用于环境监测任务的小型自主水下车辆的硬件和软件架构外文翻译资料

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毕业论文(设计)

英文文献翻译

英文题目 Hard-and Software Architecture of a Small Autonomous Underwater Vehicle for Environmental Monitoring Tasks

中文题目 用于环境监测任务的小型自主水下车辆的硬件和软件架构

用于环境监测任务的小型自主水下车辆的硬件和软件架构

Christoph Osterloh, Marek Litza, and Erik Maehlc

摘要：本文介绍了硬件和软件架构的设计，选定的传感器，传感器数据处理和小型自主水下航行器（AUV）的第一个实验结果。机器人被设计为一个廉价的自主平台，用于收集近岸和沿海水域，独立或群集中的环境数据。 所使用的推进器允许AUV具有高范围的速度，其光传感器和回声测深仪检测障碍物。 使用微控制器作为主处理单元。 该软件分布在由小型实时多任务内核计划的专门任务上。 基于综合传感器，提出了避免和淹没行为。

1引言

水体质量对生活在邻近地区的人们的健康至关重要。在欧盟水框架指令（WFD 2000/60 / EC）中，欧洲国家承诺到2015年实现所有欧盟近岸和沿海水域的“优质”[1 ]。为了控制质量，需要适当的监测方法。这样，自动系统可以节省成本。潜水员收集数据或人工操作者远程操作飞行器（ROV）[2]。静音传感器网络AUV用于这种环境监测任务。在大多数情况下，仅使用单个车辆，因此扫描大面积需要很长时间。大型协调的AUV群体可以在更长的时间内解决这个任务。此外，由于来自其群体邻居的信息，单个AUV的精确定位可以得到改善[3]。群集的自然冗余允许更高的容错能力，即使在一辆车完全击穿的情况下也是如此。否则，群集可以收集大量冗余数据，从而提高质量。

但即使像[4]这样的现成的AUV也相对昂贵，对于大型群体或团队的合作仍然没有准备。为此，我们在这项工作中提出了一个小型便宜的AUV MONSUN I（监视系统和水下航行Robot），专门用于协调的环境监测，适用于团队中的蜜蜂。可扩展设计允许它携带不同的传感器组并适应不同的任务。与Sera fi na项目相比[5]，我们还将为AUV装备静电潜水镇流器系统。因此，机器人将能够铺设在地面上并以最小的功耗收集数据。这种可能速度的高带宽允许车辆以能量有效的方式实现不同的任务。除了识别光传感器的障碍外，还集成了识别团队成员的相机。[6]和[7]中的研究和仿真已经有可能没有明确的沟通，只有通过其他机器人和障碍物的识别。以下部分包含有关AUV的硬件组件和体系结构的信息。第3节描述了机器人软件架构及其行为。实验及其结果见第4节，其结论如下。

2.硬件结构

2.1机械电子系统

AUV的船体长度为55厘米，宽度为10厘米（带电机），由玻璃纤维增强塑料（GRP）制成，分为三部分（图1）。 前部具有用于集成摄像头的观察面板。 五个超小白色LED（25000mcd）布置在观察面板周围，用于光传感器的距离测量。

图2示出了安装在铝框架上的MONSUN的板，一个在另一个之上。 位于板子顶部的CMUCAM 3摄像机模块（图2（a）1.）下面，设置了通信和导航板（图2（a）3.），包括电机控制器 推进器（图2（a）2）），蓝牙模块（图2（b））和陀螺仪立方体（图2（b））。 在主处理单元（图2（a）4）中，布置了用于散热片，加速度计和SD卡槽的伺服电机控制器的板（图2（a））。 大多数板（图2（a）））包含用于回声测深仪的第二微控制器以及附着在观察面板后面的用于光传感器的功率转换器和总线转换器。 另外还有一个SD卡槽用于相机。 在SD卡插槽上方，安装了一个用于回声测深仪的小型电路板。

选择这种布置以防止长电缆路由和许多连接器。 包含板的框架可以组装在AUV外部，并作为一部分。 在保持器的背面，设置有编程接口以及串行接口，以便在主板仍然结合在船体内时重新编程主处理单元。

