CN101659320B - 一种无人潜水器用转速可调节智能化舵机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种无人潜水器用转速可调节智能化舵机。包括步进电机、步进电机驱动器、舵轴角度光栅感应器、PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡、PC/104总线脉冲输出板。步进电机密封于水密外壳中，驱动轴通过动密封伸出与舵轴通过轴系联接；PC/104计算机、AD采集卡和脉冲输出板插接，和步进电机驱动器一起密封于水密外壳中。PC/104计算机水密外壳上设置三个水密插头。舵轴角度光栅感应器安装于舵轴处，舵轴角度光栅感应器的信号反馈端与电压采集端联结，将PC/104计算机与控制舱主控计算机通过RS-232串行通信联结。本发明可根据航速，智能决定舵叶转动速度，避免扭矩不够步进电机无法转动等舵机失误动作，并有效测定舵轴转动不到位等故障，保证无人潜水器方向控制的精确度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种无人潜水器的驱动装置，具体地说是一种无人潜水器用转速可调节智能化舵机。
(二)背景技术
无人潜水器(Umanned Underwater Vehicle-UUV)在可广泛用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘测，沉物打捞，地震地热活动监测，海洋环境监测，海洋工程维护等。经过多年来各国学者的努力，无人潜水器的运动控制水平不断提高。但在研究实验中也逐渐暴露出了一些问题。尤其在水下高速航行时，槽道螺旋桨存在较大的推力减额问题，严重时会出现载体姿态角失控；槽道桨在定深度、定艏向航行时消耗能量较多，减少了水下机器人的航程；槽道推力器需要在无人潜水器主体上开孔，槽孔贯穿主体，影响耐压舱的设计和布置，占用潜水器内部空间。因此大航程无人潜水器越来越多地采用垂直舵控制艏向，采用水平舵控制纵倾，进而控制深度。
舵机作为无人潜水器舵的执行机构，目前存在许多问题。首先，舵机一般采用步进电机加水密外壳的方案。这样的方式简单，但执行机构无反馈，只能以驱动脉冲计数的方式计算步进角度。一但出现电机失步、扭矩不够时电机转不动、电机与舵轴之间的轴系滑动，即会出现电机转数与舵叶转角不成线性关系的情况。其次目前无人潜水器的舵机转动速度(即舵叶转动速度)保持不变。在高速航行时，舵叶受到的力与航速成二次方关系。航速增大时，舵叶转动速度必须适当减小，以使步进电机可提供的扭矩能够满足转矩输出。这些都就对舵机的智能化提出了迫切要求。
西北工业大学学位论文《基于ARM的自主水下航行器舵机控制系统的设计》和发表在《微电机》上的论文《水下航行器电动舵机控制电路设计》，提出了一种自主水下航行器舵机控制系统的设计方案。该技术方案采用ARM作为舵机控制单元，虽然成本低、能耗省，但计算能力有限，对于较为复杂程序，计算时间不能满足实时要求；采用伺服电机作为舵机的执行单元，但没有提到如何解决伺服电机转速与扭矩的关系问题，转速恒定，很可能因转矩不够带来卡舵的问题。采用电位器测量电机轴转角，精度差，且无法测量到传动轴系卡死、松脱等问题。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能实时测定舵轴转角，智能决定舵叶转动速度，可对步进电机失步、卡死、轴系松脱等进行在线感知与诊断，为无人潜水器舵机提供智能化运行、感知、诊断、决策手段的一种无人潜水器用智能化舵机。
本发明的目的是这样实现的：
