陣，A為反饋矩陣，E為誤差矩陣，HO、P0分別為給定的高

度和縱傾角，H、P分別為采集的高度和縱傾角。將控制算法的矩陣解耦后，其輸出Pn

的計算方法如下：

AO=[H0PO]A=[HP]E=[ele2J=[H0-rttfiPO-P]

Pn-Pn-I=F#E+f(X)=[fif?]十f(X)

=fi(ei)+f2(e2)+f(x)

(2)

其中，fl和f2分別為el和e2的函數(shù)，f(x)為其它有關(guān)變量的函數(shù)。根據(jù)我們

以往的工作經(jīng)驗，采用自適應(yīng)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、PID控制算法等均能達(dá)

到相應(yīng)的控制要求，定深控制方法與定高控制方法相似，垂直控制量是?個力矩，它被用

來改變AUV的縱傾角。為了節(jié)省能源，垂直控制通常是在AUV的前進(jìn)中實現(xiàn)的，

即由縱傾角的改變而引起上升和下潛。

5電機系統(tǒng)仿真

5.1海洋水下機器人電動機的特點

海洋水下機器人申動機除具有不同的電氣性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)外.還必須具備耐海水

腐蝕性、耐水壓機械結(jié)構(gòu)以及可靠的密封結(jié)構(gòu)。海洋水下機器人的驅(qū)動方式分為電力傳動和

液力傳動，供電方式分為電纜供電和蓄電池（銀氫電池、銀鋅電池和燃料電池等），供電

電壓為幾十伏到幾千伏，功率為幾百瓦到一百多千瓦，交流異步電動機用于大功率液

力傳動，永磁鉉鐵硼直流電動機則用于小功率多臺電機電力傳動，近年來又在研制開

發(fā)無刷直流電動機，使之更適于充油式平衡壓力結(jié)構(gòu)。

中小型水下機器人大多用電動機直接連接螺旋槳?？梢杂弥绷麟姍C、交流電機。直流

電機成本低，調(diào)速、控制系統(tǒng)簡單，而交流電機需要逆變器把直流變成交流，成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。

尤其以電池組做動力源的水卜.機器人，都采用直流電機。無M直流電機是近幾年來隨著電子技術(shù)

的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型直流電機，其最大恃點是沒有換向器（整流子）和電刷組成的機

械接觸股勾。通常采用永磁體為轉(zhuǎn)子，沒有激磁損耗，沒有換向火花，沒有無線電干擾，運行可

靠，維護(hù)簡便。

無刷直流電機（BrushlessDCMotor,以下簡稱BLDC）是隨著電力電子技術(shù)及新型永

磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機。以其體積小、重量輕、效率高、慣量小

和控制精度高等優(yōu)點，同時還保留了普通直流電動機優(yōu)良的機械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控

制、數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域，隨著無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，要求控制系統(tǒng)

設(shè)計簡易、成本低廉、控制算法合理、開發(fā)周期短。建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真

模型，可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制

輸出；同時可以充分利用計算機仿真的優(yōu)越性，人為地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、加入不同的擾動和參

數(shù)變化，以便考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的動、靜態(tài)特性同。

5.2永磁無刷直流電機（BLDC）的數(shù)學(xué)模型

無刷直流電機由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器等組成，

其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流。BLDC氣隙磁

場感應(yīng)的反電動勢和相電流之間的關(guān)系，如圖5-1所示。由于BLDC的感應(yīng)電動勢為梯形

波，包含有較多的高次諧波，并且BLDC的電感為非線性，在分析和仿真BLDC控制

系統(tǒng)時，直接采用相變量法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置，采用分段線性表示感應(yīng)電動勢。

圖5-1A相反電動勢和電流波形

5.2.1電壓方程

BLDC三相定子電壓的平衡方程可用以下的狀態(tài)方程表示:

00一工工一

=耳

00k+4.Lb幾P十0b

,00凡%4

(3)

