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作者：张东昆侯建钊高菲

来源：《现代电子技术》2015年第10期

摘要：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。

关键字：水下航行器；自主式；水下试验平台；地貌观测

中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）10⁃115⁃03

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。

1 自主式水下航行器机械结构设计

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。

图1 自主式水下航行器结构实物图

2 自主式水下航行器硬件系统设计

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。

图2 水下航行器的硬件系统框图

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。

图3 COPLEY驱动器实物图

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Microchip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/os Ⅱ，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/os Ⅱ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。

图4 协议转换器

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。

图5 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]。

3 自主式航行器软件系统的设计

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。

图6 水下航行器硬件系统效果图

4 结语

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。

参考文献

[1] HE Bo， RAN Hong⁃ge， YANG Ke， et al. Path Planning and Tracking for Autonomous Underwater Vehicles [R]. [S.l.]： ICIA， 2009.

[2] STOKEY R P， VON ALT C， ALLEN B， et al. Development of the REMUS 600 Autonomous Underwater Vehicle [C]// Proceedings of 2005 MTS/IEEE Conference on Oceans. Washington， USA： IEEE， 2005， 2： 1301⁃1304.

[3] 吕瑞.超空泡航行体动力学建模与姿态机动鲁棒控制方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[4] 马元.自主式水下航行器运动控制系统的设计[D].青岛：中国海洋大学，2014.

[5] 刘卫东.基于CAN总线的自主水下航行器内部通信与仿真[J].系统仿真学报，2007，19（6）：1320⁃1322.

[6] Microchip Technology Inc.dsPIC30F系列参考手册[EB/OL].[2012⁃12⁃13]. http：

//.

[7] 韩盈盈.自主式水下机器人的分布式运动控制系统算法与实现[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[8] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2000.