水质检测机器人的控制系统设计外文翻译资料

本科生毕业设计（论文）外文资料译文

（ 2019届）

外文资料译文规范说明

一、外文资料译文：

用于水取样和环境数据采集任务的自主机器人船

关键词：自主机器，水取样，航点，跟踪

摘要：在本文中，我们将重点研究用于环境任务的自主机器人的开发，特别是水资源管理。我们正在尝试用机器船配备定制的自动水样取样器，从水中取样，以便在实验室进行进一步的分析后，确定水质。机器人艇配备GPS和惯性测量装置。艇的有效载荷为100公斤，最高速度为2米/秒。该船采用吊舱推进作为驱动系统，使其在零转弯能力下具有很高的可操作性。水取样器具有高精度深度伺服功能，每分钟可采取样1升。它还具有排线机构，以避免在运行过程中的线纠缠。

1.引言

人们总是被派到一些地区去执行从水环境中采样元素的任务。在许多情况下，需要采样的环境对于人类而言是危险的，例如受污染的水库，污染的水源或河流。 探测过程对于预防性维护环境的过程非常重要，以确保人们所用的水是安全的。 该样品将用于实验室分析，以检测环境中的危险物质。

浮标系统已用于连续或定期监测弗雷泽河口的水质和大气参数[1]。但是，由于浮标系统的连续运行，存在着与其他船舶相撞的风险和传感器维护问题。此外，从浮标观测到的静态数据缺乏动态范围。

我们建议使用一个移动机器人或一组移动机器人作为智能车辆，可以由驾驶员手动遥控或自动控制，将探头或样品容器带到所需位置。移动机器人船不仅提高了人类用户的舒适度，还帮助人类操作员完成采集样本或定位传感器的任务，有效、准确地获取样本或传感器数据。将吊舱推进与机器人船一起使用，在机动灵活性、降低操作噪音以及维护方面具有优势，例如较小的转弯半径、运动控制精度和轴对齐。

配备传感器的机器人非常有用，主要有两个原因：

（1）机器人的移动性可以扩展车载传感器的容量，并且可以根据从中获得的数据向科学家提供不同的观点。

（2）移动传感器系统的多功能性意味着它不需要像结构依赖静态传感器系统那样的基本结构。

因此，用户可以随时随地部署系统。他们可以选择将其部署为静态数据收集点、移动单元或机器人排。

本文共分为四个部分。第二部分介绍了机器人船系统所涉及的硬件和低电平控制方案。第三部分讨论了船舶沿直线航行的跟踪控制方案。第四部分是本文的总结。

表1 机器人船动力和物理参数

2.硬件和低电平控制

A.船舶机械传动系统

船的机械驱动系统或吊舱推进系统，由垂直安装在机构上的航向电机组成。它用于转动推进器组件。这个系统安装在皮艇的尾部。瞄准马达组件的马达是齿轮伺服马达，推进器为改进型55磅推力拖行电机。所述PD控制用于控制航向电机的角位置，并且实施另一个PD控制以控制推进器拖钓电动机的旋转速度。这两个控制回路均由ARM7单片机执行，，然后由机器人船的主控制器（Rugged PC）监控。现有的机械设计只能在淡水环境中使用,在海洋中使用的版本必须经过特殊设计，与现有的组件有很大的不同。

图1 船驱动机构或吊舱推进系统。

舷梯马达垂直安装，使推进器向左或向右转动。

B.水自动取样器

水自动采样系统由伺服绞盘、水泵、歧管和贮水池中的水瓶组成。伺服绞盘是定制设计，以适应电缆管理系统。该系统有助于防止电缆在释放和缩回过程中的缠结。伺服绞盘采用ADC电机供电。该电机由单片机控制，采用位置反馈控制算法。ADC隔膜泵为系统提供吸力。歧管由单片机数字输出端口触发，以便选择要打开哪个阀门，进而选择哪个瓶子选择下一个样本。伺服绞盘将放置在船首，容器组件和水泵安装在船的驾驶舱内。

