毕业设计（论文）基于ARM嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统研究

1、基于arm嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 摘要摘要深海机器人作为深海复合式水力提升采矿系统中的关键，其行走控制性能的好坏直接关系到深海采矿的成败。深海机器人行走在深海底4000-6000米，环境复杂多变，因此提高深海机器人行走控制的稳态和动态品质，对深海采矿系统的可靠性具有重要的意义。本文以深海机器人为背景，在深入了解深海机器人行走控制机构和工作原理的基础上，设计了基于arm嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统。在硬件设计中，主控制器采用是32位arm微处理器s3c2410，并通过光电编码器和数字罗盘分别检测深海机器人行走过程中的速度和方向角，再经过d/a转换器直接控制电液比例阀，从而

2、控制深海机器人的液压驱动系统。深海机器人的液压驱动系统是复杂的非线性高阶系统，无法用精确的数学模型描述其控制规律，因此设计了基于模糊算法的履带速度内环控制器，对左右履带的速度进行精确的调节。而对深海机器人速度和方向角的外环控制则依据人工驾驶经验整定的专家控制规则，对其进行专家控制。深海机器人轨迹跟踪系统是一个实时多任务系统。传统的单任务顺序执行机制不能很好地满足系统的实时要求，且由于程序是一条单线执行下来，如果程序某一处出现问题，则可能影响整个系统的运行，只能靠复位来解决，系统的可靠性不高。因此在设计中采用了开源嵌入式操作系统c/os-进行多任务的调度，保证了系统的实时性和可靠性。仿真结果表明

3、，本文所用控制算法对深海机器人的行走控制具有良好的性能。关键字：深海机器人，行走控制，arm嵌入式，专家模糊控制系统 基于arm嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 目录abstractas the key of deep-sea mining system with complex hydraulic hoisting, deep-sea robots performance of tracking control decides the deep-sea minings success or not. the deep-sea robot walks in the deep seabe

4、d of 4000-6000m, and the environment is complex and changeable. thereby, it has important significance for the reliability of deep-sea mining to improve the quality and dynamic of the deep-sea robots tracking control.with the background of the deep-sea robot, and in the basis of deep understanding o

5、f the structure and work principle of deep-sea robots tracking control, this paper has designed a trajectory tracking system of deep-sea robot base on arm embedded system. in the hardware design, the host controller uses the 32-bit arm microprocessor s3c2410, and measures the speed and direction ang

6、le when the deep-sea robot is walking through the optical encoder and digital compass. finally, using the d/a converter to control the electro-hydraulic proportional valve directly, and then to control the hydraulic drive system of deep-sea system of deep-sea robot. the hydraulic drive of deep-sea r

7、obot is a complicated nonlinear multi-step system, so its difficult to describe the control theory with accurate mathematics model. therefore this paper has designed a inner loop controller by fuzzy algorithm to control the speed of the left and right pedrail accurately. meanwhile, the outer loop co

8、ntroller uses the expert control algorithm to control the speed and direction angle of the deep-sea robot. the trajectory tracking system of deep-sea robot is a real-time and multi-task system, and the traditional single-task cant satisfy the desire of real-time system. once a particular process mak

9、es a mistake, the whole system will be affected. in order to solve this problem, only to make a reset. so in order to assure the real-time and reliability, this paper uses the open-source embedded operating system c/os-to manage for the multi-task. simulation results show that the control algorithm

10、used in deep-sea robot tracking control has a good performance.key word: deep-sea robot, tracking control, arm embedded, expert-fuzzy control目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1 深海机器人轨迹跟踪研究的意义和目的11.2 深海机器人轨迹跟踪的国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状51.3 我国深海采矿的工艺流程71.4 论文组成8第二章 深海机器人轨迹跟踪系统硬件设计92.1 深海机器人轨迹跟踪系统硬件框图92.

11、2 深海机器人轨迹跟踪系统硬件原理图102.2.1 主控制器的选择102.2.2 传感器的选择102.2.3 d/a转换器192.2.4 rs-232/rs485转换器212.2.5 其它器件的选择222.3 硬件抗干扰232.4 本章小结24第三章 控制算法253.1深海机器人行走作业规划及控制要求253.2 深海机器人轨迹跟踪系统控制算法的研究263.2.1 专家控制系统273.2.2 模糊控制系统273.2.3 专家模糊控制系统283.3 本章小结30第四章 基于matlab的系统仿真及其结果314.1 模糊控制器的设计314.2 基于simulink的模糊控制器仿真及其结果334.2.

