王健，陳 偉，曹園山，徐令令，陳玨

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

水下滑翔器（underwater glider）是一種新型水下長(zhǎng)航程智能航行器，具有續(xù)航能力大、噪聲小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。水下滑翔器的姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置用于控制水下滑翔器滑翔過(guò)程中的姿態(tài)和航向，是水下滑翔器關(guān)鍵部件之一，其能否可靠正常運(yùn)行，直接影響水下滑翔器的航向性能與通信性能。目前國(guó)內(nèi)外水下滑翔器的各個(gè)控制模塊普遍采用分散式布局方式，各個(gè)模塊功能上具有一定的獨(dú)立性，如姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般采用智能型驅(qū)動(dòng)器如MSSTB05-R 系列驅(qū)動(dòng)器，其自帶控制核心通過(guò)RS485 總線通信的方式接收航行控制器（以下簡(jiǎn)稱航控）的指令，且能夠獨(dú)立檢測(cè)姿態(tài)調(diào)節(jié)的位置。然而采用該種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和控制方式會(huì)帶來(lái)2 個(gè)方面的問(wèn)題。

首先是能耗較高。通過(guò)對(duì)滑翔器的海試運(yùn)動(dòng)時(shí)歷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得知，水下滑翔器一次500 m 深度潛浮周期約為8 100 s，在此過(guò)程中滑翔器通過(guò)姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)和航向控制約300 s，姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)間只占整個(gè)時(shí)長(zhǎng)的3.7%。采用該種方式驅(qū)動(dòng)，智能驅(qū)動(dòng)器一直處于上電待機(jī)狀態(tài)，消耗了大量電能。其次是可靠性較低。由于智能驅(qū)動(dòng)器自主檢測(cè)限位開關(guān)，自主開啟和停止電機(jī)。當(dāng)姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于異常發(fā)生宕機(jī)時(shí)，水下滑翔機(jī)航控?zé)o法準(zhǔn)確實(shí)時(shí)獲知姿態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的通斷和位置信息。

本文在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)了基于STM32的新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)合STM32 控制器搭建了全新的軟硬件架構(gòu)，與舊系統(tǒng)相比，新型姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠顯著降低功耗并提高了可靠性。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示，新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由控制器、橫傾驅(qū)動(dòng)器、縱傾驅(qū)動(dòng)器、以及位置檢測(cè)模塊構(gòu)成，外部通過(guò)RS485 總線與航控進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。控制器實(shí)時(shí)解析航控指令，結(jié)合限位開關(guān)信息對(duì)橫傾和縱傾驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，此外航控可以實(shí)時(shí)獲取姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of the system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2 所示，按照具體實(shí)現(xiàn)的功能，新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由主控模塊、通信模塊、位置檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)器電源控制模塊及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖Fig.2 Hardware architecture diagram of the system

2.1 主控模塊

新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以STM32F103RBT6微處理器為控制核心，該處理器為32 位，主頻最高72 MHz，具有高速嵌入式存儲(chǔ)器（閃存和SRAM 多達(dá)128～20 bit），16 MHz 石英晶振，專用3 kHz 振蕩器與RTC 校準(zhǔn)，具有睡眠、停止和待機(jī)模式，可有效降低功耗。該芯片廣泛應(yīng)用于各種智能化嵌入式處理方案。新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以STM32F103RBT6為控制核心，結(jié)合通信模塊、限位模塊、驅(qū)動(dòng)器電源控制模塊、驅(qū)動(dòng)器信號(hào)接收模塊完成了系統(tǒng)的硬設(shè)計(jì)。

2.2 通信模塊

為了與原有的通信方式兼容，控制器仍采用RS485通信的方式與航控通信聯(lián)絡(luò)，一方面接收來(lái)自航控的指令，另一方面將姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的位置和繼電器等狀態(tài)信息發(fā)送給航控。

