CN105444664B - 一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置及舵角标定方法 - Google Patents

一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置及舵角标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置及舵角标定方法。包括垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)、水平舵测量模块(4)和数据处理模块(5)，所述的垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)和水平舵测量模块(4)均以MPU9250为核心构成且分别通过RS485串口与数据处理模块(5)连接，所述的数据处理模块(5)以AVR单片机为核心构成且通过RS232串口与控制系统即上位机连接。本发明具有使用灵活、安装方便、精确度高、稳定可靠、抗干扰能力强等优点，能满足现有AUV系统的需求。

Description

一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置及舵角标定方法
技术领域
本发明涉及的是一种AUV舵角角度检测装置，尤其是一种采用舵桨联合操控AUV的数字化舵角检测装置。
背景技术
AUV是水下机器人中的一种,它是无缆式水下机器人，习惯上把它称为自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)。AUV自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成所赋予的使命。AUV是一种理想的测量仪器平台，由于噪声辐射小，可以贴近要观测的对象(如以设定高度进行海底地形跟踪)，因而可以获取采用常规手段不能获取的高质量数据和图像。加之造价低，隐蔽性好，安全性高，使AUV正逐步成为海洋观察和探测的重要手段。
舵桨联合操控AUV采用多推进器联合舵、翼的结构和控制方式，与多推进器框架式及单推进器流线型水下机器人相比，具有控制灵活、功能多样、适应范围广等特点，受到该领域研究人员的广泛关注。与其他操控方式的AUV相比，其舵机传动机械系统安装时不可避免的存在一定的间隙，造成舵角死区，这影响了其航行作业的效果，因而舵角的实时检测非常重要。目前应用的舵角检测装置主要是在舵机轴上加一套电位器或是光电检测装置，考虑到水下使用，需要对其做动密封处理，工艺复杂，成本较高，同时还会额外增加传动系统的负荷。由于增加了动密封的环节，其检测精度有所下降，系统的可靠性也有所降低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种使用灵活、安装方便、精确度高、稳定可靠、抗干扰能力强、易于实现，并且成本低廉的自主式水下航行器数字化舵角检测装置。本发明的目的还在于提出一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置及舵角标定方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的自主式水下航行器数字化舵角检测装置包括垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3、水平舵测量模块4和数据处理模块5，所述的垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3和水平舵测量模块4均以MPU9250为核心构成且分别通过RS485串口与数据处理模块5连接，所述的数据处理模块5以AVR单片机为核心构成且通过RS232串口与控制系统即上位机连接。
本发明的自主式水下航行器数字化舵角检测装置还可以包括：
1、所述的垂直舵基准模块1安装在AUV主艇体部分，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Z轴与垂直舵舵轴一致；垂直舵测量模块2安装在垂直舵舵板表面，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Z轴与垂直舵舵轴一致；水平舵基准模块3安装在AUV主艇体部分，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Y轴与水平舵舵轴一致；水平舵测量模块4安装在水平舵舵板表面，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Y轴与水平舵舵轴一致。
