水下航行器模擬平臺智能小車的設(shè)計

摘要：為了使水下航行器裝入密封艙后所有模塊正常運行，設(shè)計了一個模擬平臺，涵蓋了模擬電路、數(shù)字電路、信號處理、無線射頻、電源、傳感器等方面，特別是小車軌跡使用上層的PID參數(shù)的智能化控制，具有遠距離數(shù)據(jù)傳輸能力和遠程控制能力。通過平臺模擬水下航行器的運動狀況，對加速度與速度、周圍環(huán)境的溫度與濕度、電池的狀態(tài)等參數(shù)采集，達到實驗?zāi)康?，同時節(jié)省人力物力，方便、適用性強。
關(guān)鍵詞：水下航行器；模擬平臺；智能小車；參數(shù)采集

進入21世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，各國對資源的需求量不斷增加，而陸地資源日趨緊張，各國便將目光投向了廣闊的海洋。海洋監(jiān)測技術(shù)成為海洋資源開發(fā)的支撐，隨著海洋開發(fā)的不斷深入，越來越多的實驗需要在真實海洋環(huán)境下進行，實驗時的海況成為了影響和制約實驗可行性和結(jié)果正確性的關(guān)鍵因素，再加上海洋項目的成本比較高，就需要一個智能平臺來實驗水下航行器的功能，更加接近的模擬實驗的環(huán)境，通過各種傳感器的綜合運用，這樣才能在真實的環(huán)境中得到更加有效的數(shù)據(jù)，從而更加合理的開發(fā)和利用海洋資源，造福人民，保衛(wèi)祖國的海疆。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
整個系統(tǒng)由四部分組成：無線部分，數(shù)據(jù)采集處理部分，電機驅(qū)動部分和供電部分，每部分由單獨單片機作為主控芯片，各部分間利用CAN總線交互數(shù)據(jù)。無線部分由GPS模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和無線控制器組成，負責(zé)衛(wèi)星定位、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能；數(shù)據(jù)采集處理部分由各種傳感器和數(shù)據(jù)采集處理板組成，負責(zé)周圍環(huán)境要素的收集、處理工作和轉(zhuǎn)速的返回；電機驅(qū)動部分由空心杯直流電機、直流電機驅(qū)動器和編碼器組成，負責(zé)驅(qū)動直流電機和控制直流電機的轉(zhuǎn)速達到預(yù)期的速度；供電部分包括蓄電池、電池管理板和電壓轉(zhuǎn)換板，負責(zé)為系統(tǒng)各部分提供所需電壓和能量。整個系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
單片機采用Microchip公司出品的高性能dsPIC30F4011，內(nèi)部帶有DSP引擎，能進行大規(guī)模、高速的數(shù)據(jù)處理，并內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換模塊、SPI總線模塊、CAN總線模塊、UART模塊等，利用這些模塊可以簡化外圍電路的設(shè)計，增強系統(tǒng)的可靠性，縮短開發(fā)周期。軟件植入μCOSⅡ操作系統(tǒng)，它是一個基于優(yōu)先級的搶占式多任務(wù)實時內(nèi)核，可以實現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，提高了系統(tǒng)的有效性、穩(wěn)定性和可靠性。
2．1 參數(shù)采集板的設(shè)計
參數(shù)采集板主要用于采集風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)速以及加速度和GPS數(shù)據(jù)等。參數(shù)采集板功能框圖如圖2所示。

2．1．1 風(fēng)速風(fēng)向測量
采用PH100SX風(fēng)速風(fēng)向傳感器，由風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器組成。風(fēng)速傳感器給出的是頻率信號且頻率在1 kHz以下，采用單片機的輸入捕捉來測量。每當(dāng)風(fēng)速傳感器頻率信號上升沿剄來時輸入捕捉就會產(chǎn)生中斷，此時記下定時器中的數(shù)值，通過兩次中斷記下的兩個數(shù)值相減，同時根據(jù)定時器周期，就可以算出風(fēng)速信號的頻率值，再利用風(fēng)速計算公式(1)算出風(fēng)速。風(fēng)向傳感器的變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，從而在電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出，經(jīng)過單片機的A／D采樣轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字信號，然后根據(jù)風(fēng)向公式(2)計算出風(fēng)向值。把數(shù)字羅盤的正方向、智能平臺的正方向、風(fēng)向傳感器的定北點規(guī)定在一條直線上，用航向角來修正風(fēng)向，得到實際的風(fēng)向數(shù)值，即偏離地理北的角度。經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后，將這些風(fēng)速、風(fēng)向、加速度以及羅盤數(shù)據(jù)GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。
風(fēng)速計算公式：
V=(0．3+0．0877×f) (1)
式中：V為風(fēng)速值(單位：m／s)；f為信號頻率；0．3和0．087 7為常系數(shù)(不同型號的風(fēng)速傳感器的系數(shù)不一樣)。
風(fēng)向計算公式：
D=360°×R0／R+ (2)
式中：D為相對風(fēng)向值(單位：(°))；R+為電位器電阻(單位：Ω)；R0為輸出電阻(單位：Ω)。