2.3 位置檢測(cè)模塊

位置檢測(cè)模塊主要由限位開關(guān)和位置檢測(cè)電路構(gòu)成。橫傾電機(jī)有左、右、中3 個(gè)限位點(diǎn)，縱傾電機(jī)有前、后2 個(gè)限位點(diǎn)。其中左、右、前、后限位點(diǎn)采用微動(dòng)式機(jī)械限位開關(guān)，其為觸點(diǎn)開關(guān)，直接接入GPIO口進(jìn)行檢測(cè)，功耗幾乎可以忽略。姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置的橫傾中限位采用U 型槽光電開關(guān)，其使用DC5V 電源供電，消耗功率為65 MW。為了盡可能降低功耗提高可靠性，本文通過(guò)三極管電路控制其電源的通斷，使得電機(jī)只在回中運(yùn)動(dòng)時(shí)該電源才打開。

2.4 驅(qū)動(dòng)器電源控制模塊

繼電器電源控制模塊主要用于控制驅(qū)動(dòng)器的通斷，主要由繼電器和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，與過(guò)去的控制方式相比，由于采用分時(shí)控制，可以極大降低滑翔器的功耗。新型滑翔器采用非智能型海頓DCM4010 驅(qū)動(dòng)器，單臺(tái)待機(jī)功耗約0.4 W。一次500 m 深度潛浮周期約為8 100 s 單臺(tái)驅(qū)動(dòng)器可以節(jié)約大約8.1 W·h 的電能。

2.5 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊電路主要用于將STM32 控制模塊發(fā)出的PWM 控制指令進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將TTL 的3.3V 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器可以接收的5V 電平信號(hào)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了提高水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置的可靠性，降低控制系統(tǒng)的功耗，僅靠硬件設(shè)計(jì)還不夠，必須有相應(yīng)的軟件配合。軟件實(shí)現(xiàn)上主要分為低功耗管理軟件和故障自診斷復(fù)位軟件。

3.1 低功耗管理軟件設(shè)計(jì)

滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)低功耗管理軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。系統(tǒng)軟件是基于C 語(yǔ)言在KEIL 平臺(tái)中基于前后臺(tái)的編程思路完成的。系統(tǒng)主控制器在上電后一直處于接收狀態(tài)，接收來(lái)自航控的指令。當(dāng)收到航控的控制指令后，主控模塊解析該指令，設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，發(fā)送一定頻率的控制脈沖，打開橫/縱傾驅(qū)動(dòng)器電源，位置檢測(cè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，待到位后關(guān)閉橫/縱傾驅(qū)動(dòng)器電源。中限位開關(guān)只有在回中運(yùn)動(dòng)時(shí)電源才打開，其余都處于關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)姿態(tài)改變需要，通過(guò)分時(shí)控制驅(qū)動(dòng)器電源及中限位開關(guān)電源的方式來(lái)降低系統(tǒng)的整體功耗。

圖3 姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)低功耗管理軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 low chart of low power management software design for attitude adjustment system

3.2 故障自診斷保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置一般通過(guò)滾珠絲杠等傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)滑塊的移動(dòng)，但是這些機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間惡劣海況下工作時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生機(jī)械結(jié)構(gòu)卡頓等異?，F(xiàn)象。機(jī)械結(jié)構(gòu)卡頓將消耗大量電能，若卡死還會(huì)導(dǎo)致電路系統(tǒng)的燒毀。過(guò)去的系統(tǒng)架構(gòu)，主機(jī)無(wú)法獲知當(dāng)前姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，系統(tǒng)的可靠性較低，為了提高系統(tǒng)的可靠性，新系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必要時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并發(fā)送當(dāng)前姿態(tài)調(diào)節(jié)的位置狀態(tài)給航控進(jìn)行相應(yīng)的處理。

當(dāng)系統(tǒng)由于故障超時(shí)斷電處于不確定位置時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)自診斷保護(hù)程序，流程圖如圖4 所示。對(duì)于橫傾電機(jī)，控制系統(tǒng)會(huì)按照從前向后方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)于縱傾電機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)按照左、右、中的方向進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，控制器的計(jì)時(shí)器開始記錄當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的安全時(shí)間后，控制器發(fā)送斷電信號(hào)，然后當(dāng)前故障點(diǎn)位置信息通過(guò)串口發(fā)送給航控進(jìn)行記錄，緊急時(shí)采取應(yīng)急上浮措施，進(jìn)行回收處理。通過(guò)這種故障診斷方式可以提高姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)滑翔器整體系統(tǒng)的可靠性提高具有重要意義。