2、所述的垂直舵基准模块1测量AUV艇体绕MPU9250坐标系Z轴旋转的角度；垂直舵测量模块2测量垂直舵舵板绕MPU9250坐标系Z轴旋转的角度；水平舵基准模块3测量AUV艇体绕MPU9250坐标系Y轴旋转的角度；水平舵测量模块4测量水平舵舵板绕MPU9250坐标系Y轴旋转的角度；所述的数据处理模块5接收并处理垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3和水平舵测量模块4传输来的角度信息并传输给控制系统。
3、所述的垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3、水平舵测量模块4和数据处理模块5中的所有电子元器件采用贴片封装，且各模块整体进行硫化密封处理。
本发明的自主式水下航行器数字化舵角检测装置的舵角标定方法为：
(1)AUV控制系统供电，各个模块上电，读取状态字，完成MPU9250初始化；
(2)控制垂直舵机转动，当垂直舵板到达中间位置即0度时，停止转动，上位机发送垂直舵角标定指令，数据处理模块5读取垂直舵基准模块1和垂直舵测量模块2绕Z轴转动的角度，计算两者的角度差值α0，并将该值写入到内部E2PROM中；
(3)控制水平舵机转动，当水平舵板到达中间位置即0度时，停止转动，上位机发送水平舵角标定指令，数据处理模块5读取水平舵基准模块3和水平舵测量模块4绕Y轴转动的角度，计算两者的角度偏值β0，并将该值写入到内部E2PROM中，标定完成。
与已有技术相对比本发明具有如下优越性：
1、实时准确，采用全数字化的测量系统可以大大提高测量的精度和响应速度；测量装置直接安装在舵板上，避免了由于齿轮传动所造成的巨大误差；
2、各个检测模块单独进行水密处理，整个装置简单易行，稳定性高，避免了动密封带来的风险；
3、舵角检测装置垂直舵测量模块2、水平舵测量模块4可以安装在舵板的任何位置，垂直舵基准模块1、水平舵基准模块3可以安装在艇体表面的任何位置，安装方便，还可进行保形设计，适装性好，基本不受AUV系统限制。
附图说明
图1是本发明的AUV数字化舵角检测装置整体结构框图。
图2是垂直舵基准模块、垂直舵测量模块、水平舵基准模块及水平舵测量模块的电路原理图。
图3是数据处理模块电路原理图。
图4是AUV数字化舵角检测装置安装位置示意图。
图5是MPU9250坐标图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明：
结合图1，本发明的AUV数字化舵角检测装置包括垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3、水平舵测量模块4和数据处理模块5。所述的垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3、水平舵测量模块4的结构相同，核心构件是MPU9250，分别通过RS485串口与数据处理模块5连接。所述的数据处理模块5的核心构件是AVR单片机，通过RS232串口与AUV控制系统(上位机)6连接。
所述的垂直舵基准模块1测量AUV艇体绕MPU9250坐标系Z轴旋转的角度；垂直舵测量模块2测量垂直舵舵板绕MPU9250坐标系Z轴旋转的角度；水平舵基准模块3测量AUV艇体绕MPU9250坐标系Y轴旋转的角度；水平舵测量模块4测量水平舵舵板绕MPU9250坐标系Y轴旋转的角度。所述的数据处理模块5接受并处理垂直舵基准模块1，垂直舵测量模块2，水平舵基准模块3，水平舵测量模块4传输来的角度信息并传输给AUV控制系统(上位机)。
结合图2，垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3及水平舵测量模块4主要包括第一至第七电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，第一至第四电容C1、C2、C3、C4，第一至第二二极管D1、D2，电源转换芯片LM317，485通讯芯片MAX485，单片机Atmega8和MPU9250芯片，其中LM317输入端接5V，R1两端分别与LM317的输出与调节端连接，R2两端分别与LM317的调节端和地连接，C1一端接LM317输入端，另一端接地，C2一端接LM317的输出端，另一端接地，通过R1和R2将5V转成3.3V给各个芯片供电，MPU9250采用SPI通讯模式，作为从机与Atmega8通讯，Atmega8的UART通讯端口与MAX485芯片连接，并用PA1口作为RS485通讯的接收和发送的片选信号。