小型自主水下车辆的硬件和软件架构。

图1 AUV MONSUN长55厘米，宽10厘米（不带推力）。 部分（1）包含板和相机，部分（2）电池和平衡器的平衡和船尾部分（3）舵和电梯的伺服电机。 电动机容纳在部分（4）中。

（a）（MONSUN的董事会在侧视图。(b)MONSUN董事会在平面图中。

1. CMUcam 3 1. CMUcam 3

1. 推进器的电机控制器 7.蓝牙模块

3.通讯和导航板 8.陀螺仪立方体

4.柴油板（主处理单元）

5.记录，SD20和导航板

6.鱼缸板

图2 MONSUN板的侧面和平面图。

具有蓄电池和电力转换器的电源单元位于15cm长的中间部分。 此外，还有两个静止潜水活塞坦克的地方，它们暂时用于存放平衡物。 在船尾部分，有四个可移动的三个伺服电机。 此外，还有一些对抗的重量来抵消AUV前锋的重量。 通过铝卡口安装这三部分，船体耐压达10米深。

AUV的主要推进器是具有43mm螺旋桨的可逆电动机，其产生7N的推力和高范围的速度。 因此，具有小转弯的快速旋转是可能的，包括通用的前进器向后运动。

为了引导课程和动态潜水，我们在AUV的尾船上安装了四个活动杆。 虽然两个舵手通过连杆机构连接起来，但是电机可以独立控制。电机运行时间为30NCM，控制速度为0.16s /60◦。使用方向舵可以调整小的变化并防止漂移。 电梯允许动态潜水以及调整水中可能的倾斜度。

为了避免产生用于电机和伺服控制的PWM信号，我们使用SD20伺服控制器，它通过内部集成电路总线（I2C）连接到控制平台。 这允许跨越伺服电动机的两个方向上的126个离散位置，以及用于推进器的两个方向中的126个转盘步进。

电子由两个串联7.4V锂离子电池供电，电压为5.4Ah。 8V，5V和3V的控制器平台和传感器的电源电压。

小型自主水下车辆的硬件和软件架构由电压互感器提供。 电源以AUV后部的螺线管以非接触方式接通。 作为控制器平台，我们使用了一个EtherCam Board 2.1B [8]。 该板卡采用8位ATmega128，运行速度为14.7456MHz，128KB闪存和4KB SRAM，并提供另外512KBBB的SRAM和512KB的串行闪存。 图。 图3显示了不同组件和传感器与ATmega128的连接。

2.2传感器

AUV MONSUN包含各种传感器，可分为（1）AUV的定位和导航以及（2）数据的评估和存储。对于导航水，重要的是要知道AUV的位置，方向，俯仰和滚动。此外，测量距离地面和检测障碍物是关键特征。为了跟踪AUV的位置，方向，俯仰和滚动，我们使用一个小的惯性测量单元，它是三维X射线ADIS16100陀螺仪所在的立方体。这些陀螺仪的分辨率为0.24◦/ s，满量程范围为plusmn;300◦/ s，带宽为40Hz。

每个陀螺仪配有一个分辨率为0.14K / LSB的温度传感器，陀螺仪通过外部接口（SPI）连接到它们的处理单元上，另外我们使用三轴LIS3L02AS4加速度计，其用户可选择满量程为2g或6g。它能够测量X和Y轴的最大带宽为4.0KHz，Z轴为2.5KHz的加速度。将传感器调整为2g，并将输出电压与ATmega128的内部10Bit模拟/数字转换器进行采样和数字化，频率为20Hz。为了测量深度，我们使用飞思卡尔MPXH6250A系列压力传感器，具有高温度精度。它的范围从3.0到36psi。压力传感器的电压输出连接到ATmega128的A / D转换器。 10Bit的分辨率使得深度测量精度达到2.5cm。鉴于水的特征，认识到水的特征。在[10]中，采用了一些光频传感器。