其构成包括步进电机、步进电机驱动器、舵轴角度光栅感应器、PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡、PC/104总线脉冲输出板，所述的步进电机密封于步进电机水密外壳中，步进电机驱动轴通过动密封伸出与舵轴通过轴系联接，步进电机水密外壳上设置水密插头将步进电机的三相输入端引出；PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡和PC/104总线脉冲输出板总线插接，和步进电机驱动器一起密封于PC/104计算机水密外壳中，PC/104计算机水密外壳上设置三个水密插头，一个水密插头将步进电机驱动器的三相输出端引出与步进电机的三相输入端连接，第二个水密插头将PC/104总线AD采集卡所用电压采集端引出，将舵轴角度光栅感应器安装于舵轴处，舵轴角度光栅感应器的信号反馈端与电压采集端联结，第三个水密插头引出连线三根，将PC/104计算机与控制舱主控计算机通过RS-232串行通信联结。
智能舵机系统上电，程序自启动。等待主控计算机发送的应转到舵角指令，反馈给主控计算机当前舵角位置信息。程序为激发响应机制，主控计算机舵角指令和当前航速信息到达，根据航速可计算舵叶受力，计算公式为升力与阻力按如下公式计算：
式中ρ-水密度；AR-舵面积；V-流经舵面的水速(即航速)；CL-升力系数，CD-阻力系数。CL、CD对于一个形状大小都固定的舵来说是已知的。
因此
进而可计算电机轴扭矩，以满足步进电机扭矩的步进速度转动舵轴。接收舵轴角度光栅感应器当前舵角信息，反馈给主控计算机，完成一个指令循环。
本发明可有效地适应长航程无人潜水器高速定向航行时对方向舵转动精确控制的要求，可避免扭矩不够步进电机无法转动等舵机失误动作，并有效测定舵轴转动不到位等故障，保证无人潜水器方向控制的精确度。
本发明在舵机控制端由一台PC/104计算机负责舵轴位置采集、步进电机转速的决定、舵机故障的自诊断；角度光栅感应器水密，直接安装在舵轴上，输出为电压信号，易于AD采集；智能化舵机的程序随上电自启动，其与主控计算机通信为激发机制，采用串行通信。
与已有技术相比本发明处理能力强；舵叶转速随航速增大而自主降低，启动时转速慢，逐渐增加；转角传感器为水密光栅，精度高，且测量的是舵轴，而不是电机轴，返回值为输出的最后端，测量更加直接。
(四)附图说明
图1是本发明的连接结构示意图；
图2是步进电机的密封结构示意图；
图3是控制部分的密封结构示意图；
图4是舵轴角度光栅感应器的安装布置示意图；
图5是图4的左视图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，无人潜水器用转速可调节智能化舵机的组成包括步进电机1、步进电机驱动器2、舵轴角度光栅感应器3、PC/104计算机4、PC/104总线AD采集卡5、PC/104总线脉冲输出板6、主控计算机7。同时结合图2，所述的步进电机1密封于步进电机水密外壳8中，步进电机驱动轴通过动密封9伸出与舵轴通过轴系联接，步进电机水密外壳上设置水密插头11将步进电机的三相输入端引出；同时结合图3-图5，PC/104计算机4、PC/104总线AD采集卡5和PC/104总线脉冲输出板6通过总线插接，和步进电机驱动器2一起密封于PC/104计算机水密外壳12中，PC/104计算机水密外壳上设置三个水密插头，一个水密插头13将步进电机驱动器的三相输出端引出与步进电机的三相输出端连接，第二个水密插头14将AD采集卡所用电压采集端引出，将舵轴角度光栅感应器3安装于舵轴处，舵轴角度光栅感应器的信号反馈端与电压采集端联结，第三个水密插头15引出连线三根，将PC/104计算机4与控制舱主控计算机通过RS-232串行通信联结。
步进电机被选作舵机的动力装置。步进电机结构简单、可靠性高，其脉冲驱动的形式使得可以通过发出指定频率指定个数的脉冲驱动步进电机步进相应角度；在不过载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。步进电机选用直川KH42kM2-951步进电机。其的步距角为1.8°，保持转矩0.32Nm，相电流0.85A，是一个细分驱动、高速、高效率、较高扭矩的步进电机。
