自主式水下航行器试验平台的设计

自主式水下航行器试验平台的设计
张东昆;侯建钊;高菲
【摘要】In order to supply a test⁃bed for the underwater detection,an autonomous underwater vehicle(AUV)was devel⁃oped,which can be applied to the aspects of ocean resource investigation,port
security,aquaculture,geomorphology observa⁃tion,etc. With sensors like AHRS and SONAR,It can move and avoid obstacle autonomously,and plan optimal path in real time to realize the underwater geomorphology observation,resource exploration by means of navigation algorithm. It also has the ability to draw maps in unknown underwater environment.%为水下探测提供试验平台，设计了一台自主式水下航行器（AUV）。

该航行器可被应用于海洋资源调查、港口安防、水产养殖、地貌观测等诸多方面。

它可利用自身搭载的声呐、AHRS等传感器，实现水下自主航行、避障；并通过导航算法，实时地规划最优路径，完成水下地貌观测、资源探测。

同时它也具备在水下未知环境，构建地图能力。

【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2015(000)010
【总页数】3页(P115-117)
【关键词】水下航行器;自主式;水下试验平台;地貌观测
【作者】张东昆;侯建钊;高菲
【作者单位】中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100;中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100;中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100
【正文语种】中文
【中图分类】TN911-34
随着对资源的消耗量和需求量的与日俱增，人们开始加快对海洋的开发进程。

自主式水下航行器（AUV）作为水下探测的工具引起了世界各国的重视。

它具有水下
机动性好、续航力强、安全可靠等优势，在海底地形地貌勘察、水文参数测量、深海资源调查、海洋救助与打捞等诸多领域有着巨大的应用价值[1⁃2]。

为配合海洋的相关开发，设计了一款自主式水下航行器（AUV）作为试验平台。

介绍了水下航行器整体的系统结构设计，包括机械机构设计、硬件系统设计和软件系统设计。

水下航行器在外形上仿照鱼雷的结构。

整个的舱体设计采用流线型，减少它在水中运动时，水流对它产生的阻力[3]；尾部采用圆锥体形，椎体的底部安装螺旋桨式
推进器，为航行器提供动力，椎体的四个方向安装方向舵，控制它的运动方向，实现航行器的转弯，俯仰，航行器的结构实物见图1。

航行器舱体上部安装无线天线，当航行器浮上水面时，可通过天线与岸基控制平台通信，进行数据交换或是接收新任务。

航行器的舱体使用铝合金材料，天线和方向舵使用的尼龙材料，表面用铝氧化硬化处理，增强抗腐蚀性。

为保证航行器运行时的稳定性，对舱内部的负载进行了合理布局，使航行器的整体重心位于浮心正下方。

用铅块对航行器进行配重，使其受力均匀、保持“零浮力”，也即在不受任何外力的情况下，航行器的重力大小等于浮力大小，航行器恰好能浮在水的表面。

硬件系统关系到航行器工作时的安全性和稳定性，它主要由工控机、PC104、串
口服务器、协议转换器、声呐等传感器、动力驱动和检测电路组成，如图2所示。

2.1 工控机和PC104构成的运动决策系统
工控机和PC104是水下航行器的大脑，可控制传感系统进行数据采集，并接收传感系统传来的信息，对其进行解析，根据解析结果并结合自身使命发出决策指令。

指令信息通过通信系统传达到执行系统，执行系统接收到指令后，将其转化成电机速度、转向以及舵机角度的变化。

2.2 动力驱动系统
采用瑞士Maxon公司的直流无刷电机作为推进器，其扭力大，噪音低[4]。

驱动
器选用的是美国的COPLEY驱动器，实物图见图3。

其优势在于控制简单，稳定
性高，通用性强，配合舵机的使用，可实现航行器在水下的前进后退、上前下浮、左转右转。

动力驱动系统是航行器完成任务的基础，是整个平台硬件系统设计的关键。

COPLEY驱动器采用数字增量式PID反馈，拥有电流、电压、速度三闭环控制，可以控制有刷、无刷等不同类型的电机，它支持RS 232串口和CAN总线协议，兼容性强。

由于支持CAN总线，所以它支持多个驱动器同时使用。

2.3 协议转换器
协议转换器的作用是将PC104的串口协议转换成电机驱动器所需要的CAN总线
协议，实现二者的通信[5]，其实物图见图4。

协议转换器上的MCU采用的是Micro⁃chip公司的dsPIC4011，它是一款集单片机和DSP综合功能的16位控制器，既保留了单片机的基本性能，又丰富了外围模块，还兼具了DSP的高速运算
能力[6]。

嵌入式内核选用的是μC/osⅡ，它由Micrium公司提供，源码开放，是一种可移植、可裁剪的、抢占式多任务实时内核。

由于μC/osⅡ只对硬件的CPU
和定时器进行了抽象，所以移植相对简单；它是基于任务的优先级高低进行任务切换的，适用于实时性要求比较高的场合。

2.4 检测电路模块
检测电路模块包括舱体内部的温湿度检测，电池的电压、电流检测，漏水检测等，这些参数都关系到水下航行器的安全运行[7]，其中泄露检测尤为重要。

根据重力
原理，如果舱内漏水，水会沿着舱内壁流到舱底，所以泄漏检测模块的两个探针放到舱的底部，正常情况下这两探针是断开的，一旦发生漏水，流到舱底的水会将两探针短路，此时检测模块就会检测到，通过CAN总线向上位机发出报警信息[8⁃9]。

图5为漏水检测电路原理图。

2.5 传感系统
声呐、水下摄像头、惯性导航系统等构成了水下航行器的传感系统。

在海底的未知环境中，AUV惟一可以依赖的是自身机载的惯导传感器和声呐。

航行器搭载的声
呐一般有两种：
（1）一种是主动声呐，提供障碍物目标的距离和角度，可在二维空间上分辨目标的轮廓和位置；
（2）另一种是侧扫声呐，用于海底地形地貌的勘测。

惯性导航系统为航行器提供位置、速度、航向和姿态角数据，它不依赖于任何外部信息，因此非常适合于水下航行器这种工作环境比较特殊的场合。

它在工作时不向外部辐射任何电磁波，故隐蔽性好[10]。

自主式航行器的软件系统采用的是MOOS结构[11]，它由Paul Newman博士提出，已有十多年的开发历史，如今已成功地应用于国外的多款水下航行器见图6。

它是一种分布式控制体系结构，专门服务于水下航行器系统的完全开源的体系结构。

其分布式体系结构特点是它的精髓所在：将每个子系统根据其功能都定义为一个独立的软件模块，如此一来，解决了同步问题，各个子模块共同构成一个完整、稳定、时效高的信息交互环境[12⁃13]。

传统的水下航行器软件系统具有效率低、实时性差、占用资源大的缺点，而
MOOS体系结构的模块化设计、分布式、星型拓扑结构的特点很好地解决了这些问题，极大地提高了航行器软件系统的稳定性和实时性。

本文介绍自主式水下航行器（AUV）试验平台的实现，包括其机械结构、硬件系统、软件系统等。

多次测试，性能稳定、安全可靠，为海洋探测提供了完善的试验平台。

侯建钊（1988—），男，山东济宁人，硕士研究生。

【相关文献】
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[2]STOKEY R P，VON ALT C，ALLEN B，et al.Development of the REMUS 600 Autonomous Underwater Vehicle[C]//Pro⁃ceedings of 2005 MTS/IEEE Conference on Oceans.Washing⁃ton，USA：IEEE，2005，2：1301⁃1304.
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天津：天津大学，2005.。