为了解决这个问题，我们使用TAOS TSL2561光数字转换器，将光强度转换为配有I2C接口的数字信号输出。集成A / D转换器的分辨率为16Bit。光传感器与AUV前面的五个超小型LED（25000mcd）结合。由于距离约60厘米的光传感器的范围很短，我们集成了一个超过此值的回波测深仪。因此，我们使用了一个鱼类Humminbird SMARTCAST RF45E。该模块的声纳覆盖范围为90°，可测量深度从60cm到30m。测量精度约为4cm。另外还有可能通过返回信号的长度来测量对象。

无人机的前部的压电与45°的角度相同。 这可以检测前方或下方的障碍物。

AUV（图4）。一般来说，无线传感器最多可以接收30m的接收机。为了处理AUV中的数据，我们删除了天线，并且在传输到计算机之前删除了天线。这是由单独的微控制器（ATmega168）完成的，它作为从机，并通过I2C总线连接到主处理器。使用集成的CMUCAM 3摄像机，可以从AUV的角度拍摄照片。图片的文件名包含主处理单元的系统时间，因此图片可以与记录数据同步。相机由主处理器通过串行接口控制。在任务期间收集有关位置，行为和可视化的数据需要存储。为此，将SD卡集成到AUV中。数据文本文件，这样记录显示器。此外，可以通过蓝牙将记录发送到接收器。图。 5显示了日志文件的结构。每五秒写一次单个任务的堆栈消耗。随后，加速度传感器的数据，陀螺仪，光传感器，以及随后的发声器。此外，摄像机的实际指示，系统时间和系统状态被转储。 SD卡上的数据存储器是无效的，不允许干扰AUV。在接近水面的地方，可以通过蓝牙连接来解决这个问题.MONSUNusesaClass1BluetoothESD110模块的范围约为100米，并传输高达230Kbps的数据。

STACK: wdog=110, ins =17, cons =6, tele =66, brain =4, sd=74, clock =2, light =28, echo=4

DATA CAM !0

TIME #0:0:15

ANGLES: minus;25,minus;41,1

GYROS: minus;16,minus;17,minus;1

LIGHT: 0 ,0 ,0 ,255

ECHO: 255,65535

STATUS: 3

图5记录数据部分。 第一行显示正在运行的任务的堆栈消耗。 下一行包含相机的说明和全局系统时间。 其中，存储不同传感器的数据以及实际的系统状态。

小型自主水下车辆的硬件和软件架构。

3.软件结构

MONSUN的软件架构可以分为六个主要单元。第一部分是传感器单元，包括加速度计和陀螺仪，光传感器，回声声纳和压力传感器，形成了深度和检测障碍物。传感器虽然属于一个组，但传感器有自己的特征。伺服电机控制器是本组的一部分。第三单元由惯性导航系统（INS）组成。具有RS232和蓝牙接口的通讯模块代表第四部分。第五单元负责记录感官数据进行最终分析。最后一个单元是AUV的高级控制块，包括主控单元和行为单元。

鉴于执行时间和周期性，这些任务和传感器中的每一个都有不同的要求。因此，AvrX是为Atmel AVR系列微控制器编写的实时多任务内核[9]。内核使用汇编语言编写，大小约为700字，与Gnu GCC和IAR编译器兼容。 AvrX包含大约40个功能，用于任务管理，信号量，定时器管理，消息队列，单步Debuggings支持同步的FIFO支持。

4.行为

MONSUN拥有不同的自主行为，以避免和淹没眼镜。 图7显示了一个简单的避免行为。 当通过其光传感器检测到障碍物时，MONSUN向后加速并顺时针旋转约90°，然后潜水。

图6 MONSUN软件架构六大部分。

图7 MONSUN的简单避免行为。 侦察到障碍物后，MONSUN向后倾斜，转身，潜水。

图9示出了识别的障碍物的浸没。 由于目前MONSUN只能动态地淹没，所以它向后加速，以防止在漂移时与障碍物碰撞。 之后，MONSUN通过设置前进和强劲的加速度来潜水。 如果障碍物的下端被识别，则将直线设置。 通过物体后，新兴的过程开始。

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