12、1 深海机器人履带液压系统理想数学模型334.2.2 基于simulink的仿真模型设计344.2.3 控制规则在线学习的模糊控制器的实现354.3 本章小结37第五章 深海机器人轨迹跟踪系统软件设计385.1 深海机器人轨迹跟踪系统软件设计总体框图385.2 嵌入式操作系统的选择及移植395.2.1嵌入式操作系统的选择395.2.2嵌入式操作系统的移植395.2.3 快速自启动程序的设计425.3 各应用程序模块的设计435.3.1 系统主程序设计435.3.2 速度采集模块程序设计435.3.3 航向采集模块程序设计435.3.4 数据处理模块程序设计455.3.5 履带速度调节模块程序设

13、计465.3.6 报警模块程序设计475.3.7 深海机器人上位机程序设计475.4 软件抗干扰485.5 结束语49第六章 结论50参考文献52致谢54附录基于arm嵌入式系统的深海机器人轨迹跟踪系统的研究 第一章 绪论第一章 绪论1.1 深海机器人轨迹跟踪研究的意义和目的曾有人预言：“21世纪将是人类开发利用海洋的世纪”。随着人类社会人口的激增和现代工业的飞速发展，人们正在逐渐地把陆地上有限的矿产资源消耗殆尽。为了寻求新的矿产资源，人们开始把目光投向了海底丰富的矿产资源。 海洋占地球表面积的70.2%，其蕴藏着几乎取之不尽的生物、能源和矿产资源1。据(2000)的粗略推算，仅海底的cu、n

14、i、co、mn金属资源的蕴藏量就可供全球使用千年以上。然而直到现在为止，人们对海洋金属矿产的开发还处在起步的阶段，因此加快对海洋资源的研究和开发在21世纪成了各国的共识。在过去的3o年间，包括中国在内的各国完成了千余航次的海上地质调查、取样和海底钻探，对铁锰结核和富钴结壳的分布、物质成分、资源量和采冶工艺进行了全面而深入的研究，使人们对海底矿产的分布、资源量和开发前景有了一个较全面和较准确的了解。目前探明具有商业开发前景的有多金属结核(锰结核)、富钴结壳和热硫化矿床以及生物基因资源。多金属结核是一种结核状的铁锰矿，又称为大洋锰结核，它广泛分布于水深30006 000 m海底。它主要由铁锰物质组

15、成，含有70多种元素(包括工业所需要的铜、钻、镍、锰、铁等金属)，其中ni，co，cu，mn的平均含1.30%，0.22%，1.00%和25.00%，总储量分别高出陆地相应储量的几十倍到儿千倍，具有很高的经济价值，是一种重要的深海矿产资源。多金属结核在大西洋、印度洋、太平洋等世界几大洋中均有分布，惟太平洋分布最广，储量最大，并呈带状分布，拥有东北太平洋海盆、中太平洋海盆、南太平洋、东南太平洋海盆等4个分区，其中位于东北太平洋海盆内克拉里昂、克里帕顿断裂之间的cc区(clarion-clipperton zone)是结核经济价值最高的区域2。目前,国际海底区域资源的竞争愈演愈烈,许多国家都在积极

16、发展海洋高技术,深化海洋资源利用。海底工业采矿实验的成功，促进了铁锰结核和富钴结壳的工业开采冶炼工艺。有鉴于此，联合国海洋公约大会于1994年曾将世界海洋划分为200海里专属经济区(eez)(这里的资源属主权国)和200海里以外的国际公海。广阔的国际公海中蕴藏的所有资源是属于“人类的共同财富”，各国可依法进行调查研究和申请开采。我国的大洋工作起始于20世纪70年代，最初以多金属结核资源调查为主3。70年代中后期，我国大洋调查船先后在太平洋海底采集到锰结核。80年代初，我国大洋锰结核资源调查工作取得较大进展，1984年开始着手制定我国大洋矿产资源勘查规划，并开始部署相关的科学和技术研究工作。19

