基于arm嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统研究(编辑修改稿)

基于arm嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统研究(编辑修改稿)内容摘要：

摆动车架，支承轮也能摆动，因此该底盘车能较好地适应海底复杂地形，具有较好的越障能力。 履带结构简单，渐开线履齿对沉积物的作用如同齿轮与齿条啮合，对沉积导扰动较小。 集矿方式：高压水射流集矿。 集矿时，前排射流将结核从沉积层上冲起，后排反向射流挡住冲起的结核往后的去路，并与前排射流产生一向上的合流将结核抬起，基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第一章 绪论 并冲向后部的输送机构。 实验表明， 该集矿头可在集矿高度 100~200mm内工作，高度为 140mm时，集矿效率可达 100%。 传感装置：一个测障声纳、一个磁通门罗盘、一台多普勒测速仪、两个测速编码器、一台深海摄像头。 几何参数：长 ，宽 3米，高 2米。 图 德国锡根大学研制的 深海人 （ 3） 法国梭型潜水 深海机器人 1980年前后，法国 Vertut等人研制了一种梭型潜水 深海机器人 （见图 ）。 为得采矿靠自身重量下行，一般与竖直方向成一定角度。 压仓物贮存在结核仓内，当 深海机器人 快到达海底时，释放一部分压舱物以便采矿车徐徐降落。 深海 机器人 用阿基米德螺旋推进器在海底行走，一边排出压舱物，一边采集等效重量接近零。 当最后一点压舱物被排出， 深海机器人 在阿基米德推进器作用下返回到海面。 法国所设计的第二代梭型潜水遥控 深海机器人 模型机 PLA2型外形尺寸为 、重 16t（包括压舱物）。 由于系统投资大，产品价值不高，法国大洋结核研究开发协会（ AFERNOD）于 1983年已停止研究。 图 法国梭型潜水 深海机器人 （ 4） 日本拖曳式 深海机器人 日本在连续斗系统实验失败后，于八十年初转入拖曳水力射流 深海机器人 的研究（见图 ）。 但经过多年研究，日本已认识到拖曳式行走不能满足生产要求，正基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第一章 绪论 准备转身自行走 深海机器人 的研究。 图 深海机器人 （ 5） 印度深海底 深海机器人 印度于十九世纪七十年代即开始了多金属结核采矿的研究，但进展缓慢。 通过与德国锡根大学合作，采用锡根大学研制的履带车底盘，并自行研究了独特的集矿头，印度与 1999年 7月进行了 200m浅海实验，并取得了成功。 图 深海机器人 模型。 该 机器人 长 3160mm，宽 2950m，重 10t，最大速度。 在 机器人 顶安装有一个可左右摆动的机械臂，机械臂的 下方为一个泥浆泵。 采矿时，通过机械臂的左右摆动，用泥浆泵抽取海底表面的多金属结核。 该 机器人 除可采集多金属结核外，也可进行海底采沙。 图 深海机器人 国内研究现状 国内深海机器人控制技术研究始于 “八五 ”计划。 “八五 ”期间，我国在综合研究国基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第一章 绪论 外深海机器人作业行走机构的基础上，长沙矿山研究院在 “八五 ”期间研制了一台自行式履带车模型机（见图 (a)），该车采用近似渐开线高齿橡胶履带，双浮动悬架和横向摆动梁，双泵全功率供油，液压马达分别驱动，电液比例控制，采用水力机械复合集矿方式， 外形尺寸 ，重 8t,行驶速度 0~1m/s。 结合深海采矿模型深海机器人的研制和实验室研究，于 95年成功开发了稀软底履带行走式深海机器人控制系统，浅水试验初获成功，取得了阶段性研究成果。 同时暴露了控制系统水下仪表的执行机构多根电缆和信号缆相互间的缠绕扭曲严重、密水接头过多、主要依赖观测手段操作等薄弱环节，为 “九五 ”扩大研究奠定了基础。 “九五 ”期间，由我国自行设计，与法国 Cebyic公司合作，研制了第二代深海机器人（见图 (b)）主要改进表现为采用尖三角齿特种合金履带板，提高了深 海机器人在深海软底环境下的可靠性和可行驶性；改用全水力集矿方式，进一步提高了深海机器人的效率；增加了控制密水箱和相关传感器，提高了深海机器人的可操作性。 