式中，ua,ub,uc為三相定子電壓(V);ea,eb,ec為三相定子的反電動勢(V)；ia,ib,ic

為三相定子相電流(A)：La,Lb,Lc為三相定子自感(H)；Lab,Lac,Lba,Lbc,Lca,Lcb為三

相定子繞組之間的互感(H)；Ra,Rb,Rc為三相定子繞組的相電阻；p為微分算子(d/dl)

由電機的結(jié)構(gòu)決定，在360。電角度內(nèi)，轉(zhuǎn)子的磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，并假

定三相繞組對稱，則有：La=Lb二Lc=L,Lab二La=Lba=Lbc=Lca=Lcb=M,Ra=Rb二Rc二R。由

于三相對稱的電機中,ia+ib+ic=O,以及Mib+Mic=-Mia,則式(3)可改寫為:

%]100

Ui-0R0S+

u00R

cJ」L

00

'L-MiQ.ea..

0L-M0Pib+eb

00L-Mi,e.

(4)

5.2.2轉(zhuǎn)矩方程

BLDC的電磁轉(zhuǎn)矩方程可表示

羽b+cjc)/㈤

⑸

其中，3為BLDC的角速度(rad/s)。BLDC的運動方程可表示為:

Te=7"BgJ挈

(6)

5.2.3等效電路

由BLDC的電壓方程，可以將其等效地表示為圖5-2所示的等效電路，BLDC的每

圖5-2永磁無刷直流電機等效電路圖

5.3STMatlabKBLDC系的釐

在Matlab7.0的Simulink環(huán)墻E不?用SimPowerSystemToolbox提供的豐富模塊庫，

在分析BLDC數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的方法，系統(tǒng)

設(shè)計框圖如圖5-3所示。BLDC建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：轉(zhuǎn)速環(huán)由PID調(diào)節(jié)器

構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。根據(jù)模塊化建模的思想，將圖3所示的控制系統(tǒng)分割

為各個功能獨立的子模塊。圖5-4艮兩BLDC建模的整體控制框圖，其中主要包括：

BLDCM本體模塊、速度控制模塊、參考電流模塊、電流滯環(huán)控制模塊、轉(zhuǎn)矩計算模塊

和電壓逆變器模塊。把這些功能模塊和S函數(shù)相結(jié)合，在Matlab/Simulink中搭建出

BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型，并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法，圖中各功能模塊的作用與結(jié)

構(gòu)簡述如下。

圖5-3BLDC控制系統(tǒng)設(shè)計框

Ducrete,

mod"

圖5-4Matlab/Simulink中BLDC仿真建模整體控制框

圖

5.3.1BLDCM本體模塊

在整個控制系統(tǒng)的仿真模型中，BLDCM本體模塊是最重要的部分，該模塊根據(jù)

BLDC電壓方程式求取BLDC三相相電流，結(jié)構(gòu)框圖如圖5-5所示。

由電壓方程式可得，要獲得三相電流信號ia、ib、ic,必需首先求得三相反電動勢

信號ea、eb、ec0而BLDC建模過程中，梯形波反電動勢的求取方法一直是較難解決

的問題，反電動勢波形不理想會造成轉(zhuǎn)矩脈動增大、相電流波形

不理想等問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致?lián)Q向失敗，電機失控。

圖5-5BLDCM本體模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝

因此，獲得理想的反電動勢波形是BLDC仿真建模的關(guān)鍵問題之一。目前求取反電動勢

較常用的三種方法為：(1)有限元法，應(yīng)用有限元法求得的反電動勢脈動小，精度高，但方法

復(fù)雜、專業(yè)性強、不易推廣。(2)傅立葉變換(FFT)法，F(xiàn)FT法應(yīng)用簡單，但需要進(jìn)行大量三角

函數(shù)值的計算，對仿真速度影響較大。(3)分段線性法，如圖5-6所示，將一個運行周期0-360°分為

6個階段，每60°為一個換向階段，每一相的每一個運行階段都可用一段直線進(jìn)行表示，根據(jù)某

一時刻的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號，確定該時刻各相所處的運行狀態(tài)，通過直線方程即可求得反電動

勢波形。分段線性法簡單易行，且精度較高，能夠較好的滿足建模仿真的設(shè)計要求。因而，本文

采用分段線性法建立梯形波反電動勢波形。理想情況下，二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的BLDC定子

三相反電動勢的波形如圖6所示。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將運行周期分為6個階段：0?n/3,冗/3?