圖4 姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障自診斷復(fù)位軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Design flow chart of self-diagnosis reset software for attitude adjustment system

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 功耗測(cè)試及結(jié)果分析

為進(jìn)一步降低滑翔器的功耗，開發(fā)了新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用在正在研發(fā)的“海翔系列”水下滑翔器中。為了獲取新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功耗數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的低功耗特性，實(shí)際海試前，在岸基測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)為3 個(gè)潛伏周期，30 m 深度滑翔深度，在滑翔器內(nèi)部安裝了功耗測(cè)試模塊對(duì)改進(jìn)前后姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功耗分別進(jìn)行記錄，滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)時(shí)功耗對(duì)比如圖5 所示，其中滑翔深度為后加擬合線。由對(duì)比圖可以看出，改進(jìn)前姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置的工作功耗約為22.8 W，待機(jī)功耗7.2 W。改進(jìn)后姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置工作功耗約為16.916 W，待機(jī)功耗只有0.5 W 左右。

圖5 改進(jìn)前后一個(gè)航次實(shí)時(shí)功耗對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of one voyage real-time power consumption of data before and after improvement

表1 統(tǒng)計(jì)了一個(gè)航次連續(xù)24 天累計(jì)共897 次下潛過(guò)程中，改進(jìn)前使用智能型驅(qū)動(dòng)器MSSTB05-R 方案和改進(jìn)后新型姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置在水下滑翔器中使用時(shí)的功耗統(tǒng)計(jì)值。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)后的姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置功耗值只占改進(jìn)前的23%，功耗較改進(jìn)前大幅下降。

表1 改進(jìn)前后姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置功耗統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of power consumption of adjustment device before and after improvement

4.2 可靠性驗(yàn)證

可靠性驗(yàn)證分為陸上傾角測(cè)試驗(yàn)證和海試驗(yàn)證。陸上測(cè)試分為縱傾測(cè)試和橫傾測(cè)試，縱傾測(cè)試時(shí)姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)測(cè)試角度從埋首40°至抬首40°變化，橫傾測(cè)試時(shí)姿態(tài)調(diào)節(jié)角度系統(tǒng)角度從左傾40°至右傾40°變化。陸上傾角測(cè)試統(tǒng)計(jì)表如表2 所示，姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置合計(jì)測(cè)試次數(shù)大于5 000 次，遠(yuǎn)大于單次海上航行姿態(tài)調(diào)節(jié)次數(shù)，期間沒(méi)有出現(xiàn)異常。

表2 陸上傾角測(cè)試統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics for land dip test

2021 年8 月試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開展了海翔-500X 型水下滑翔器的南海海試。在海試過(guò)程中水下滑翔器必須通過(guò)姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行縱傾角實(shí)時(shí)干預(yù)以使得滑翔角到達(dá)合適角度。在整個(gè)海南海域的海試中，基于STM32 的新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置運(yùn)行良好，水下滑翔器的各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，未出現(xiàn)任何由于姿態(tài)條件裝置異常而產(chǎn)生損壞、失控等問(wèn)題。圖6 為滑翔器海試測(cè)得的縱傾、橫傾以及深度數(shù)據(jù)。

圖6 海翔-500X 海試深度、縱傾角、橫傾角海試數(shù)據(jù)Fig.6 Haixiang-500X sea test depth,trim angle and roll angle sea test data

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于ARM-STM32 的新型水下滑翔器姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有功耗低、控制穩(wěn)定可靠性高的特點(diǎn)，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、占用空間較小，重量輕，適合水下滑翔器中使用。該系統(tǒng)用于水下滑翔器的設(shè)計(jì)中，可以靈活地依據(jù)水下滑翔器主控制器的要求實(shí)現(xiàn)各種姿態(tài)的改變。