17、91年，以“发展我国深海高新技术，为人类开发利用国际海底资源做出贡献”为宗旨的中国大洋矿产资源研究开发协会(简称中国大洋协会)正式成立，成为组织我国各方面深海科研开发力量，开展大洋工作的主要平台，并代表我国向国际海底管理局和国际海洋法法庭筹备委员会申请矿区登记。2001年5月，中国大洋协会与国际海底管理局签订了勘探合同，以合同形式确定了我国在太平洋cc区拥有专属勘探权和优先商业开采权的7.5万平方公里多金属结核矿区，成为继印度、原苏联、法国、日本之后第5个已登记的国际海底开发先驱投资者。这一多金属结核矿区的获得，为我国经济可持续发展提供了宝贵的资源战略储备。1.2 深海机器人轨迹跟踪的国内外研

18、究现状1.2.1 国外研究现状上世纪60年代以来，西方发达国家先后投入了大量的资金、人力和物力来进行深海采矿技术的系统开发和实验研究，并已对连续绳斗法采矿系统、穿梭艇式采矿系统进行了开发研究，并进行了一系列的试验45678。1970年国际财团海洋采矿公司(oma)在大西洋在布莱克海底台地试验了拖曳式水力深海机器人，1978年在太平洋的克拉里昂-克里帕顿断裂带用同样的采矿系统进行了试采。在1978年,美国海洋管理财团就在太平洋矿区按1/41/5工业生产规模进行了海上采矿试验并取得成功,从而奠定了流体提升采矿法的基础。该采矿法的最大特点是配备了自行遥控采矿车,具有较好的机动灵活性,能避开海底障碍物

19、和不利地形,能实现大规模、高效采矿。1987年和1990年俄罗斯(前苏联)在黑海79米水深区域采用自行式深海机器人进行了集矿实验。在实验中，特地在试验区海底抛洒了从太平洋中部水域采集的十余吨锰结核，而其研制的自行式深海机器人采集锰结核的生产能力达到了7.2吨/小时。1994年起，韩国开始了“深海采矿技术开发和深海环境保护”项目，并进行了大量的研发工作。韩国开发的复合式深海机器人采用履带行走方式，与我国目前研制的履带式深海机器人不同的是，它的采矿设备是可以相对底盘平移和旋转运动的，而且其运动由底盘行走机构的运动来决定。与采用固定的方式相比，这种方式集矿效率相对较高，但控制较为复杂。现在韩国正在对

20、履带式深海机器人进行虚拟样机设计和数字仿真研究。德国和法国为海洋采矿系统研制了柔性悬挂和刚性悬挂两台海底履带式深海机器人，其研究重点主要在开发,对导航研究涉及甚少。印度在2000年完成了500 m水深海底履带式深海机器人行走试验,采用的是法国研制的机器车底盘。目前，西方国家具有代表性的深海机器人主要有以下几种：（1）美国omco研制的深海机器人 美国海洋矿产公司(omco)研制，于1978年在夏威夷以南海域进行了实验，并成功收集结核。见图3.1。行走机构：液压驱动，阿基米德螺旋行走机构。其工作原理是螺旋叶片陷入海泥中，螺旋体旋转推动海泥，使行走机构获得向前或向后的推力而前进或后退。其优点为结构

21、简单、海底通过性好，缺点为行走打滑、承载能力低、功耗大、对海底扰动较大。集矿方式：采用转轮和链带机械集矿。由两根斗链把多金属结核铲起，通过输矿皮带传输到贮矿罐。其优点为结构简单，耗能低，缺点为集矿效率不高、转速较高时，结核有随水流漂浮现象，一些用圆柱齿制作的工作表面易被细泥堵塞。传感装置：一个测障声纳、一个姿态角传感器、一台深海摄像机。几何参数：长3415mm，宽2440mm，高2100mm.图3.1 美国omco研制的深海机器人（2）德国锡根大学研制的深海机器人 德国从上世纪七十年代就开始了深海底采矿机器人的研制。经历几十年研究，形成了具有德国特色的采矿系统。图3.2为德国锡根大学研制的深海

22、机器人。该机器人的改进型于1999年7月在印度的浅海实验成功。行走机构：液压驱动，渐开线履齿橡胶带行走机构。该车的特点就是采用了特殊形式的摆动车架，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，并冲向后部的输送机构。实验表明，该集矿头可在集矿高度100200mm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

23、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3.1m，宽3米，高2米。图3.2 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3.3）。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pla-2型外形尺寸为5.53.32.6m

24、、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3.3 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3.4）。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，正准备转身自行走深海机器人的研究。图3.4日本拖曳式深海机器人（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

25、取得了成功。图3.5为印度深海机器人模型。该机器人长3160mm，宽2950m，重10t，最大速度0.75m/s。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3.5印度深海底深海机器人1.2.2 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3.6(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

