2. 河北工业大学 机械工程学院,天津 300131;
3. 天津瀚海蓝帆海洋科技有限公司,天津 300457
2. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300131, China;
3. Tianjin Hanhai Lanfan Marine Technology Co., Ltd., Tianjin 300457, China
陆上云台作为安装、固定设备,主要用于无人机、机器人等运动目标的跟踪和定位[1-3];水下云台一般搭载船舶或水下机器人[4],国内对于水下云台的研究相对较少。
陈宣成等[5]设计了一种二自由度全海深水下云台的控制系统,便于潜航员在舱内手持移动控制端获取和管理云台系统信息。石领先等[6]完成了对多旋翼无人机增稳云台的结构设计,增加了云台的结构稳定性。林峰等[7]采用自适应容错控制方法,设计了一种云台容错控制器,该方法能够实时估计执行器故障,并能自动更新来补偿对系统的影响。赵炯等[8]提出了一种二自由度陆上云台控制方案,云台采用串级PID双闭环控制,实验结果表明:在定位模式下,云台实际角度变化剧烈,存在明显超调,稳态误差为±5%,速度小于
船舶在海上航行时会受到环境的影响产生晃动,多波束声呐如果直接与船体相连会因晃动影响声呐的数据质量。为了解决多波束声呐的姿态稳定问题,本文提出适用于二自由度水下云台的自适应控制方法,并针对使用工况进行必要的实验研究。云台在定位模式下的控制方法为阶梯速度控制,即根据当前角度距离目标角度值的大小,实时选择不同的速度阶梯,在距离目标角度大时选择高速阶梯,目标角度小时选择低速阶梯。该控制方法经过实验验证具有较好的稳定性,有效减小了超调量。基于定位模式下控制方法的有效性,云台在自适应模式下提出一种阶梯速度PID的自适应控制方法,即在阶梯速度控制方法中引入PID进行实时调节,在5级海况下进行实验,结果表明该方法能有效地解决声呐的使用问题。
1 水下云台物理系统 1.1 机械系统设计二自由度云台机械机构如图1所示,具有Yaw(回转)和Pitch(俯仰)2个方向的自由度,Pitch轴与旋转盘相连。机械结构主要由旋转盘、水密接插件、固定底板和外壳等部件构成。旋转盘用于搭载声呐;水密接插件通过水密缆用于系统的供电和通信,水密缆用于倾角传感器和控制板的供电和通信,固定底板用于云台和船体的固定连接。
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图 1 云台机械结构图 Fig. 1 The mechanical structure drawing of pan-tilt |
该控制系统分为控制端和随动端两部分。在随动端,选用高精度的倾角传感器和编码器作为水下云台的角度方位测量器。
在定位模式下,控制器接收到来自编码器的模拟信号后,将模拟信号转化为数字信号。通过上位机输入水下云台所要到达的目标角度,实时计算编码器角度与目标角度的差值大小,选择匹配的速度阶梯,驱动电机实时按匹配的速度转动。
在自适应模式下,控制器接收来自倾角传感器的姿态数据。通过上位机输入水下云台相对于大地的保持角度,实时计算保持角度与接收到的倾角传感器角度差值大小,通过PID实时调节自身姿态。
1.2.1 硬件方案整个云台系统的控制方案分为硬件部分和软件部分,其中硬件框图如图2所示。控制信号来自于上位机,上位机完成对云台的模式选择,控制器发送控制命令给驱动器,完成2个自由度的转动。数据反馈即水下云台Pitch轴相对于大地的姿态数据,来源于对倾角传感器的数据读取。
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图 2 云台硬件框图 Fig. 2 The hardware block diagram of pan-tilt |
控制器与上位机之间采用RS485通信,波特率为115200;控制器与倾角传感器之间采用RS232通信,采样频率为100 Hz;控制器与驱动器之间采用CAN通信,波特率为250 K。
1.2.2 软件方案水下云台下位机控制的程序框图如图3所示。外设硬件初始化完成后,进入程序循环,云台最初处于待机状态,待机状态下2个电机为停转状态,随后进行模式的选择。
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图 3 云台控制程序框图 Fig. 3 The control program block diagram of pan-tilt |
云台有定位模式和自适应模式2种。在定位模式下,2个自由度分别设置绝对零位,零位角度均为0°。控制器接收来自上位机的目标角度,相应自由度执行转动指令,当编码器角度到达目标角度后,云台进入待机状态。自适应模式下,云台控制器实时接收到来自倾角传感器的数据角度,上位机输入相对于大地的保持角度,系统以特定频率计算保持角度与倾角传感器角度的差值,控制器根据差值给与控制命令使Pitch轴相对于输入的保持角度进行调节,在倾角传感器角度到达保持角度误差范围内后,云台进入待机状态。云台在未接收到命令前或完成命令后,均会处于待机状态。
2 水下云台控制方法 2.1 定位模式水下云台在定位模式下,用户通过上位机输入云台所要达到的目标角度,使云台相对于目标角度保持稳定。控制器通过电压采集芯片将编码器输入的模拟量转换成数字量后,计算出云台输入的目标角度与编码器角度的差值
根据阶梯速度的选档要求,需要实时计算目标角度与云台编码器角度的差值
$ \Delta \left( t \right) = {\theta _m} - {\theta _n}\left( t \right)。$ | (1) |
式中:
