0 引言

　　深海裝備開發及其配套技術是海洋技術領域的重要分支，在國防安全、海洋科學調查、海洋資源勘探、水下工程等多個領域有著廣泛的應用。本文根據深海裝備在海底作業中出現的實際需求，針對需要在海底復雜地形下平穩著陸，保持水平姿態進行作業的情況，提出了一種用于深海裝備的四足著陸控制技術，并制作了實現該技術的原理樣機。該樣機采用了傳感器技術、微處理技術、水下密封技術等構成系統單元的硬件，在研究和分析了國內外深海裝備著陸及調平技術方案的基礎上，采用了一種創新性的“二次調平”機制，并通過自適應控制理論設計實現了一種水下四足著陸算法，在實驗室水池中實現了原理樣機在模擬海底地形下的平穩著陸與調平功能。與以往研究相比，該技術能實時根據地形地貌，自主、平穩地著陸到海底地面，輔助勘探工作順利進行，大大提高了水下資源采集的能力。

1 系統工作原理

　　深海裝備的著陸控制系統的工作示意圖如圖1所示。系統分為水上的甲板供電單元和水下作業平臺兩個部分。母船行駛到指定海域后，下放搭載了著陸控制系統的深海裝備進行水下作業。當整個裝備離底10 m時，著陸控制中的距離調平系統被觸發，4個安裝在支腿底部的距離傳感器開始測距，并通過RS-232總線將數據傳送到主控模塊。主控模塊進行數據處理計算后，輸出PWM信號給電機驅動模塊，從而通過電機的轉動調整各個支腿的長度，完成第一次調平工作。隨著整個裝備的繼續下降，當離底距離小于0.5 m時，距離調平系統停止工作。隨后裝備坐底，角度調平系統被觸發，安裝在平臺中央的角度傳感器將實時的水平X、Y兩個方向的角度通過I2C總線傳送給主控模塊，通過數據融合解算，反復調節各個支腿的伸縮長度，使整個裝備盡可能地水平著陸在指定的海底。當X、Y的角度同時小于1°時，角度調平系統暫停工作，從而完成整個裝備的第二次調平工作。這一調平技術可為該深海裝備的執行機構平穩、可靠地進行水下作業(如鉆機鉆具下行、CPT探針下行、ROV或HOV機械手取樣等)提供一系列的保障。

2 系統硬件設計

　　系統的硬件設計主要包含主控模塊、傳感器模塊和步進電機驅動模塊，如圖2所示。

　　本系統選擇意法半導體公司生產的STM32F103VCT6作為控制模塊處理器，其工作頻率高達72 MHz，內部集成嵌套矢量中斷控制器NVIC、64 Kb閃存、20 Kb的RAM，支持SWD調試，多個16位定時器可以實現輸入捕獲、PWM輸出等功能，另外芯片內部集成2個SPI外設接口、2個I2C接口、5個U(S)ART等外設，完全能滿足本系統設計的資源要求[1]。

　　角度傳感器采用的是ADI公司生產的采用MEMS技術的三軸加速度計ADXL345，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點；具有SPI和I2C數字輸出功能；最大量程可達±16 g，另可選擇±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測得0.25°的傾角變化。在系統工作時，微處理器通過SPI總線訪問ADXL345的寄存器中的X、Y、Z的值，經過處理得到水平X、Y方向的傾角值[2]。

　　距離傳感器是直接采用Tritech公司生產的Micro Sounder高度計，其工作頻率為500 kHz，測量范圍0.5 m～50 m，分辨率達到1 mm，完全符合本系統設計要求。其通過RS232總線將高度值以ASCII碼的形式傳送給微處理器。

　　電機驅動模塊采用的是以THB7128作為驅動芯片，其特點是：低功耗、多種細分、高細分，且電機運行穩定，無噪聲，不失步。采用兩片6N137高速光耦隔離輸入，在保護控制器的同時，更高的傳輸速率讓步進電機工作更加穩定準確。在系統工作時，微處理器通過2個I/O與一路驅動電路相連，分別控制步進電機的轉速和轉向。

3 系統軟件設計

　　整個著陸控制系統以STM32微處理器為控制核心，使用C語言編寫。著陸控制系統軟件包括高度計和姿態模塊數據的采集、數據處理和PID控制三個部分。

　　3.1 高度計的數據采集及處理

　　測距模塊程序設計可以分為以下幾個步驟，如圖3所示。

　　(1)系統初始化

　　上電后，對系統時鐘、I/O口、UART初始化配置。

　　(2)微處理器接收高度數據

　　單片機微處理器接收中斷程序，判斷是否接收到高度計發送數據的請求，如果接收到發送請求，則單片機進入到接收數據狀態，存入預先設定好大小的數據緩存區。

　　(3)數據解析

　　從數據緩存區提取5幀完整字符串類型的數據，將其轉化成浮點型數據，求出這5組數據的平均值，存入數組變量。

　　3.2 傾角計的數據采集及處理

　　ADXL345寄存器中存放的是X、Y、Z 3個方向的加速度值，微處理器通過SPI總線取出數據，計算得到X、Y方向的傾角值，軟件流程圖如圖4所示。

　　3.3 著陸控制系統主程序設計

　　著陸控制系統主程序的軟件流程圖如圖5所示。主程序將采集到的高度計和傾角計數據進行解析、判斷、運算，結合PID算法，獲得電機控制量。

　　距離調平系統采用向平均值靠攏的方法，設H為各個支腿的高度值，i為支腿編號，j為測量序數，P、I、D分別為PID調節中的比例、積分和微分參數，M為電機控制量。通過4個支腿的高度值Hi（i=1，2，3，4），分別計算出誤差Hi：

　　角度調平系統采用位置誤差控制調平的方法。當整個設備坐底后，各個支腿承受較大的力，因此采用各支腿只升不降，其他支腿向最高點靠攏的方式，可以快速平穩地完成系統的“微調”。

　　在如圖6所示的模型分析圖中，OX0Y0為水平坐標系，OXY為平臺坐標系[5，6]。其中，平臺長為La，寬為Lb，平臺與X、Y方向的傾角。首先根據?琢、?茁的大小判斷出最高的支腿；其次，設平臺的4個支點的坐標為（xi，yi，0）(i=1，2，3，4)，根據數學推算，得出各個支點的坐標為：

　　當平臺剛落地后，各個支點在OX0Y0中的縱坐標的初值：

　　根據式(7)，這里必有最高腿存在，同時假定i=h，且zi≤zh。那么動作過程中，各腿的高度差滿足：

4 系統調試與結論

　　在實驗室水池中搭建的試驗環境如圖7所示。在水池底部模擬一個高低不平的復雜海底環境，并將整個裝置通過滑輪吊到半空中，處于模擬海底的正上方；接通電源，通過滑輪將裝置緩緩下放；下放過程中，4個支腿將會通過水底的實際環境自動調節各個支腿的高度，進行“粗調”；當4個支腿到達底部時，傾角傳感器開始工作，進行 “微調”；當傾斜度小于閾值時，調平結束，著陸成功。圖7所示為調平過程中各個支腿的高度曲線。結果表明，系統工作正常，能很好地在水下完成平穩的著陸。

參考文獻

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　　[2] 肖茜，陳慶.基于ADXL345的超低功耗傾角測量儀的設計[J].電腦知識與技術，2014(16)：3923-3925.

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　　[4] 王虎，彭如恕，尹泉.基于STM32嵌入式模糊PID步進電機控制系統的設計[J].機械工程師，2014(11)：139-141.

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