26、，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4.63.02.1m，重8t,行驶速度01m/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cebynetic公司合作，研制了第二代深海机器人（见图3.6(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

27、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2000年研制出我国第二代深海机器人控制系统。控制系统基于compact-pci-ipc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

28、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2001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。2001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

29、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。图3.6第一代深海机器人 图3.7第二代深海机器人1.3 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

30、面设施（见图2.1）。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

31、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

32、，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。采矿船扬矿管复合电

33、缆提升泵中间仓输送软管深海机器人6000m图2.1 深海底多金属结核采集系统示意图1.4 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。基于arm

34、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2.1 深海机器人轨迹跟踪系统硬件框图中断主控制器armarmrs-232rs-485rs-232uart1 ldata07 eint05 uart0rs232/rs485转换器上位机rs-232d/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转换器图2.1 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

35、当前行驶方向角。这三种参数的检测原理为：1.左右履带当前的实际转速是通过安装在左右履带驱动轮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。3.深海机器人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

36、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rs-232或rs-485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rs-485与上位机进行通信。由于上位机的通信端口只有rs-232，所以为了与上位机进行通信，必须进行rs-232/rs485转换。2.2 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。2.2.1 主控制器的选择 目前

37、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

38、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1.8v/2.0v内核供电，3.3v存储器供电，3.3v外部i/o口供电。这块芯片含有非常丰富的片上资源：具备16kb的i-cache和16kb的d-cache/mmu;外部存储控制器（sdram控制和片选逻辑）；4通道dma并有外部请求引脚；3通道uart（irda1.0，16字节txfifo，和16字节rxfifo）,2通道spi；4通道pwm定时器和1通道内部定时器；看门狗定时器；117个能用i/o口和24通道外部中断源；功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式。8通道10比特

39、adc和触摸屏接口；s3c2410是目前国内使用较为普遍的arm处理器，有较为丰富的资源可以参考，同时，采购比较方便，成本低。2.2.2 传感器的选择1. 光电编码器光电编码器在现代电机控制系统中常常用以检测转子的位置与速度，是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器10。因此深海机器人左右履带和整体的速度可以通过光电编码器来测得。（1）光电编码器的原理光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码

40、盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合，经放大整形后办出若干的脉冲信号。其原理示意图如图2.2所示，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差的两路脉冲信。透镜转轴光源光敏元件放大整形码盘透镜脉冲输出 图2.2 光电编码器原理图根据光电编码器的刻度和输信号的不同，可以分为绝对式光电编码器和增量式光电编码器。1）绝对式光电编码器绝对式编码器可直接输出数字量。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码

41、道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。绝对 式 编 码器是利用自然二进制或循环二进制(葛莱码)方式进行光电转换的。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。特点：具有输出数字量可与微机或dsp直接接口，可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多

42、种。缺点：引出线较多，信号线数量与二进制的位数相同；但是价格高、制造工艺复杂，不宜实现小型化。2）增量式光电编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a、b和z相;a、b两组脉冲相位差，从而可方便地判断出旋转方向，而z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。增量式光电编码器利用双光栅叠栅条纹技术，对空间位置进行光学放大，通过光电接收器输出相位相差的两路信号sin和cos口，判向电路根据这两号的相位关系，确定码盘的转动方向，然后按光栅付之间的转动方向对正弦信号的每个周期进行增或减计数，正转则加，反转则减，于是便可获得相对某一位置的计数值n。若光栅节距角为:,那么相对该指定位置的角度粗码值

43、就为:=n。特点：分辨率高、响应速度快、体积小、输出稳定，测速度和测角度精度高；输出信号可以直接连接到微机或dsp的计数器输入端，由其软件来辨相和计数； 成本低。 缺点：不具有计数和接口电路；无记忆能力，断电后要重新计数。根据以上对比，选用增量式光电编码器是最佳的选择。在本文中选用欧姆龙增量式光电编码器e6b2-cwz6b，其分辨率为1024脉冲/转。（2）增量式光电编码器的测速原理及应用增量式光电编码器输出两个互差的方波信号为a、b，每转一周每个信号输出n个脉冲。a、b信号的相位关系体现了光电编码器旋转方向。当光电编码器顺时针旋转时，a超前b；逆时针旋转时，b超前a。辨向电路通过a、b的相位