结合图3，数据处理模块5主要包括第二十一至第二十五电阻R21、R22、R23、R24、R25，第二十一至第二十三电容C21、C22、C23，通讯芯片MAX232芯片，通讯芯片MAX485芯片和单片机Atmega162，其中Atmega162的UART0与MAX485连接，并用PA1口产生RS485通讯的接收和发送的片选信号，Atmega162的UART1与MAX232芯片连接。
所述的垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3、水平舵测量模块4和数据处理模块5中所有的电子元器件采用贴片封装，并进行硫化密封处理。
所述的垂直舵基准模块1、垂直舵测量模块2、水平舵基准模块3、水平舵测量模块4使用4芯水密电缆与数据处理模块5连接。
所述的4芯水密电缆，2芯用于串口通信，2芯用于模块供电，供电使用5v直流电源。
结合图4和图5，所述的垂直舵基准模块1安装在AUV主艇体部分，使核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致，Z轴与垂直舵舵轴一致；垂直舵测量模块2安装在垂直舵舵板表面，使核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致，Z轴与垂直舵舵轴一致；水平舵基准模块3安装在AUV主艇体部分，使核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致，Y轴与水平舵舵轴一致；水平舵测量模块4安装在水平舵舵板表面，使核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致，Y轴与水平舵舵轴一致；所述的数据处理模块5的放置位置不受限制。
所述的垂直舵基准模块1和垂直舵测量模块2的Z轴方向一致。
所述的水平舵基准模块3和水平舵测量模块4的Y轴方向一致。
所述的垂直舵基准模块1和垂直舵测量模块2组成垂直舵测量单元，通过读取垂直舵基准模块1和垂直舵测量模块2绕Z轴转动的角度，计算两者的角度差值得到垂直舵角值。
所述的水平舵基准模块3和水平舵测量模块4组成水平舵测量单元，通过读取水平舵基准模块3和水平舵测量模块4绕Y轴转动的角度，计算两者的角度差值得到水平舵角值。
上述的一种AUV数字化舵角检测装置的工作过程为：当AUV垂直舵转动时，垂直舵基准模块1和垂直舵测量模块2的测量值会发生变化，数据处理模块5接收到该数据后，进行运算，就可以计算出当前的垂直舵角值；当AUV水平舵转动时，水平舵基准模块3和水平舵测量模块4的测量值会发生变化，数据处理模块5接收到该数据后，进行运算，就可以计算出当前的水平舵角值；数据处理模块5计算出垂直舵角值和水平舵角值后，通过串口发送到上位机系统。
上述的一种AUV数字化舵角检测装置，考虑其安装坐标轴对准难度较大，在设置了舵角标定方法，在该装置初次安装上电或工作一段时间出现角度测量偏差时，需要对其进行标定，具体的方法如下：
1)AUV控制系统供电，各个模块上电，读取状态字，完成MPU9250初始化；
2)控制垂直舵机转动，当垂直舵板到达中间位置(0度)时，停止转动，上位机发送垂直舵角标定指令，数据处理模块5读取垂直舵基准模块1和垂直舵测量模块2绕Z轴转动的角度，计算两者的角度差值α0，并将该值写入到内部E2PROM中；
3)控制水平舵机转动，当水平舵板到达中间位置(0度)时，停止转动，上位机发送水平舵角标定指令，数据处理模块5读取水平舵基准模块3和水平舵测量模块4绕Y轴转动的角度，计算两者的角度偏值β0，并将该值写入到内部E2PROM中，标定完成。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施而已，并不限制本发明，所以基于本发明的基本思想而进行简单的修改、等同替换和改进等，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种自主式水下航行器数字化舵角检测装置，其特征是：包括垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)、水平舵测量模块(4)和数据处理模块(5)，所述的垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)和水平舵测量模块(4)均以MPU9250为核心构成且分别通过RS485串口与数据处理模块(5)连接，所述的数据处理模块(5)以AVR单片机为核心构成且通过RS232串口与控制系统即上位机连接；