该深海机器人达到了牵引特性理想、牵引力大、承载能力强、跨越或绕过海底障碍容易、能适应软海底行走的预期目标。 研究重点集中于深海中的试深海机器人控制和供电技术的研究开发，旨在打通深海采矿主要子工艺系统的控制流程。 基于技术设计和实验室研发，采用国际合作的技术路线，各控制环节初步形成，于 2020年研制出我国第二代深海机器人控制系统。 控制系统基于 COMPACTPCIIPC组成DCS层次结构，控制功能较为完善。 开发了基于 PLC的硬管扬矿监控装置、基于研华一体化 IPC的软管控制装置。 各子系统工艺流程基本满足工艺实验室要求，但控制系统功能有待完善。 并于 2020年成功进行 130m水深湖试。 由于自身和外部环境等因素，在湖试时发现，深海机器人在 130m软底是行驶的难度很大，现在人工控制效果很不理想。 2020 年，中国大洋协会发布了 “十五 ”深海资源研究开发计划，并向中南大学、长沙矿山研究院、长沙矿冶研究院等研究课题承担单位下达了《深海采矿中试系统监控、动力配置技术设计》研究开发子 项目任务，下辖 5 个子课题，重点仍然集中于深海中试 深海机器人 控制技术的研究开发。 面向实验室研究和技术设计，旨在打通深海采矿各子工艺系统的控制流程，为 “十五 ”海试控制系统工艺设计和研制开发提供技术支撑。 根据中国大洋协会 “十五 ”计划安排，结合 “八五 ”“九五 ”研究和技术设计成果，开展 深海机器人 控制技术深度开发。 “十一五 ”计划的头两年完成深海采矿系统 1000米海试的试验工作，积累海上大型系统施工作业的经验。 试验完成后开展针对 6000米的关键技术攻关，为 6000米海上试验开采做好准备。 与此同时在 “十一五 ”计划期间展开 其他资源的开采方案和部分关键技术的研究，力争深海采矿技术能面向多种资源。 基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第一章 绪论 图 深海机器人 图 深海机器人 我国深海采矿的工艺流程 我国采用的采矿系统方案是深海复合式水力提升采矿系统，属于 深海机器人 加管道输送采矿系统中的一种 [9]。 该系统包括三个相互连系部分，即 深海底采矿机器车 、提升设备和海面设施（见图 ）。 其基本的工作原理是，集矿子系统（即 深海机器人 ）在海底按预定路径行驶，由 深海机器人 上的采集头将多金属结核吸入 深海机器人 并进行 破碎。 破碎后的矿浆经输送管到达中间舱，再由水力提升系统将矿浆通过扬矿管（硬管）输送到水面采矿船。 在而在整个采矿系统中，集矿子系统部分是该方案中的一个关键环节，由 深海机器人 和与之相配套的控制系统及动力配置系统构成。 深海机器人 主要包括自行式履带作业车、 深海机器人 构、破碎机构、液压系统、控制系统、动力装置、软管连接装置。 整个 深海机器人 行走、姿态调整、采集、破碎的动力都由液压系统提供，采用 2台高压水下电机驱动油泵提供压力。 深海机器人 是履带式的自行走作业车，采用高尖齿的履带行走，两条履带由安装在后轮上的两台液压马 达分别驱动，用变量泵调节速度。 同时，为了在 深海机器人 收放时控制其姿态，防止其旋转，在 深海机器人 的前后各安装了一台液压马达驱动的螺旋桨。 深海机器人 构安装在作业车的前端，由前后两排相对斜向海底射流的喷嘴、附壁喷嘴、封闭输送管道和排泥隔栅等组成。 采用低压大流量水力冲抬输送原理采集结核，压力水由液压马达驱动的水泵提供。 深海机器人 构利用水射流将赋存在海这个底表面的多金属结核扰动、捕获，经过脱泥后输送到破碎机构的料仓中；破碎机构将多金属结核破碎成满足扬矿输送要求的大小的矿石粒径后进入扬矿输送管道，完成整个集矿作业。 破碎机构采用单齿辊式破碎，由液压马达驱动，同时具有液压自动防卡排除大块装置。 采矿系统还包括一个中继站，中继站为 深海机器人 处理过的矿结核提供一基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第一章 绪论 个暂存和中转的场所，另外，合理地分担了部分设备安装，使 深海机器人 有最大的机动灵活性。 海面采矿船为集矿和扬矿提供所有操作控制和维护。 整个系统由海面采矿船上的监控中心分别对 深海机器人 的集矿过程、行走速度和方向、以及海面采矿船之间的相对位置、 深海机器人 上的碰壁声纳进行控制。 深海机器人 上的定位声纳用来确定和显示 深海机器人 在采矿区相对中继站的位置，多波声纳用来探测前进方向的地形和障碍物。 