2n/3,2冗/3~冗,冗~4冗/3,4n/3~5兀/3,5n/3~2冗。

以第一階段()?兀/3為例，A相反電動勢處于正向最大值Em,B相反電動勢處負(fù)向最大

值-Em,C相反電動勢處于換向階段，由正的最大值Em沿斜線規(guī)律變化到負(fù)的最大值?Em,

根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號就可以求出各相反電動勢變化軌跡的直線方程；其它5個階段，也是

如此。據(jù)此規(guī)律，可以推得轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系，如表1所示，從而采用分段線性

法，解決了在BLDC本體模塊中梯形波反電動勢的求取問題。

表1轉(zhuǎn)子位置和反電動勢之間的線性關(guān)系表

轉(zhuǎn)子位苴EaEbEc

0—n/3k"wP8”g6）+1）

ni3--2K/3-k*w

41

兀k*w?（（2*n/3Fosj/（x6：H-l）k*w-kw

冗~4山3-k*vrk*wk*w*（（Pcs句n/6）-l）

4n/3?5n73k*w*?：（4*n/S-?osy（山6〉+l）k*w

5H3?2nk*w

表1中k為反電動勢系數(shù)(V/(r/min))Pos為電角度信號(rad)w為轉(zhuǎn)速信號(rad/s)。根

據(jù)電機轉(zhuǎn)過的電角度來求反電動勢，用S函數(shù)編寫。

Em

?Pos

53.2電流滯環(huán)控制模塊

在這個仿真模塊中采用滯環(huán)控制原理來實現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，使得實際電流隨給定電流的

變化。圖5-7表示的是滯環(huán)型PWM逆變器的工作原理。其工作原理是：當(dāng)給定電流值

與反饋電流值的瞬時值之差達(dá)到滯環(huán)寬度正邊緣時，逆變器的開關(guān)管VT1導(dǎo)通，開關(guān)

管VT4關(guān)斷，電動機接通直流母線的正端，電流開始上升反之，當(dāng)給定電流值與反饋

電流值的瞬時值之差達(dá)到滯環(huán)寬度負(fù)邊緣時，逆變器的開關(guān)管VT1詢f,開關(guān)管VT4導(dǎo)通,

電動機接通直流母線的負(fù)端，電流開始下降。選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可使實際電流不

斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖5-8所示，輸入為三相

參考電流和三相實際電流，輸出為PWM逆變器控制信號。

(a)滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器單項結(jié)構(gòu)示意圖

(b)滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器輸出電流電壓波

形圖5-7滯環(huán)電流跟蹤型PWM逆變器的工作原

理

圖5-8電流滯環(huán)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝

533速度控制模塊

速度調(diào)節(jié)采用離散PID算法，以獲得最佳的動態(tài)效果。速度為積分的參數(shù)Kd為微

分的參數(shù)。控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單，如圖5-9所示，單輸入；參考轉(zhuǎn)速(n_rcf)和實際

轉(zhuǎn)速(n)的差值，單輸出：三相參考相電流的幅值1s。其中，Kp為P1D控制器中比例的

參數(shù)，Ki為積分的參數(shù)，Kd為微分的參數(shù)。Saturation飽和限幅模塊將輸出的三相

參考相電流的幅值限定在要求范闈內(nèi)。

(b)速度控制模塊

圖5-9速度控制模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封

萄

5.3.4參考電流模塊

參考電流模塊的作用是根據(jù)電流幅值信號Is和位置信號給出三相參考電流，輸出

的三相參考電流直接輸入電流滯環(huán)控制模塊，用于與實際電流比較進(jìn)行電流滯環(huán)控制。

轉(zhuǎn)子位置和三相參考電流之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所示，參考電流模塊的這一功能可通過