$ \begin{array}{l} v\left(t\right)=\dfrac{\omega \left(t\right)}{i}=\dfrac{\Delta \left(t\right)}{i\times t}=\\ \Bigg\{\begin{array}{c}k\text{,}\\ mt+k\text{,}\\ 0\text{,}\end{array}\begin{array}{c}\\ \\ \end{array}\begin{array}{c}\left|\Delta \left(t\right)\right|\geqslant 10^{\circ},\\ error < \left|\Delta \left(t\right)\right| < 10^{\circ},\\ \left|\Delta \left(t\right)\right|\leqslant error。\end{array}\end{array} $ | (2) |
式中:
$ \left| k \right| = \frac{{\omega \left( t \right)}}{i} = \frac{{3\;600 \times f}}{{i \times p}} \approx 25.714f 。$ | (3) |
式中:
$ \begin{gathered} {\theta _n}\left( t \right) = \int {v\left( t \right)} {\rm{d}} t = \\ \left\{ \begin{gathered} kt,\begin{array}{*{20}{c}} {}&{}&{\begin{array}{*{20}{c}} {}&{\left| {\Delta \left( t \right)} \right| \geqslant 10^\circ } ,\end{array}} \end{array} \\ m{t^2} + kt + l,error < \left| {\Delta \left( t \right)} \right| < 10^\circ ,\\ {\theta _m},\begin{array}{*{20}{c}} {}&{}&{\begin{array}{*{20}{c}} {}&{\left| {\Delta \left( t \right)} \right| \leqslant error}。\end{array}} \end{array} \\ \end{gathered} \right. \\ \end{gathered} $ | (4) |
式中:
水下云台在自适应模式下,用户通过上位机设置下位机为自适应模式后,输入水下云台相对于大地坐标系的保持角度,使水下云台相对于输入角度保持稳定。控制方法采用一种新型的控制策略:阶梯速度PID自适应控制方法。为了提高自适应模式的精确性,设置定位模式下0°与倾角传感器的0°一致。
基于定位模式下控制策略的稳定性,自适应模式下采用阶梯速度PID自适应控制方法,即在阶梯速度控制策略基础上引入PID。当船舶受波浪影响俯仰角发生变化,控制器控制云台向反方向补偿,使得旋转盘保持与大地特定角度。角度控制公式为:
$ {\theta _m}\left( {t + T} \right) = {\theta _n}\left( t \right) + U\left( t \right) 。$ | (5) |
式中:
$\begin{aligned}[b] & U\left( t \right) = {K_p} \times e\left( t \right) + {K_i} \times \sum\limits_{n = 0}^t {e\left( n \right)} + \\ & {K_d} \times \left( {e\left( t \right) - e\left( {t - 1} \right)} \right) 。\end{aligned}$ | (6) |
式中:
$ e\left( t \right) = {\theta _c} - {\theta _q}\left( t \right) 。$ | (7) |
式中:
$ \begin{gathered} {\theta _m}\left( {t + T} \right) = {\theta _n}\left( t \right) + {K_i} \times \sum\limits_{n = 0}^t {e\left( n \right)} \\ \left\{ \begin{gathered} kt + {K_i} \times \sum\limits_{n = 0}^t {e\left( n \right),\begin{array}{*{20}{c}} {}&{}&{\begin{array}{*{20}{c}} {}&{\left| {e\left( t \right)} \right| \geqslant 10^\circ },\end{array}} \end{array}} \\ m{t^2} + kt + l + {K_i} \times \sum\limits_{n = 0}^t {e\left( n \right),{\text{1}}^\circ < \left| {e\left( t \right)} \right| < 10^\circ } ,\\ {\theta _q},\begin{array}{*{20}{c}} {}&{}&{}&{\begin{array}{*{20}{c}} {}&{}&{\begin{array}{*{20}{c}} {}&{\begin{array}{*{20}{c}} {}&{\left| {e\left( t \right)} \right|\leqslant {\text{1}}^\circ } 。\end{array}} \end{array}} \end{array}} \end{array} \\ \end{gathered} \right. \\ \end{gathered} $ | (8) |