所述的垂直舵基准模块(1)安装在AUV主艇体部分，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Z轴与垂直舵舵轴一致；垂直舵测量模块(2)安装在垂直舵舵板表面，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Z轴与垂直舵舵轴一致；水平舵基准模块(3)安装在AUV主艇体部分，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Y轴与水平舵舵轴一致；水平舵测量模块(4)安装在水平舵舵板表面，其核心组件MPU9250坐标系的X轴正方向与AUV艇体艏向一致、Y轴与水平舵舵轴一致；
所述的垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)、水平舵测量模块(4)和数据处理模块(5)中的所有电子元器件采用贴片封装，且各模块整体进行硫化密封处理。
2.根据权利要求1所述的自主式水下航行器数字化舵角检测装置，其特征是：所述的垂直舵基准模块(1)测量AUV艇体绕MPU9250坐标系Z轴旋转的角度；垂直舵测量模块(2)测量垂直舵舵板绕MPU9250坐标系Z轴旋转的角度；水平舵基准模块(3)测量AUV艇体绕MPU9250坐标系Y轴旋转的角度；水平舵测量模块(4)测量水平舵舵板绕MPU9250坐标系Y轴旋转的角度；所述的数据处理模块(5)接收并处理垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)和水平舵测量模块(4)传输来的角度信息并传输给控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的自主式水下航行器数字化舵角检测装置，其特征是：垂直舵基准模块(1)、垂直舵测量模块(2)、水平舵基准模块(3)及水平舵测量模块(4)的具体构成包括第一至第七电阻(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7)、第一至第四电容(C1、C2、C3、C4)、第一至第二二极管(D1、D2)、电源转换芯片LM317、485通讯芯片MAX485、单片机Atmega8和MPU9250芯片，所述电源转换芯片LM317输入端接5V，第一电阻(R1)两端分别与电源转换芯片LM317的输出与调节端连接，第二电阻(R2)两端分别与电源转换芯片LM317的调节端和地连接，第一电容(C1)一端接LM317输入端、另一端接地，第二电容(C2)一端接电源转换芯片LM317的输出端、另一端接地，通过第一电阻(R1)和第二电阻(R2)将5V转成3.3V给各个芯片供电，MPU9250芯片采用SPI通讯模式作为从机与单片机Atmega8通讯，单片机Atmega8的UART通讯端口与485通讯芯片MAX485连接、并用PA1口作为RS485通讯的接收和发送的片选信号。
4.根据权利要求1或2所述的自主式水下航行器数字化舵角检测装置，其特征是：数据处理模块(5)的具体构成包括第二十一至第二十五电阻(R21、R22、R23、R24、R25)、第二十一至第二十三电容(C21、C22、C23)、通讯芯片MAX232、通讯芯片MAX485和单片机Atmega162，单片机Atmega162的UART0与通讯芯片MAX485连接、并用PA1口产生RS485通讯的接收和发送的片选信号，单片机Atmega162的UART1与通讯芯片MAX232芯片连接。
5.根据权利要求3所述的自主式水下航行器数字化舵角检测装置，其特征是：数据处理模块(5)的具体构成包括第二十一至第二十五电阻(R21、R22、R23、R24、R25)、第二十一至第二十三电容(C21、C22、C23)、通讯芯片MAX232、通讯芯片MAX485和单片机Atmega162，单片机Atmega162的UART0与通讯芯片MAX485连接、并用PA1口产生RS485通讯的接收和发送的片选信号，单片机Atmega162的UART1与通讯芯片MAX232芯片连接。
6.一种权利要求1所述的自主式水下航行器数字化舵角检测装置的舵角标定方法，其特征是：
(1)AUV控制系统供电，各个模块上电，读取状态字，完成MPU9250初始化；
(2)控制垂直舵机转动，当垂直舵板到达中间位置即0度时，停止转动，上位机发送垂直舵角标定指令，数据处理模块(5)读取垂直舵基准模块(1)和垂直舵测量模块(2)绕Z轴转动的角度，计算两者的角度差值α0，并将该值写入到内部E2PROM中；
(3)控制水平舵机转动，当水平舵板到达中间位置即0度时，停止转动，上位机发送水平舵角标定指令，数据处理模块(5)读取水平舵基准模块(3)和水平舵测量模块(4)绕Y轴转动的角度，计算两者的角度偏值β0，并将该值写入到内部E2PROM中，标定完成。
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