水下机器人运动控制仿真研究.pdf

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1、第３期（总第２０２期）机械工程与自动化No．３２０１７年６月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONJun．文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０３‐００３３‐０３水下机器人运动控制仿真研究蔡卫国，李进，胡畔，皮俊鑫（大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁大连１１６０２３）摘要：设计了一种水下机器人，它由防水基体、螺旋桨推进器和伺服电机组成。姿态传感器用于采集水下运动的姿态信息，通过单片机控制系统，采用PID算法调节螺旋桨推进器的角度，完成水下机器人的前进、后退、升降、转

2、向等动作，采用Arduino微控制器平台对直流电机速度、伺服电机位置进行控制。仿真实验结果表明：该控制器可以有效地对直流电动机转速、伺服电机位置进行控制。关键词：水下机器人；运动姿态；微控制器中图分类号：TP２４２畅６文献标识码：A0引言的角加速度，MEMS加速度计测量三轴加速度，此外近年来，随着计算机技术的发展和水下作业环境传感器还有一个数字运动处理器DMP（DigitalMo‐的需求，水下机器人应运而生，主要用于海底探测与施tionProcessor），其接口可以与其他传感器连接，用来工、数据

3、收集、海上救援、水下设备检查与维修等工测量运动信息。选用ATmega１６单片机，此单片机拥［１－３］作。水下机器人一般可以分为两大类：一类是有有１６kB的Flash内存，内置资源丰富、功能强大，涉［７］缆水下机器人，通常称为遥控潜水器；另一类是无缆水及AVR芯片的所有功能。下机器人，通常称为自治潜水器，它可按规划的航线自航执行任务。水下机器人技术的发展为捕捞技术和装备的革新带来了机遇，高效、自动化程度高的水下机器人必将成为未来捕捞装备的主体，因此，有着广泛的应［４－６］用前景和巨大的市场需求。本文

4、设计了一种无缆水下机器人，采用Arduino微控制器平台对直流电机速度、伺服电机位置进行控制，并进行了仿真实验。1机器人结构设计１－防水基质；２－X轴动力装置；３－Z轴动力装置；４－Y轴动力装置如图１所示，水下机器人由防水基体、螺旋推进器图１机器人结构方案和伺服电机组成。防水基体中放置单片机模块、控制２．２软件开发平台电路和伺服电机，保护它们免受海水侵蚀。三套动力选择Arduino微控制器平台，该平台具有开放性装置分别由伺服电机和螺旋桨推进器组成，伺服电机源代码的电路图设计，程序开发可以根据需要修

5、改参控制螺旋桨推进器方向，螺旋桨推进器为水下机器人数。Arduino采用USB接口供电，不需外接电源，易提供动力。每套动力装置分别控制轴向移动和转动两用性极高，可以简化Arduino模组，完成独立运作的微个自由度。X轴动力装置控制机器人沿X轴方向移处理控制。动和绕Z轴方向转动，Y轴动力装置控制机器人沿Y3仿真实验轴方向移动和绕X轴方向转动，Z轴动力装置控制机选用Proteus仿真软件进行仿真实验，用C语言器人沿Z轴方向移动和绕Y轴方向转动。编写单片机与各电子元件之间的控制程序。传感器传2水下机器人

6、控制系统设计输数据时考虑外部环境干扰，使用卡曼滤波来处理数２．１硬件选择据，使输出数据更接近真实值。电源采用蓄电池，密封在防水基质内，因此，螺旋３．１直流电机速度控制实验桨推进器选用直流电动机，伺服电机选用直流伺服电直流电机运行时，其驱动模块为L２９８N，若引脚机。姿态传感器选用MPU‐６０５０，可以测试X、Y、Z三ENA的电平数字为０，直流电机将会减速停止。在引轴的角加速度和加速度，其中MEMS陀螺仪测量三轴脚ENA高电平持续的时间越长、低电平持续的时间辽宁省教育厅科学研究项目（L２０１４２７５

7、）收稿日期：２０１７‐０３‐０１；修订日期：２０１７‐０３‐１１作者简介：蔡卫国（１９７０‐），男，蒙古族，内蒙古赤峰人，副教授，在读博士研究生，研究方向：机电一体化、机械系统虚拟仿真。·３４·机械工程与自动化２０１７年第３期越短时，直流电机的转速将会加快，直接向ENA提供０，伺服电动机静止。高电平时，直流电动机的转速将会达到最大值。因此，如图６所示，当K０闭合、K１打开时，数码管显示改变高电平与低电平的比值，即可影响直流电机的转发生变化，伺服电动机顺时针转动。速。使用T／C的PWM来控制直流电动

8、机的转速。如图２所示，K０键为加速键，K１键为减速键，当K０键、K１键打开时，电枢电压的波形图如图２所示。如图３所示，当K０键闭合、K１键打开时，电枢电压波形占空比变大，说明电机转速增加。图５伺服电动机角度控制仿真实验电路图图２K０键、K１键打开时电枢电压波形图图３K０加速键闭合时电枢电压的波形图如图４所示，当K０键打开，K１键闭合时，电枢电压波形图占空比减小，说明电机转速减小。图６K０闭合、K１打开时数码管显示结果如图７所示，当K０打开，K１闭合时，数码管显示数字减小，伺服电动机