步进电机水密外壳和PC/104计算机水密外壳均采用LF6铝合金，其容易加工，刚度等金属特性满足压力容器指标，且重量较轻。
动密封采用通用动密封。
将步进电机密封于水密外壳中。
步进电机驱动器选用IM483。其采用先进表面贴片和ASIC技术的高性能细分驱动器，体积小，接口简便，适用范围宽。输入脉冲：10MHz光隔；自动电流调节；任意短路和过热保护；细分数在线可调，不需电机停止；故障输出报警；可选配编码器反馈。
PC/104计算机采用研祥HSC-1462CLDN，处理器(CPU)为板载STPC Atlas 133。
PC/104总线AD采集卡采用DMM-16-AT。
PC/104总线脉冲输出板集成Harris 82C54芯片。Harris 82C54是一个高性能的CMOS可编程的定时器/计数器集成电路，它内部有3个独立的16位的可编程定时器/计数器，每个都可以处理最大到12MHZ的输入频率。对其进行3计数器混合编程得到方波脉冲输出。
舵轴角度光栅感应器输出为直流电压，电压值的大小与舵轴转角位置成正比，可直接感知舵轴转角。
将PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡和PC/104总线脉冲输出板通过总线插接，和步进电机驱动器一起密封于PC/104计算机水密外壳中。
将智能舵机系统与主控计算机联接。
光栅舵角传感器安装在舵轴上，直接测定舵轴转动角度。
智能舵机系统上电，程序自启动。启动3个任务。
任务1：系统时钟定位为0.25秒，时钟带动采集程序，读取PC/104总线AD采集卡，得到舵轴角度光栅感应器反馈回来的当前舵角值。
任务2：建立串口数据检测线程，等待主控计算机发送的应转到舵角指令和当前航速信息。
任务3：任务3为主任务，机制为激发响应，主控计算机舵角指令和当其航速信息到达，根据航速计算舵叶受力，进而计算扭矩。以满足步进电机扭矩的步进速度转动舵轴。将接收到的舵轴角度光栅感应器感知的当前舵角信息，反馈给主控计算机，完成一个指令循环。
舵机系统故障检测的功能实现：
舵机控制器根据主控计算机发送的应转到舵角指令和当前航速信息，计算应发送的脉冲频率和个数，发送给步进电机驱动器。此时舵机控制器比较收到的舵轴角度光栅感应器感知的当前舵角信息，和计算脉冲发出后舵轴应转到的角度。若两者始终每次转动都存在一个差值，判定步进电机失步和轴系松脱。将此信息通过串行通信上报主控计算机。若舵轴不转，减低步进电机转速再发一次。若还是不转，判定轴系卡死或步进电机失效。将此信息通过串行通信上报主控计算机。
Claims (1)
1.一种无人潜水器用转速可调节智能化舵机，其特征是：其构成包括步进电机、步进电机驱动器、舵轴角度光栅感应器、PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡、PC/104总线脉冲输出板，所述的步进电机密封于步进电机水密外壳中，步进电机驱动轴通过动密封伸出与舵轴通过轴系联接，步进电机水密外壳上设置水密插头将步进电机的三相输入端引出；PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡和PC/104总线脉冲输出板总线插接，和步进电机驱动器一起密封于PC/104计算机水密外壳中，PC/104计算机水密外壳上设置三个水密插头，一个水密插头将步进电机驱动器的三相输出端引出与步进电机的三相输入端连接，第二个水密插头将PC/104总线AD采集卡所用电压采集端引出，将舵轴角度光栅感应器安装于舵轴处，舵轴角度光栅感应器的信号反馈端与电压采集端联结，第三个水密插头引出连线三根，将PC/104计算机与控制舱主控计算机通过RS-232串行通信联结，PC/104计算机根据航速，智能决定舵叶转动速度，并控制步进电机，实施动作。
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