一種自主式水下航行器數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置及舵角標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種AUV舵角角度檢測(cè)裝置，尤其是一種采用舵槳聯(lián)合操控AUV的數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]AUV是水下機(jī)器人中的一種，它是無(wú)纜式水下機(jī)器人，習(xí)慣上把它稱為自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV) jUV自帶能源，依靠自身的自治能力來(lái)管理和控制自己以完成所賦予的使命。AUV是一種理想的測(cè)量?jī)x器平臺(tái)，由于噪聲輻射小，可以貼近要觀測(cè)的對(duì)象(如以設(shè)定高度進(jìn)行海底地形跟蹤)，因而可以獲取采用常規(guī)手段不能獲取的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和圖像。加之造價(jià)低，隱蔽性好，安全性高，使AUV正逐步成為海洋觀察和探測(cè)的重要手段。
[0003]舵槳聯(lián)合操控AUV采用多推進(jìn)器聯(lián)合舵、翼的結(jié)構(gòu)和控制方式，與多推進(jìn)器框架式及單推進(jìn)器流線型水下機(jī)器人相比，具有控制靈活、功能多樣、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，受到該領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。與其他操控方式的AUV相比，其舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)安裝時(shí)不可避免的存在一定的間隙，造成舵角死區(qū)，這影響了其航行作業(yè)的效果，因而舵角的實(shí)時(shí)檢測(cè)非常重要。目前應(yīng)用的舵角檢測(cè)裝置主要是在舵機(jī)軸上加一套電位器或是光電檢測(cè)裝置，考慮到水下使用，需要對(duì)其做動(dòng)密封處理，工藝復(fù)雜，成本較高，同時(shí)還會(huì)額外增加傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷。由于增加了動(dòng)密封的環(huán)節(jié)，其檢測(cè)精度有所下降，系統(tǒng)的可靠性也有所降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種使用靈活、安裝方便、精確度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)，并且成本低廉的自主式水下航行器數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置。本發(fā)明的目的還在于提出一種自主式水下航行器數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置及舵角標(biāo)定方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的自主式水下航行器數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置包括垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3、水平舵測(cè)量模塊4和數(shù)據(jù)處理模塊5，所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊
1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3和水平舵測(cè)量模塊4均以MPU9250為核心構(gòu)成且分別通過(guò)RS485串口與數(shù)據(jù)處理模塊5連接，所述的數(shù)據(jù)處理模塊5以AVR單片機(jī)為核心構(gòu)成且通過(guò)RS232串口與控制系統(tǒng)即上位機(jī)連接。
[0007]本發(fā)明的自主式水下航行器數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置還可以包括:
[0008]1、所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1安裝在AUV主艇體部分，其核心組件MPU9250坐標(biāo)系的X軸正方向與AUV艇體艏向一致、Z軸與垂直舵舵軸一致;垂直舵測(cè)量模塊2安裝在垂直舵舵板表面，其核心組件MPU9250坐標(biāo)系的X軸正方向與AUV艇體艏向一致、Z軸與垂直舵舵軸一致；水平舵基準(zhǔn)模塊3安裝在AUV主艇體部分，其核心組件MPU9250坐標(biāo)系的X軸正方向與AUV艇體艏向一致、Y軸與水平舵舵軸一致;水平舵測(cè)量模塊4安裝在水平舵舵板表面，其核心組件MPU9250坐標(biāo)系的X軸正方向與AUV艇體艏向一致、Y軸與水平舵舵軸一致。
[0009]2、所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1測(cè)量AUV艇體繞MPU9250坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)的角度;垂直舵測(cè)量模塊2測(cè)量垂直舵舵板繞MPU9250坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)的角度;水平舵基準(zhǔn)模塊3測(cè)量AUV艇體繞MPU9250坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)的角度;水平舵測(cè)量模塊4測(cè)量水平舵舵板繞MPU9250坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)的角度;所述的數(shù)據(jù)處理模塊5接收并處理垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3和水平舵測(cè)量模塊4傳輸來(lái)的角度信息并傳輸給控制系統(tǒng)。
[0010]3、所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3、水平舵測(cè)量模塊4和數(shù)據(jù)處理模塊5中的所有電子元器件采用貼片封裝，且各模塊整體進(jìn)行硫化密封處理。
[0011 ]本發(fā)明的自主式水下航行器數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置的舵角標(biāo)定方法為:
[0012](1 )AUV控制系統(tǒng)供電，各個(gè)模塊上電，讀取狀態(tài)字，完成MPU9250初始化；
[0013](2)控制垂直舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)垂直舵板到達(dá)中間位置即0度時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，上位機(jī)發(fā)送垂直舵角標(biāo)定指令，數(shù)據(jù)處理模塊5讀取垂直舵基準(zhǔn)模塊1和垂直舵測(cè)量模塊2繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，計(jì)算兩者的角度差值αο，并將該值寫入到內(nèi)部E2PR0M中；