此外 深海机器人 上安装的电视摄像机用来观察 深海机器人 的各种运动和各工作机构的工作情况，以及其周围的地形。 论文组成 由于深海机器人对整个采矿方案有着举足轻重的作用，因此，开展对深海机器人行走控制的研究是非常有必要的。 为此本文着重对深海机器人的行走控制进行了研究，研究的内容如下： 第一章简要介绍了深海采矿的背景、 工艺流程 及深海机器人在深海采矿中的重要意义 及其在国内外的研究现状。 第二章 设计 了基于 ARM 微处理器的深海机器人行走控制硬件方案。 第三章提出了基于专家模糊控制的深海机器人行走控制算法。 第四章 采用 MATLAB 对深海机器人行走控制系统进行动态仿真。 第五章设计了深海机器人行走控制系统的软件方案。 第六章总结。 6000m 图 深海底多金属结核采集系统示意图 采矿船 扬矿管 复合电缆 提升泵 中间仓 输送软管 深海机器人 ～ ～ 基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第二章 深海机器人轨迹跟踪系统硬件设计 第二章 深海机器人轨迹跟踪系统硬件设计 深海机器人轨迹跟踪系统硬件框图 图 深海机器人轨迹跟踪 系统硬件框图 从深海机器人轨迹跟踪系统硬件框图可以看出，需要检测的数据包括 : 左右履带当前的实际转速、深海机器人的当前实际切向速度和深海机器人当前行驶方向角。 这三种参数的检测原理为： 上的光电编码器来进行检测的。 通过测量编码器两个相邻脉冲时间间隔，就可以测得深海机器人左右履带的速度。 2. 深海机器人的当前实际线速度是通过安装在深海机器人的地轮来进行检测的。 其检测原理是：在深海机器人中下部安装一个拖在地面的可以自由转动的轮子，当深海机器人行驶时，利用安装在轮 子一侧的增量式光电编码器来检测轮子的转速，从而得到集矿机的当前线速度。 由于地轮基本上不发生打滑现象，因此地轮的转速即反应了深海机器人当前的实际线速度。 当前行驶方向角是由安装在深海机器人上的数字罗盘检测得到。 数字罗盘是通过检测磁阻的变化来确定深海机器人当前方向角的传感器。 数字罗盘的接口简单，可以通过 RS232 或 RS485 串口直接读取深海机器人当前行驶的方向角。 主控制器进行传感器数据的在线采集并存储，然后根据相关控制算法进行数据的处理，经 D/A 转换发出相应的控制信号，控制电液比例阀的动作，从 而达到控制深海机器人左右履带的目的。 为了实时监控深海机器人的轨迹，通过 RS485 与上位机进行通信。 由于上位机的通信端口只有 RS232，所以为了与上位机进行通信，必须进行 RS232/RS485 转换。 中断 主控制器 ARM ARM RS232 RS485 RS232 UART1 LDATA0~7 EINT0~5 UART0 RS232/RS485转换器 上位机 RS232 D/A 电液比例阀 增 量式光电编码器 （左右履带、车体 线 速度） 数字罗盘 （航向角采集） 左右履带速度 RS232/RS485转换器 基于 ARM 嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第二章 深海机器人轨迹跟踪系统硬件设计 深海机器人轨迹跟踪系统硬件原理图 深海机器人轨迹跟踪系统硬件原理图见附录图 1~图 7。 主控制器的选择 目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过 1000 种，流行的体系结构包括 MCU、 MPU等 30 多个等系列。 其中的典型代表有单片机、 ARM、 DSP 等。 而针对深海环境的复杂性，主 控制器的选择必有具有很强的实时任务支持能力，能够完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低的限度。 单片机、 ARM、 DSP 都具有这样的特点。 但单片机的抗干扰能力较弱，性能一般，一般用在低端的控制系统中，对于深海复杂的环境来说并不适合，而 DSP 是专门用来处理数字信号的，在语音合成和编码器中有广泛的应用，用来控制深海机器人行走也不合适。 所以对于深海机器人的 行走 控制来说选用 ARM 控制器是最佳的选择。 Samsung公司的 S3C2410 处理器是一款 ARM9 系列的处理器，基于 ARM9TDMI处理器核，采用 ， 存储器供电， 外部 I/O 口供电。 这。