S函數(shù)編程實現(xiàn)。

表2軌子位置和三相參考電流之間的對應(yīng)X系表

轉(zhuǎn)子位置I_arI_brI_cr

。?K/3Is-Is0

R3?2E3Is0-Is

2n>3?兀0k-Is

兀?4n/3-IsIs0

4n/3-5n/3-Is0L,

0-IsIs

5.3.5轉(zhuǎn)矩計算模塊

根據(jù)BLDC數(shù)學(xué)模型中的電磁轉(zhuǎn)矩方程式，可以建立圖5-10所示的轉(zhuǎn)矩計算模塊,

模塊輸入為三相相電流與三相反電動勢，通過加、乘模塊即可求得電磁轉(zhuǎn)矩信號Teo

□OSQ昌IX電亳■|10.0|Nor.al~3

圖5-10轉(zhuǎn)矩計算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝

5.3.6轉(zhuǎn)速計算模塊

根據(jù)運動方程式(4),由電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及摩擦轉(zhuǎn)矩，通過加乘、積分環(huán)節(jié),

即可得到轉(zhuǎn)速信號，求得的轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過積分就可得到包機位置信號，如圖5-11所示。

zhuansu

圖5-11轉(zhuǎn)速計算模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝

5.3.7電壓逆變器模塊

逆變器對BLDC來說，首先是功率變換裝置，也就是電子換向器，每一個橋臂

上的一個功率器件相當(dāng)于直流電動機的一個機械換向器，還同時兼有PWM電流調(diào)節(jié)器

功能。對逆變器的建模，本文采用Simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相

全橋IGBT模塊。給IGBT的A舊、C三相加三個電壓表，輸出的Simulink信號可以與

BLDC直接連接，如圖5-12所示。逆變器根據(jù)電流控制模塊所控制PWM信號，順序

導(dǎo)通和關(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。

)LiQOXffe?nQi?■|10.0Normal二J里第［

圖5-12電壓逆變器模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝

5.4仿真結(jié)果

基于Matlab/Simulink建立了BLDC控制系統(tǒng)的仿真模型并對該模型進(jìn)行了BLDC

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。仿真中，BLDC電機參數(shù)設(shè)置為：定了?相繞組電阻R=1C,

定子相繞組自感L=0.02L,互感M=-0.061H,轉(zhuǎn)動慣量J=0.005kg.m2,阻尼系數(shù)

B=0.0002N?m?s/rad,額定轉(zhuǎn)速n=1000r/min,極對數(shù)p=l,220V直流電源供電。

離散PID控制器三個參數(shù)Kp=5,Ki=0.01,Kd=0.001,飽和限幅模塊幅值限定在±35

內(nèi)，采樣周期T=0.001So為了驗證所設(shè)計的BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的靜、動態(tài)性能，

系統(tǒng)空載起動，待進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.3s時突然加負(fù)載TL=5N-m,在t=0.65s時突

然撤去負(fù)載?？傻玫较到y(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、三相電流和三相反電動勢仿真曲線如圖5-13?

