水下機器人運動控制仿真研究.pdf

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1、第３期（總第２０２期）機械工程與自動化No．３２０１７年６月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONJun．文章編號：１６７２‐６４１３（２０１７）０３‐００３３‐０３水下機器人運動控制仿真研究蔡衛(wèi)國，李進，胡畔，皮俊鑫（大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧大連１１６０２３）摘要：設計了一種水下機器人，它由防水基體、螺旋槳推進器和伺服電機組成。姿態(tài)傳感器用于采集水下運動的姿態(tài)信息，通過單片機控制系統(tǒng)，采用PID算法調節(jié)螺旋槳推進器的角度，完成水下機器人的前進、后退、升降、轉

2、向等動作，采用Arduino微控制器平臺對直流電機速度、伺服電機位置進行控制。仿真實驗結果表明：該控制器可以有效地對直流電動機轉速、伺服電機位置進行控制。關鍵詞：水下機器人；運動姿態(tài)；微控制器中圖分類號：TP２４２暢６文獻標識碼：A0引言的角加速度，MEMS加速度計測量三軸加速度，此外近年來，隨著計算機技術的發(fā)展和水下作業(yè)環(huán)境傳感器還有一個數(shù)字運動處理器DMP（DigitalMo‐的需求，水下機器人應運而生，主要用于海底探測與施tionProcessor），其接口可以與其他傳感器連接，用來工、數(shù)據(jù)

3、收集、海上救援、水下設備檢查與維修等工測量運動信息。選用ATmega１６單片機，此單片機擁［１－３］作。水下機器人一般可以分為兩大類：一類是有有１６kB的Flash內存，內置資源豐富、功能強大，涉［７］纜水下機器人，通常稱為遙控潛水器；另一類是無纜水及AVR芯片的所有功能。下機器人，通常稱為自治潛水器，它可按規(guī)劃的航線自航執(zhí)行任務。水下機器人技術的發(fā)展為捕撈技術和裝備的革新帶來了機遇，高效、自動化程度高的水下機器人必將成為未來捕撈裝備的主體，因此，有著廣泛的應［４－６］用前景和巨大的市場需求。本文

4、設計了一種無纜水下機器人，采用Arduino微控制器平臺對直流電機速度、伺服電機位置進行控制，并進行了仿真實驗。1機器人結構設計１－防水基質；２－X軸動力裝置；３－Z軸動力裝置；４－Y軸動力裝置如圖１所示，水下機器人由防水基體、螺旋推進器圖１機器人結構方案和伺服電機組成。防水基體中放置單片機模塊、控制２．２軟件開發(fā)平臺電路和伺服電機，保護它們免受海水侵蝕。三套動力選擇Arduino微控制器平臺，該平臺具有開放性裝置分別由伺服電機和螺旋槳推進器組成，伺服電機源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)可以根據(jù)需要修

5、改參控制螺旋槳推進器方向，螺旋槳推進器為水下機器人數(shù)。Arduino采用USB接口供電，不需外接電源，易提供動力。每套動力裝置分別控制軸向移動和轉動兩用性極高，可以簡化Arduino模組，完成獨立運作的微個自由度。X軸動力裝置控制機器人沿X軸方向移處理控制。動和繞Z軸方向轉動，Y軸動力裝置控制機器人沿Y3仿真實驗軸方向移動和繞X軸方向轉動，Z軸動力裝置控制機選用Proteus仿真軟件進行仿真實驗，用C語言器人沿Z軸方向移動和繞Y軸方向轉動。編寫單片機與各電子元件之間的控制程序。傳感器傳2水下機器人

6、控制系統(tǒng)設計輸數(shù)據(jù)時考慮外部環(huán)境干擾，使用卡曼濾波來處理數(shù)２．１硬件選擇據(jù)，使輸出數(shù)據(jù)更接近真實值。電源采用蓄電池，密封在防水基質內，因此，螺旋３．１直流電機速度控制實驗槳推進器選用直流電動機，伺服電機選用直流伺服電直流電機運行時，其驅動模塊為L２９８N，若引腳機。姿態(tài)傳感器選用MPU‐６０５０，可以測試X、Y、Z三ENA的電平數(shù)字為０，直流電機將會減速停止。在引軸的角加速度和加速度，其中MEMS陀螺儀測量三軸腳ENA高電平持續(xù)的時間越長、低電平持續(xù)的時間遼寧省教育廳科學研究項目（L２０１４２７５

7、）收稿日期：２０１７‐０３‐０１；修訂日期：２０１７‐０３‐１１作者簡介：蔡衛(wèi)國（１９７０‐），男，蒙古族，內蒙古赤峰人，副教授，在讀博士研究生，研究方向：機電一體化、機械系統(tǒng)虛擬仿真?！ぃ常础C械工程與自動化２０１７年第３期越短時，直流電機的轉速將會加快，直接向ENA提供０，伺服電動機靜止。高電平時，直流電動機的轉速將會達到最大值。因此，如圖６所示，當K０閉合、K１打開時，數(shù)碼管顯示改變高電平與低電平的比值，即可影響直流電機的轉發(fā)生變化，伺服電動機順時針轉動。速。使用T／C的PWM來控制直流電動

8、機的轉速。如圖２所示，K０鍵為加速鍵，K１鍵為減速鍵，當K０鍵、K１鍵打開時，電樞電壓的波形圖如圖２所示。如圖３所示，當K０鍵閉合、K１鍵打開時，電樞電壓波形占空比變大，說明電機轉速增加。圖５伺服電動機角度控制仿真實驗電路圖圖２K０鍵、K１鍵打開時電樞電壓波形圖圖３K０加速鍵閉合時電樞電壓的波形圖如圖４所示，當K０鍵打開，K１鍵閉合時，電樞電壓波形圖占空比減小，說明電機轉速減小。圖６K０閉合、K１打開時數(shù)碼管顯示結果如圖７所示，當K０打開，K１閉合時，數(shù)碼管顯示數(shù)字減小，伺服電動機