对于含有感兴趣的生物元素的水样，可能需要新的容器设计，以适应该样品的防腐步骤。

表2 水自动取样器规格

图2 安装在船内的水自动采样系统和伺服绞盘，用于精确部署采样头

C.计算硬件和软件

机器人船上的主计算机是Advantech的UNO 3282，带有Win-XP Professional操作系统。监控程序使用LabVIEW 8.6编写。 监控程序的功能包括通过RS232端口从导航传感器接收/解释数据，向机械驱动系统发送控制命令，向水自动采样器发送控制命令，以及运行航路点跟踪算法。针对ARM7单片机，用C语言编写了机械传动系统和水自动采样器的嵌入式控制程序。主计算机通过RS-232串口与机械驱动系统和水自动采样机的单片机进行通信。

图3 船上水自动采样系统。

左图显示了完整的自动采样系统。右图为带有电缆布置系统的伺服绞盘，用于精确部署采样头。

图4 机器人船控制层硬件架构

D导航传感器

我们使用TOPCON的GPS接收器，型号是Hiper Ga，可以在实时运动模式下工作。GPS位置的更新速率为5Hz，足以以2m / s的最大速度定位机器人船。正常模式下GPS定位精度为 /- 3m。利用虚拟参考站(VRS)对DGPS进行增强，精度可达 /- 10cm。如果没有VRS网络，可以将GPS设置为与另一个单元作为基接收机对工作，以获得 /- 10cm的精度。由于我们的目标区域大多位于没有互联网信号和VRS网络的偏远地区，所以我们选择的模式是基站接收。惯性测量单元(IMU)用于控制船舶航向或偏航角。我我们使用MicroStrain型号3DM-GX1的IMU。该装置由加速度计、磁力仪和陀螺传感器组成。将所有传感器的9个轴的数据融合，以提供精确的偏航角数据到 /- 4度。 GPS和IMU都通过RS232串口直接连接到船主控制器。

3. 点跟踪控制方案

A.带有两个PD循环的跟踪控制

该跟踪控制器的设计采用两个PID控制回路，使船舶从初始航路点(x0,y0)沿直线D1行驶至目标航路点(xg,yg)。地固坐标系和车固坐标系分别定义为(xi，yi)和(x,y)。根据图5，沿轨道距离xb和交叉轨道距离yb用于计算从瞬时船位置到目标航路点的距离D2以及用于计算瞬时期望航向角alpha;。沿轨道的距离用D1表示，船的局部航向用psi;表示。

图5 直路跟踪控制中使用的坐标系和参数

; (1)

用标称前进速度u0的船舶运动的运动学方程可以线性化为以下方程:

; (2)

船舶喘振，摇摆和偏航运动的线性方程可以用矩阵形式表示，如式(3)所示。系统输入前向推力：和侧力：，它包括推进器力和拖钓马达角delta;。

(3)

其中

根据线性方程，通过将逆矩阵相乘，重新排列得到状态空间表示，如式(4)所示。

状态变量是前进速度，摇摆速度，和偏航速度。

(4)

其中

将式(2)中的运动学方程与式(4)中的状态空间表示相结合，船舶动力学可以归纳为状态空间形式，如式(5)所示。

(5)

其中

参数分别来自矩阵,和。为实现路点跟踪控制器，在Matlab/Simulink中仿真式(5)中状态空间的表示以及距离和航向控制的两个PID控制回路，如图6所示。和 ，在方程式中给出。相应地式(1)是控制推进器电动机和航向电动机的指令信号。船头角用作PID航向控制的反馈信号。两个PID控制器为推进器电机F生成一个力命令，并为一个拖钓电机产生一个航向角命令delta;，这样船沿着直线路径被引导到期望的航点，并且具有小的交叉轨道距离。 当船接近目标航路点时，前进速度或推力减小。

图6 船舶喘振，摇摆和偏航运动的航点跟踪控制器的Matlab / Simulink模型

在仿真中给定3个指定的航路点(0,0)、(20,0)和(40,20)或模拟中的两个航路段，如图7所示，船首先从(0,0)位置释放，航向角为零。在第一个航路段中，船沿着指定的直线航行，并具有小的交叉轨道距离(y b)。当船接近目标航路点时，由alpha;计算中的反正切函数，船航向角(psi;)变大。此外，当从目标航路点到船的距离小于5米时，关闭距离PID控制，如图8所示。在第二路径部分中，用于航向控制的PID控制试图校正psi;，使得航行方向在沿着轨道操纵之前与直线路径对齐，如图7所示。

