[发明专利]一种无人潜水器用转速可调节智能化舵机

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种无人潜水器的驱动装置，具体地说是一种无人潜水器用转速可调节智能化舵机。

(二)背景技术

无人潜水器(Umanned Underwater Vehicle-UUV)在可广泛用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘测，沉物打捞，地震地热活动监测，海洋环境监测，海洋工程维护等。经过多年来各国学者的努力，无人潜水器的运动控制水平不断提高。但在研究实验中也逐渐暴露出了一些问题。尤其在水下高速航行时，槽道螺旋桨存在较大的推力减额问题，严重时会出现载体姿态角失控；槽道桨在定深度、定艏向航行时消耗能量较多，减少了水下机器人的航程；槽道推力器需要在无人潜水器主体上开孔，槽孔贯穿主体，影响耐压舱的设计和布置，占用潜水器内部空间。因此大航程无人潜水器越来越多地采用垂直舵控制艏向，采用水平舵控制纵倾，进而控制深度。

舵机作为无人潜水器舵的执行机构，目前存在许多问题。首先，舵机一般采用步进电机加水密外壳的方案。这样的方式简单，但执行机构无反馈，只能以驱动脉冲计数的方式计算步进角度。一但出现电机失步、扭矩不够时电机转不动、电机与舵轴之间的轴系滑动，即会出现电机转数与舵叶转角不成线性关系的情况。其次目前无人潜水器的舵机转动速度(即舵叶转动速度)保持不变。在高速航行时，舵叶受到的力与航速成二次方关系。航速增大时，舵叶转动速度必须适当减小，以使步进电机可提供的扭矩能够满足转矩输出。这些都就对舵机的智能化提出了迫切要求。

西北工业大学学位论文《基于ARM的自主水下航行器舵机控制系统的设计》和发表在《微电机》上的论文《水下航行器电动舵机控制电路设计》，提出了一种自主水下航行器舵机控制系统的设计方案。该技术方案采用ARM作为舵机控制单元，虽然成本低、能耗省，但计算能力有限，对于较为复杂程序，计算时间不能满足实时要求；采用伺服电机作为舵机的执行单元，但没有提到如何解决伺服电机转速与扭矩的关系问题，转速恒定，很可能因转矩不够带来卡舵的问题。采用电位器测量电机轴转角，精度差，且无法测量到传动轴系卡死、松脱等问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能实时测定舵轴转角，智能决定舵叶转动速度，可对步进电机失步、卡死、轴系松脱等进行在线感知与诊断，为无人潜水器舵机提供智能化运行、感知、诊断、决策手段的一种无人潜水器用智能化舵机。

本发明的目的是这样实现的：

其构成包括步进电机、步进电机驱动器、舵轴角度光栅感应器、PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡、PC/104总线脉冲输出板，所述的步进电机密封于步进电机水密外壳中，步进电机驱动轴通过动密封伸出与舵轴通过轴系联接，步进电机水密外壳上设置水密插头将步进电机的三相输入端引出；PC/104计算机、PC/104总线AD采集卡和PC/104总线脉冲输出板总线插接，和步进电机驱动器一起密封于PC/104计算机水密外壳中，PC/104计算机水密外壳上设置三个水密插头，一个水密插头将步进电机驱动器的三相输出端引出与步进电机的三相输入端连接，第二个水密插头将PC/104总线AD采集卡所用电压采集端引出，将舵轴角度光栅感应器安装于舵轴处，舵轴角度光栅感应器的信号反馈端与电压采集端联结，第三个水密插头引出连线三根，将PC/104计算机与控制舱主控计算机通过RS-232串行通信联结。

智能舵机系统上电，程序自启动。等待主控计算机发送的应转到舵角指令，反馈给主控计算机当前舵角位置信息。程序为激发响应机制，主控计算机舵角指令和当前航速信息到达，根据航速可计算舵叶受力，计算公式为升力与阻力按如下公式计算：