分布式数字舵机在ROV运动控制系统中的应用

分布式数字舵机在ROV运动控制系统中的应用

查,智

中国船舶集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003

摘要：传统的ROV（带缆水下机器人）采用集中控制方式，ROV的所有信号采集和设备控制均由中央控制单元完成。该方式存在以下几个问题：执行机构抗干扰性能差；控制系统软、硬件设计复杂；系统可靠性低。采用分布式数字舵机，通过CAN总线与控制系统进行组网，简化了控制系统的软、硬件设计，提高了系统的可靠性和实时性。本文介绍了分布式数字舵机设计，舵机CAN通信组网设计，深度控制算法设计。通过湖上试验表明，基于分布式数字舵机的ROV高速航行时姿态稳定、深度保持效果好，可有效克服尾部电缆对ROV载体的扰动。该设计对ROV的工程化设计具有较大参考价值。

关键词： ROV；中央控制单元；分布式数字舵机；CAN通信

0、引 言

ROV（带缆水下机器人）控制的难点在于怎样将尾部脐带电缆对ROV运动控制的干扰降到最小，特别是在海洋环境中，由于海流方向和流速的不断变化，尾部电缆对潜航体的尾部拉力的大小和方向也在不停变化，给潜航体的姿态控制、深度控制、航向控制都带来较大难度。为了解决这些问题，在ROV尾部安装一套水平舵机，与ROV左右垂向电机配合可有效保证深度控制效果，同时兼顾ROV的姿态控制。水平舵机控制器采用单片机加外围扩展电路设计方式，采用CAN通信与中央控制器进行通信，中央控制单元将计算出的舵角发送给舵机，舵机根据接收到的舵角进行动作，同时将舵机的状态信息发送给中央控制单元。采用分布式数字舵机能够简化ROV控制系统软、硬件设计工作，提高系统可靠性，并能改善ROV高速航行时深度控制效果，同时保证ROV航行时载体姿态平稳。

1、分布式数字舵机设计

传统ROV的模拟舵机由中央控制单元统一进行控制，中央控制单元要同时兼顾舵机的信号采集和控制，导致舵机控制的实时性不能得到保证；而且舵机与中央控制单元的距离较远，舵机的模拟信号在传输时容易受到ROV内部电磁环境的干扰。分布式数字舵机自带CPU模块和各种扩展电路，信号采集和舵角控制均由自身完成，舵机电路安装在一个独立的屏蔽箱体内部，舵机控制器采用CAN总线与中央控制单元通信，设备抗干扰能力强，控制系统软、硬件设计较为简化。舵机控制器部分电路如1、图2所示。

图1  A/D采集电路原理图

图2 舵机控制电路原理图

2、分布式数字舵机的CAN通信组网设计

ROV中传感器众多，各传感器设备与中央控制单元之间多采用CAN或串口进行信息交互；如左右水平推进电机、左右垂向推进电机、水平舵机通过CAN总线与中央控制单元通信；惯性导航装置、北斗接收装置、上下位机通信采用RS232/422进行通信。其中，CAN总线通信组网拓扑图如图3所示。

图3CAN总线通信组网拓扑图

在CAN通信中，采用主从工作模式，从节点只有在收到合法的控制指令时，才向主节点发送信息。其中，舵机的通信协议如下。

采用CAN2.0B数据格式。

默认ID号：0x0713（低11位），其中低3位可通过硬件设置。

默认波特率：50kbps。

数据帧的标识码为舵机控制器的节点地址。

（1）操舵命令

操舵命令的正文为5字节，第一个字节为0xAA，为操舵标示字节；第二个字节的低两位为舵机给定字节的高两位，其它为填0；第三个字节为舵机给定角度字节的低8位；第4、5字节为预留字节，都为0。

其中0x0—0x03FF对应角度-51.2—+51.2度。合法目标角度为-30度—+30度，对应操舵帧字节2（字节4）、字节3（字节4）范围为：0x00D4(-30)—0x032C(+30)。指令中目标角度小于-30度时按-30度处理，目标角度大于+30度时，以+30度处理。

舵机接收到操舵指令后，按照操舵命令帧进行操舵动作，并在20ms内向上级控制器反馈当前舵机状态。若上次操舵指令未完成就接收到新的操舵指令，则立即执行新的操舵指令。

（2）状态反馈

第一个字节为反馈标识，0x11；第二个字节的低两位为舵机角度反馈的高两位，其它位为0；第三个字节为舵机角度反馈的低8位；第4、5字节为空，填0；第6字节为舵机故障状态。