图7 轨迹跟随轨迹通过点2和点3两个路径点，指定45度转弯

图8 机器人艇沿第一和第二

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Autonomous Robot Boat for Water Sampling and

Environmental Data Acquisition Tasks

Keywords: Autonomous Robot, Water Sampling, Waypoint Tracking

Abstract: In this paper we are focusing on the development of the autonomous robot for the environmental tasks, especially, water resource management. We are attempting to use the Robot boat equipped with custom-fitting auto-water sampler machine to sampling water from water resources in order to determine the quality of the water with further laboratory analysis. The robot boat is equipped with GPS and Inertial Measurement Unit. It can be operated in two modes- remotely operated by pilot and auto-mode. The payload of the boat is 100 kg with top speed of 2 m/s. The boat utilizes podded propulsion as a drive system which makes it very maneuverable with zero turn angle capability. The water sampler, with the high precision depth servo function, can sample water at the rate of 1 liter per minute. It also has line arrangement mechanism to avoid line entanglement during operation.

I.INTRODUCTION

Human are always sent out in the field to perform the task of sampling element from the water environment. In many cases, the environment that needs to be sampled is not suitable, dangerous, and not comfortable for human presence, e.g., contaminated water reservoir, polluted water source, or river. The probing process is very important to the process of preventive upkeep of the environment to make sure that it is safe for general public usage. The sample will be used for lab analysis to test for dangerous substance in the environment.

Buoy system has been used for monitoring water-quality and atmospheric parameters continuously or periodically in Fraser River Estuary [1]. But, the buoy system encounters with the risk of colliding with other vessels and with the sensor maintenance problem because of continuous operation. Also, static data, observed from the buoy, lacks dynamic range.

We propose using a mobile robot or a group of mobile robots to act as a smart vehicle that can be manually teleoperated by the pilot or autonomously controlled to bring the probe head or sample container into desired position. The mobile robot boat not only increases the level of comfort for human users but also helps human operator performing the task of collecting sample or positioning the sensor to acquire sample or sensor data effectively and precisely. Using the podded propulsion with the robot boat provide advantages [5] in maneuvering flexibility, reduce operating noise, as well as maintenance, e.g. small turning radius, motion control precision, and shaft alignment.

A robot equipped with sensor is very useful for two main reasons – 1) the mobility of the robot can extend the capacity of the on-board sensor(s) and may present the scientist with different point of view according to the data obtained from the mobile platform. 2) the versatility of the mobile sensor systems means that it needs no basic construction like in a case of a structural dependence static sensor system. Therefore, users can deploy a system anywhere and anytime they want. They can have a choice of deploying it as a static data collection point or as a mobile unit or as a platoon of robot.

This paper is divided into four sections. Section II introduces the hardware and the low level control scheme that are involved in the robot boat system. Section III discusses about the tracking control scheme for the boat to travel along a straight path. Section IV is the summary of the paper.

TABLE I

ROBOT BOAT DYNAMIC AND PHYSICAL SPECIFICATIONS

II. HARDWARE AND LOW - LEVEL CONTROL

A. Boat Mechanical Drive System

The boatrsquo;s mechanical drive system, or a podded propulsion system, is composed of the heading motor installed vertically on the mechanism. It is used to turn the thruster assembly. This system is assembled at the rear of the kayak boat. A motor of the heading motor assembly is a gear servo motor and the thruster is the modified, 55-pound thrust, trolling motor. The PD-control is implemented to control the angular position of the heading motor and another PD-control is implemented to control the rotational speed of the thruster trolling motor. Both control loops are performed by the ARM7 microcontroller, where they are, in turn, supervised by the Robot boatrsquo;s main controller (Rugged PC). The existing mechanical design can only be used in the fresh water environment. The version that can be used in the sea has to be specially designed with components much different than the existing one.

Fig. 1 The boat drive mechanism or the podded propulsion system. The

heading motor is installed vertically to turn the thruster left or right

B. Water auto-sampler

The water auto-sampler system is composed of the servo winch, a pump, the manifold, and water bottles in the storage bin. The servo-winch is custom design to accommodate the cable management system. The system help preventing the water cable from entanglement in the process of releasing and retracting water cable. A DC motor is used to power the servo winch. This motor is controlled by the microcontroller with position feedback control algorithm. A DC diaphragm pump is used to provide suction power to the system. The manifold is triggered by the microcontroller digital output ports in order to s

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