式中:
为了验证所述方法的有效性,分别对2个自由度进行实验。对2个自由度进行定位模式下的稳定性实验,对Pitch自由度进行自适应实验。定位模式下,角度误差为0.4°,编码器角度达到目标角度的±0.4°范围内,即认为到达目标角度;自适应模式下,保持误差为1°,倾角传感器角度到达保持角度±1°范围内,即认为到达目标角度。
3.1 实验系统组成实验以二自由度云台为实验载体,主要包括舵机D5061、测试架和水箱等。在水箱中分别对定位模式和自适应模式进行实验验证。D5061作为主要的测试装置,其具体参数如表1所示。
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表 1 D5061参数表 Tab.1 The parameter table of D5061 |
1)Yaw自由度
云台Yaw轴转动范围为±140°,实验初始位置位于0°。通过上位机输入目标角度:45°,−75°,135°,得Yaw轴的角度曲线如图4所示。
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图 4 定位模式Yaw轴目标角度与编码器角度 Fig. 4 Yaw axis target angle and encoder angle of positioning mode |
2)Pitch自由度
云台Pitch轴的转动范围为±90°,实验初始位置位于−11.6°,通过上位机输入目标角度:22°,77°,−58°,得Yaw轴的角度曲线如图5所示。
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图 5 定位模式Pirch轴目标角度与编码器角度 Fig. 5 Pitch axis target angle and encoder angle of positioning mode |
可看出2个自由度的的目标角度(实线)和编码器角度(虚线)的曲线图,纵坐标
1)通过图4和图5中编码器角度的变化趋势可以看出,在距离目标角度足够远的时,角度变化呈一次函数直线状,
2)根据图4和图5中两自由度a,b,c三处的局部放大图可看出,在距离相对较远时,通过曲线斜率看出云台处于高速转动阶梯,在距离目标角度足够近时,斜率迅速减小,快速稳定到达目标角度,超调量在1°以内,且在目标角度允许角度误差内挺住,证明控制策略的可靠性。
3)与文献[8]中串级PID双闭环控制的方法相比,定位模式下:水下云台转动速度更快,超调量更小,稳态误差在3%以内。上述结论为阶梯速度PID自适应方法的设计和验证提供了支撑。
3.3 自适应模式实验自适应实验中,D5061转动方向与云台Pitch轴一致,编码器角度与倾角传感器角度方向一致。D5061转速为8 r/min,根据文献[14]得实验模拟5级海况,海浪平均周期为6.4 s。
1)云台的Pitch轴初始位置为−8.4°,此时倾角传感器角度为0.2°。上位机输入保持角度为0°,使D5061从0°转至50°,得自适应角度曲线如图6所示。
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图 6 Pitch轴自适应实验1 Fig. 6 The adaptive experiment 1 of Pitch |
2)云台的Pitch轴初始位置位于−48.4°,上位机输入保持角度为0°后,使得D5061从50°转至−50°,得自适应角度曲线图7所示。
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图 7 Pitch轴自适应实验2 Fig. 7 The adaptive experiment 2 of Pitch |
1)D5061在向某一方向转动时,云台Pitch轴往反方向转动来补偿偏移量。在此过程中,初始时D5061速度要高于云台补偿速度,倾角传感器的角度偏移量增加;在两速度相等时,倾角传感器的超调量达到最大,之后逐渐减小达到稳定。云台自调节过程中,出现微小超调后趋于稳定。系统调节时间与摆动幅度有关,但均能快速到达保持角度范围内。
2)目标角度和编码器角度曲线基本一致,在倾角传感器角度超调量较大时,曲线斜率较陡速度较大,在倾角传感器角度接近保持角度时,目标角度曲线斜率变缓直至为0,曲线变化趋势符合阶梯速度PID自适应控制方法的控制思想。
3)D5061转动50°情况下,Pitch轴稳定时间为3.5 s左右,倾角传感器最大超调量为7.9°;D5061转动100°情况下,Pitch轴在3.8 s时达到保持角度,之后出现微小超调后稳定,倾角传感器最大超调量为15.8°,系统稳定时间为5.5 s。
4)通过转动D5061模拟船左右晃动,查看Pitch轴的稳定性能。经验证,在5级海况下,系统通过自身调节稳定时间小于海浪周期,解决了声呐的姿态稳定问题,提高成像质量。
4 结 语本文从工程实际出发,解决声呐的姿态稳定问题。设计一种具有回转运动和俯仰运动的二自由度水下云台,并针对声呐的使用工况提出了阶梯速度PID自适应控制方法。通过在定位模式下实验,证明了云台的稳定性;通过在自适应模式下实验,完成了对阶梯速度PID自适应控制方法的验证。实验结果表明:在5级海况下,外界环境对声呐产生干扰时,云台能在短时间内快速稳定的到达保持角度,有效解决了声呐的姿态稳定问题,提高数据质量。
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