[0014](3)控制水平舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)水平舵板到達(dá)中間位置即0度時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，上位機(jī)發(fā)送水平舵角標(biāo)定指令，數(shù)據(jù)處理模塊5讀取水平舵基準(zhǔn)模塊3和水平舵測(cè)量模塊4繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，計(jì)算兩者的角度偏值說(shuō)，并將該值寫入到內(nèi)部E2PR0M中，標(biāo)定完成。
[0015]與已有技術(shù)相對(duì)比本發(fā)明具有如下優(yōu)越性:
[0016]1、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，采用全數(shù)字化的測(cè)量系統(tǒng)可以大大提高測(cè)量的精度和響應(yīng)速度;測(cè)量裝置直接安裝在舵板上，避免了由于齒輪傳動(dòng)所造成的巨大誤差；
[0017]2、各個(gè)檢測(cè)模塊單獨(dú)進(jìn)行水密處理，整個(gè)裝置簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定性高，避免了動(dòng)密封帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；
[0018]3、舵角檢測(cè)裝置垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵測(cè)量模塊4可以安裝在舵板的任何位置，垂直舵基準(zhǔn)模塊1、水平舵基準(zhǔn)模塊3可以安裝在艇體表面的任何位置，安裝方便，還可進(jìn)行保形設(shè)計(jì)，適裝性好，基本不受AUV系統(tǒng)限制。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明的AUV數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置整體結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]圖2是垂直舵基準(zhǔn)模塊、垂直舵測(cè)量模塊、水平舵基準(zhǔn)模塊及水平舵測(cè)量模塊的電路原理圖。
[0021 ]圖3是數(shù)據(jù)處理模塊電路原理圖。
[0022]圖4是AUV數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置安裝位置示意圖。
[0023]圖5是MPU9250坐標(biāo)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0025]結(jié)合1，本發(fā)明的AUV數(shù)字化舵角檢測(cè)裝置包括垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊
2、水平舵基準(zhǔn)模塊3、水平舵測(cè)量模塊4和數(shù)據(jù)處理模塊5。所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3、水平舵測(cè)量模塊4的結(jié)構(gòu)相同，核心構(gòu)件是MPU9250，分別通過(guò)RS485串口與數(shù)據(jù)處理模塊5連接。所述的數(shù)據(jù)處理模塊5的核心構(gòu)件是AVR單片機(jī)，通過(guò)RS232串口與AUV控制系統(tǒng)(上位機(jī))6連接。
[0026]所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1測(cè)量AUV艇體繞MPU9250坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)的角度;垂直舵測(cè)量模塊2測(cè)量垂直舵舵板繞MPU9250坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)的角度;水平舵基準(zhǔn)模塊3測(cè)量AUV艇體繞MPU9250坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)的角度;水平舵測(cè)量模塊4測(cè)量水平舵舵板繞MPU9250坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)的角度。所述的數(shù)據(jù)處理模塊5接受并處理垂直舵基準(zhǔn)模塊1，垂直舵測(cè)量模塊2，水平舵基準(zhǔn)模塊3，水平舵測(cè)量模塊4傳輸來(lái)的角度信息并傳輸給AUV控制系統(tǒng)(上位機(jī))。
[0027]結(jié)合圖2，垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3及水平舵測(cè)量模塊4主要包括第一至第七電阻1?1、1?2、1?、1?4、1?5、1?6、1?7，第一至第四電容(:1工2、03丄4，第一至第二二極管D1、D2，電源轉(zhuǎn)換芯片LM317，485通訊芯片MAX485，單片機(jī)Atmega8和MPU9250芯片，其中LM317輸入端接5V，R1兩端分別與LM317的輸出與調(diào)節(jié)端連接，R2兩端分別與LM317的調(diào)節(jié)端和地連接，C1 一端接LM317輸入端，另一端接地，C2—端接LM317的輸出端，另一端接地，通過(guò)R1和R2將5V轉(zhuǎn)成3.3V給各個(gè)芯片供電，MPU9250采用SPI通訊模式，作為從機(jī)與Atmega8通訊，Atmega8的UART通訊端口與MAX485芯片連接，并用PA1 口作為RS485通訊的接收和發(fā)送的片選信號(hào)。
[0028]結(jié)合圖3，數(shù)據(jù)處理模塊5主要包括第二 ^^一至第二十五電阻1?21、1?22、1?23、1?24、R25，第二 ^^一至第二十三電容021、022、023，通訊芯片嫩乂232芯片，通訊芯片嫩乂485芯片和單片機(jī)Atmegal62，其中Atmegal62的UART0與MAX485連接，并用PA1 口產(chǎn)生RS485通訊的接收和發(fā)送的片選信號(hào)，Atmegal62的UART1與MAX232芯片連接。
[0029]所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3、水平舵測(cè)量模塊4和數(shù)據(jù)處理模塊5中所有的電子元器件采用貼片封裝，并進(jìn)行硫化密封處理。
[0030]所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1、垂直舵測(cè)量模塊2、水平舵基準(zhǔn)模塊3、水平舵測(cè)量模塊4使用4芯水密電纜與數(shù)據(jù)處理模塊5連接。
[0031]所述的4芯水密電纜，2芯用于串口通信，2芯用于模塊供電，供電使用5v直流電源。
[0032]結(jié)合圖4和圖5，所述的垂直舵基準(zhǔn)模塊1安裝在AUV主艇體部分，使核心組件MPU9250坐標(biāo)系的X軸正方向與AUV艇體艏向一致，Z軸與垂直舵舵軸一致;垂直舵測(cè)量模塊2安裝在垂直舵舵板表面，使核心組件MPU9250坐標(biāo)系的X軸正方向與AUV艇體艏向一致，Z軸與垂直舵舵軸一致;水平舵基