44、关系来判断旋转方向，并且据此决定当一个计数脉冲出现时应该对当前计数值加1还是减1。图2.3是增量式光电编码器的输出波形。bzzbaa （a）码盘正转时 (b)码盘反转时图2.3 增量式光电编码器的输出波形由以上的波形图可以看出整个测速步骤有两个：1）脉冲鉴相；2）脉冲计数。1）脉冲鉴相脉冲鉴相的方法比较多，既可以用软件实现，也可以用一个d触发器实现11。本文采用的是采用d触发器来实现脉冲的鉴相，其工作的原理如图2.4所示：w3w4w2bw1a （a）原理电路 （b）波形（顺时针）图2.4 鉴相电路及其相应波形其中d触发器实现鉴相，异或门从a、b信号产生计数脉冲，起到倍频的作用所以精度为2npp

45、r，最大的的脉冲频率是nn/30hz,其中n是转速（r/min）。增量式光电编码器顺时针旋转时，信号a超前b ，如图2.4（b）所示，d触发器输出q非（波形w1）为高电平，q（波形w2）为低电平，则下面的与非门开通，计数脉冲通过（波形w3），送至计数器输入端，进行加法计算。此时上面的与非门关闭，其输出为高电平(波形w4)。当光电编码器逆时针旋转时，情况相反。2）脉冲计数增量式光电编码器除直接用于测量角位移外，常用来测量转轴的转速。其转速检测的方案主要有以下几个方法12：m法，通过测量在一段固定的时间间隔内的的编码器脉冲数来计算转速，适用于高速场合。t法，通过测量相邻脉冲间的时间间隔来计算转速，

46、适用于低速场合。m/t法，通过同时测量光电编码器输出脉冲的数目m和时间间隔t，相除后获得转速，适用于转速动态范围较大的场合。但是对于低速，该方法需要较长的检测时间才能保证结果的准确性，无法满足转速检测系统的快速动态响应指标。由于深海机器人的行走速度为0.5m/s，属于低速的场合，所以选用t法进行测量。编码器脉冲m图2.5 t法测速原理图假设时钟频率为，光电编码器每转脉冲数为，为对时钟脉冲的计数值。则由图2.5可以得到转速： 公式 (2.1)相对误差为： 公式 (2.2)由于在控制系统中编码器的转速具有不可预见性，造成脉冲周期t具有不确定的特点，所以为了提高光电编码器的测量精度，本文采用了光电编

47、码器的四倍频的电路设计13。详细观察图2.3可发现，在脉冲周期t内，a、b两相信号共产生了四次变化，尽管t不确定，但由于a、b两相信号之间相位关系确定，使这四次变化在相位上的平均分布。如果利用这四次变化产生四倍频信号，则可以实现光电编码器测量精度的提高。四倍频电路的设计关键在于鉴别出a、b信号的上升沿和下降沿。鉴别信号上升沿和下降沿的方法有很多，但其实质是一样的，其原理图如图2.6所示，输入信号异或后，就可得到倍频的信号。而对于延时的处理方法也很多，如图2.7所示。微分电路其信噪比小，抗干扰性差，积分型电路可以提高信噪比，但和微分型电路一样有致命的缺点：当输入信号严重变形；对于各路倍频电路来说

48、，电阻和电容的参数不可能完全一致，所以倍频后的各路脉冲宽度不等，而且宽度的调节也比较困难。因此本文采用数字型延时电路可以很好的克服以上延时电路的缺点，延时的时间和各电路倍频的脉冲宽度由时钟控制，倍频后脉冲宽度均匀一致。out延时异或门 （a）倍频原理 (b)倍频波形 图2.6 倍频电路原理图outclkdq (a)微分型 （b）积分型 （c）数字型图2.7 延时电路综上所述，可以设计以下四倍频电路原理图如图2.8所示以及所得的四倍频波形如图2.9所示。 图2.8 增量式光电编码器四倍频电路原理图其中clk的频率应大于a或b相的脉冲频率，ba图2.9 增量式光电编码器四倍频波形2. 数字罗盘(1