其中10位实际角度0x0—0x03FF对应角度-51.2—+51.2度。字节6、字节7中各故障位0为正常，1为故障。

舵机CAN通信的部分代码如下：

/**********CAN初始化*********/

CSD_Open(baseaddr);         /*CSD open*/

CSD_CanConfig(can1addr,can2addr,can1irq,can2irq,1);    /* CSD can config */

if(CSD_Install(1,can1addr,Can1IRQ,CallBackCan1Fun)==0)

{

cprintf("Can1 install error!");

CSD_Close();

return;

}

can_portstruct.filter=SINGLE;

can_portstruct.lis_on=LOFF;

can_portstruct.test=TOFF;

can_portstruct.sleep=SOFF;

can_portstruct.code1=0x0;

can_portstruct.code2=0x0;

can_portstruct.code3=0x0;

can_portstruct.code4=0x0;

can_portstruct.mask1=0xff;

can_portstruct.mask2=0xff;

can_portstruct.mask3=0xff;

can_portstruct.mask4=0xff;

CSD_CanConfigPort(1,&can_portstruct);        /*Can port config*/

CSD_CanEnableIntRcv(1);

CSD_CanClearRxBuffer(1);

/**********CAN数据发送*********/

for(；；)

{

if((send_flag ==1) && (send_flag 1==1))   /*send message*/

{

Sendflag1=0;

can_txmsg.f_pattern=E;

can_txmsg.f_type=D;

can_txmsg.byte_len=FIVE;

can_txmsg.id1=0x07;

can_txmsg.id2=0x13;

can_txmsg.id3=0x00;

can_txmsg.id4=0x00;

can_txmsg.data[0]=0xaa;

can_txmsg.data[1]=rud_angle;

can_txmsg.data[2]=0;

can_txmsg.data[3]=0;

can_txmsg.data[4]=0;

CSD_CanSendMsg(1,&can_txmsg);

}

}

3、深度控制算法设计

深度控制采用双闭环控制，内环俯仰角控制，外环深度控制，在控制深度的同时，控制俯仰角的变化。控制原理框图如图4所示。深度控制器根据给定的航行深度Zs，与深度传感器测得的载体实际航行深度ZT进行比较，结合垂向速度Vz，计算得到一个设定俯仰角，俯仰角控制器根据设定俯仰角与实际俯仰角度θT 、俯仰角加速度ωy信息，给出舵机操舵指令，艉水平舵机控制系统带动艉水平舵转动δe艉，从而操纵载体作俯仰运动，载体向设定深度运动。惯性导航系统和深度传感器检测实际俯仰角度、俯仰角加速度和深度信息反馈给深度控制器和俯仰角控制器，形成闭环控制。

图4 深度控制原理框图

4、试验效果

ROV的深度保持采用水平舵机和垂向推进电机结合的控制方式，在湖上对ROV的运动控制性能进行实航验证，图5为3节航速下的深度保持曲线图，图6为6节航速下的深度保持曲线图，图7为3节航速下深度保持时的载体俯仰姿态曲线变化图。

图5 3节航速下的深度保持曲线图（横坐标：秒，纵坐标：米）

图6 6节航速下的深度保持曲线图（横坐标：秒，纵坐标：米）

图7 3节航速下深度保持时的载体俯仰姿态曲线图（横坐标：秒，纵坐标：度）

通过湖上试验验证表明：采用水平舵机和垂向推进电机结合的方式，ROV深度控制效果良好，且ROV载体姿态稳定。

5、小结

采用CAN总线组网通信的分布式数字舵机简化了控制系统软、硬件设计，提升了系统的模块化程度，提高了ROV的可靠性和控制实时性。采用水平舵机与垂向推进电机结合的方式控制ROV垂向运动，可以有效的克服ROV脐带电缆在水流作用下带来的强烈扰动，可同时保证ROV低速航行和高速航行时的深度控制精度和载体姿态稳定性，解决了脐带电缆扰动造成ROV高速航行姿态不稳定的难题。该设计对ROV的工程设计有重要参考价值。

参考文献：

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[3] 陈江．AUV垂直面运动控制过程中自抗扰方法研究[D]．哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2012．

[4] 王小平．X舵A1Ⅳ控制分配优化与容错控制方法研究[D]．哈尔滨: 哈尔滨工程大学，2020．

[5] 张瀚文，王俊雄．基于自适应反步滑模的AUV推进器容错控制[J]．水下无人系统学报，2021，29(43):420-427．

查智（1981—），男，高级工程师，主要从事水下机器人智能控制研究，28633490@qq.com,18995902966

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