5-16所示。

由仿真波形可以看出，在n=1000r/min的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)，相

電流和反電動勢波形較為理想。仿真波形圖5-14、5-15表明：起動階段系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)矩

恒定，因而沒有造成較大的轉(zhuǎn)矩和相電流沖擊，參考電流的限幅作用十分有效；空載穩(wěn)速運

行時，忽略系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，因而此時的電磁轉(zhuǎn)矩均值為零；在t=0.5s時突加負(fù)載，轉(zhuǎn)速發(fā)

生突降，但乂能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差。仿真波形圖5-14中，突加負(fù)載后,

負(fù)載轉(zhuǎn)矩有較大的脈動，這主要是由電流換向和電流滯環(huán)控制器的頻繁切換造成的。木系統(tǒng)

經(jīng)過硬件試驗，其結(jié)果與仿真波形一致，證明了本文所提出的這種新型BLDC仿真建模方法

的有效性及控制系統(tǒng)的合理性。

圖5-13轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖5?14轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

020406081

101----------r-----------------1-------------------

Q用跳刪冊?

?lol____1_?-_L__________

。：20406OJB1

.101_________1___________

0020406OS

時阿Vs

圖5-16反電動勢Ea,Ea,Ea波形

6結(jié)論

本文在超小型水下機器人的設(shè)計、算法及實驗等方面進(jìn)行了相關(guān)論述，初步建立了超

小型水下機器人基礎(chǔ)智能控制實驗平臺。利用自適應(yīng)PID控制算法在超小型水下機器人

航向角鎖定方面進(jìn)行了理論及實驗分析。本研究也為自行設(shè)計開發(fā)新型超小型水下機器人

提供了實驗平臺且積累了相關(guān)經(jīng)驗。介紹的小型自治水下機器人以單主推和舵組合的方式操縱

航行，可實現(xiàn)自主定深定向航行?；诤喕Ｐ驮O(shè)計了航行控制系統(tǒng)，立了開架式水下機器人

潁里模型及數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型簡化。對推進(jìn)器利命步亍了仿真計算分析。

參考文獻(xiàn)

L1J.吳寶舉，李碩，李一平，王曉輝。小型自治水下機器人運動控制系統(tǒng)研究[J]機

械設(shè)計與簾超。2010,6：158-16()

[2].楊曉華，侯巍，王樹新，梁捷，劉頡?；贑AN總線的水下機器人執(zhí)行節(jié)點

設(shè)計與實現(xiàn)與]海洋技術(shù)。2005,24(4)15-16

[3].馮常，竇普，陳樹才。小型水下觀測機器人設(shè)計與控制的研究[J],計算機測量與控

制。2009,17(4)672-678

[41.以，加泯，秦再白微小型水下機器人操縱性能與運動仿真研究[J],系統(tǒng)仿真

學(xué)報。2009,21(13)4149-4158.

[51.袁偉杰，劉貴杰，朱紹鋒?；谶z傳算法的自治水下機器人水動力參數(shù)辨識方

法[J],機械工程學(xué)報。2010,46(11)97-100.

[6].嚴(yán)龍，蘇永清?；贒SP的水下機器人組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計[J],工業(yè)控制計算機。

2010,23(4)：11-13

[7].蔡昊鵬，蘇玉民。水下航行體推進(jìn)器設(shè)計方法哈爾賓視客組網(wǎng)2010,

31(4J429-469.

[8].邢逾，李偉力，程鵬。永磁無刷直流電動機時步有限元與Matlab協(xié)同仿真計

算[J],微電機。2907,40(1)：40-44

2015年水下玻纖套筒加固橋梁墩柱成功項目案例

水下玻纖套筒加固系統(tǒng)(又稱“夾克法”),主要應(yīng)用于對各種腐

蝕、沖刷、混凝土脫落、鋼筋露筋等病害的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)碼頭樁基和橋墩

柱(包括混凝土樁、鋼樁和木樁)等修復(fù)和加固防護(hù)，以及對新建墩柱

的預(yù)先防護(hù)。

自20世紀(jì)70年代以來，此技術(shù)在世界范圍內(nèi)已修復(fù)了成千上

萬個橋墩，實踐證實了水下玻纖套筒加固系統(tǒng)是一種經(jīng)濟、高效和長期

維護(hù)的解決方案。該系統(tǒng)配套的材料有：玻璃纖維套筒、玻璃纖維套筒、

水