水下航行器模擬平臺智能小車的設計

摘要：為了使水下航行器裝入密封艙后所有模塊正常運行，設計了一個模擬平臺，涵蓋了模擬電路、數字電路、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參數的智能化控制，具有遠距離數據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、周圍環境的溫度與濕度、電池的狀態等參數采集，達到實驗目的，同時節省人力物力，方便、適用性強。
關鍵詞：水下航行器；模擬平臺；智能小車；參數采集

進入21世紀以來，隨著世界經濟的發展，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。海洋監測技術成為海洋資源開發的支撐，隨著海洋開發的不斷深入，越來越多的實驗需要在真實海洋環境下進行，實驗時的海況成為了影響和制約實驗可行性和結果正確性的關鍵因素，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境，通過各種傳感器的綜合運用，這樣才能在真實的環境中得到更加有效的數據，從而更加合理的開發和利用海洋資源，造福人民，保衛祖國的海疆。

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

2 系統硬件設計
單片機采用Microchip公司出品的高性能dsPIC30F4011，內部帶有DSP引擎，能進行大規模、高速的數據處理，并內置A／D轉換模塊、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計，增強系統的可靠性，縮短開發周期。軟件植入μCOSⅡ操作系統，它是一個基于優先級的搶占式多任務實時內核，可以實現多任務調度，提高了系統的有效性、穩定性和可靠性。
2．1 參數采集板的設計
參數采集板主要用于采集風速、風向、轉速以及加速度和GPS數據等。參數采集板功能框圖如圖2所示。

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