49、)数字罗盘的分类及其工作原理目前世界上常用的指向设备有用电罗经、磁罗经、磁通门和磁阻传感器。由于电罗经启动后需要较长的时间才能稳定、陀螺球转速高、磨损大、寿命短、价格高、故障多、需大功率电源供应等诸多缺点造成使用上的不便，而磁通门虽然灵敏度高、起动快，但其体积大、价格高、结构复杂，不适合小型化和高可靠性的要求。磁传感器本身是固定态的，电阻的体积可以做的很小且没有活动部件，功耗也很低，配合选用体积小功耗低的外围器件可以将磁阻罗盘微型化，已有逐步取代磁通门的趋势。图2.10是磁阻传感器及其工作原理。（a）磁阻传感器工作原理（b）磁阻传感器图2.10 磁阻传感器及其工作原理磁阻传感器利用的是镍铁合金

50、的电阻对某一个方向的磁场敏感的原理。在铁磁性材料中会发生磁阻的各向异性（amr），当沿着一条长而薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值会发生变化。磁阻传感器由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为vb，在电阻中有电流流过。且在电桥上施加一个偏置磁场h，使得两个相对放置的电阻的磁化方向朝着电流方向转动，引起电阻阻值增加；另外两个相对放置的电阻的磁化方向背向电流方向转动，引起电阻阻值减少。在线性区域输出和外加磁场成正比（v=shvb）。灵敏度s 和传递函数的线性区成反比。方位角是物体从地理上的“北极”绕垂直于水平面的轴的转角，或物体从“磁北”绕垂直

51、于水平面的轴的转角m，且，m均是顺时针旋转为正。如果地磁矢量h在水平面的投影分别为hx，hy，则有14： 公式 (2.3) 公式 (2.4)这时可以由下式计算运载体的磁角方位角： 公式 (2.5)对于载体方位角可以通过欧拉角描述固定坐标系oxyz和运动坐标之间的关系（见图2.11）。这里规定，运动坐标系是由固定坐标系oxyz先绕z轴旋转角度m，得到坐标系，然后再绕轴旋转角度，得到坐标系，最后绕轴旋转角度得到坐标。这里涉及的三次旋转都按右手法则，例如，绕oz轴旋转时，由ox轴向oy轴方向旋转为正，反之为负。此时，三个角度：m为定义为磁方位角，定义为横滚角，定义为俯仰角。旋转顺序 图2.11 坐标

52、变换图因为方向余弦矩阵是正交矩阵，它的逆矩阵存在且就等于它自身的转置矩阵。所以从到oxyz的逆过程的转换关系如下： 公式（2.6） 公式（2.7） 公式（2.8）由式（2-4）（2-5）（2-6）可得 公式（2.9） 公式（2.10） 由式（2-3）得到方位角为 公式（2.11）由式（2-9）方位角的计算公式可以看出，在捷联方位测量系统中并不需要知道各个分量之间的比例关系就可以进行方位解算。(2)数字罗盘hmr3000的应用磁场基于磁阻传感器hmr3000罗盘模块的数字罗盘经系统以其价格便宜、操作简单、具有数字化接口、便于数据处理等优势，在船舶导航中得到越来越普的应用15。hmr3000是一款

53、集航向、俯仰和横滚三个旋转量测量于一体的磁敏传感器，由三轴磁阻传感器和一个充有液体的两轴倾斜传感器组成，可以得到进行倾斜补偿后的航向数据，并且带有电子平衡架，其航向角度的精确度可以达到，俯仰和翻滚方向的精度可以达到，分辨率达到，即使在倾斜达到时，也能给出精确的航向角。其内部全部采用贴片元件，不含任何移动元件，非常坚固可靠，并且其输入电压范围广、功耗低、体积小，适合安装在各种平台上使用。图2.12是hmr3000的原理图。ascii输出微处理器传感器倾斜磁阻iir滤波器航向计算非线性滤波器rs232rs485图2.12 hmr3000原理图hmr3000数字罗盘由内置单片机控制传感器的测量时序，

54、所有控制hmr3000操作的参数都存储在内置eeprom中1617。hmr3000可以配置数字罗盘输出3类nmea标准语句（hdg、hdt和xdr），3类专用语句（hpr、rcd和ccd），并且在数据输出前有一串ascii字符头信息。它与外界通信的接口简单，用标准的rs-232 t型头接口，采用串行通信的方法，为传输波特率可选择从1200bit/s到38 400bit/s，可以方便的采集数据，供cpu处理。 由于hmr3000与外部的通信通过rs-232接口或rs-485接口，因此不能直接与arm进行通信，必须通过数据转换电路进行通信。hmr3000数字罗盘上自带有标准的d型9针插头，可以利用该插头通过max3232芯片，连接到arm的串口。这里需注意的是，在使用串口连接arm时，hmr3