近幾十年，我國加大了對海洋科考和探測的力度。經(jīng)探測發(fā)現(xiàn)，我國大陸架淺海海底埋藏著豐富的石油、天然氣以及煤、硫、磷等礦產(chǎn)資源。在多數(shù)海盆中，廣泛分布著深海錳結(jié)核等可利用金屬礦產(chǎn)資源[1]。深海鉆機(jī)是大洋深海地質(zhì)探測的重要工具之一，它可以探取海底數(shù)十米以下的地質(zhì)樣品，為科學(xué)家了解海底地質(zhì)構(gòu)造提供第一手資料。但是深海鉆機(jī)的使用現(xiàn)狀并不理想。一方面，深海的惡劣環(huán)境給深海鉆機(jī)的使用帶來了不便；另一方面，鉆機(jī)一般會被下放到海底4 000 m～5 000 m的地方作業(yè)，甲板操控人員根據(jù)深海攝像頭傳回來的視頻對海底鉆機(jī)進(jìn)行控制，是典型的開環(huán)控制[2]，鉆取成功率較低。從海底傳輸上來的監(jiān)控視頻質(zhì)量不是很好，再加上鉆機(jī)鉆進(jìn)程序繁瑣，一次作業(yè)時間長達(dá)數(shù)十個小時，操作人員壓力大。監(jiān)控視頻從海底傳輸?shù)郊装灞O(jiān)控系統(tǒng)，傳輸距離遠(yuǎn)，延時較為明顯。如果遇到誤操作或其他偶然事件，則無法及時停止操作，會對鉆機(jī)本身造成很大的損害。本文介紹的基于STM32的檢測系統(tǒng)可以減少，甚至避免這些意外事件的發(fā)生，降低操作人員的工作壓力。

1 系統(tǒng)的工作原理概述
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    深海鉆機(jī)閉環(huán)檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本文主要闡述由檢測板以及各個傳感器組成的檢測系統(tǒng)，它主要完成對鉆機(jī)運行狀況、動作完成情況的檢測，并向鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)實時反饋鉆機(jī)狀態(tài)信息。

1.2 深海鉆機(jī)閉環(huán)檢測
    閉環(huán)控制系統(tǒng)是指輸出量直接或者間接地反饋到輸入端，形成閉環(huán)參與的系統(tǒng)[3]。鉆機(jī)閉環(huán)操作原理簡圖如圖2所示。實現(xiàn)深海鉆機(jī)的閉環(huán)控制一般需要有三個循環(huán)步驟：(1)鉆機(jī)主控系統(tǒng)根據(jù)命令按步驟執(zhí)行分解動作；(2)將分解動作的執(zhí)行結(jié)果反饋到鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)；(3)鉆機(jī)主控系統(tǒng)根據(jù)反饋的結(jié)果做出相應(yīng)的調(diào)整或者是進(jìn)行下一步分解動作。本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)主要完成步驟(2)。檢測系統(tǒng)向鉆機(jī)主控系統(tǒng)的輸出結(jié)果會間接地影響到檢測系統(tǒng)采集端的輸入量，這就形成了對鉆機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)檢測。

    首先,檢測系統(tǒng)對鉆機(jī)動作進(jìn)行狀態(tài)檢測?，F(xiàn)在深海鉆機(jī)的動作主要是靠液壓桿的伸縮來完成，鉆機(jī)主控系統(tǒng)通過控制液壓閥的開、關(guān)來實現(xiàn)液壓桿的伸縮[2]。檢測系統(tǒng)主要通過檢測液壓桿中的油壓力大小并結(jié)合外部數(shù)字傳感器的狀態(tài)來判定液壓桿動作完成情況。例如，如果液壓桿中油壓增大但是明顯小于系統(tǒng)壓力且外部數(shù)字傳感器沒有信號，則說明液壓桿開始伸縮但是還沒有完成動作；如果液壓桿壓力接近系統(tǒng)壓力，而且外部數(shù)字傳感器有信號，則說明液壓桿已經(jīng)到位。
    其次，檢測系統(tǒng)把采集信息反饋到鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)。因為鉆機(jī)主控系統(tǒng)內(nèi)部采用CAN總線通信協(xié)議，為了便于與鉆機(jī)主控系統(tǒng)通信，檢測系統(tǒng)與鉆機(jī)主控系統(tǒng)之間也采用CAN總線協(xié)議。檢測系統(tǒng)與甲板監(jiān)控系統(tǒng)間使用串口協(xié)議，但由于串口傳輸距離有限，所以需要使用光纖作為傳輸中繼。水下光端機(jī)先將串口信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后混合光纜將信號傳輸?shù)郊装灞O(jiān)控系統(tǒng)，甲板監(jiān)控系統(tǒng)再使用光端機(jī)將光信號還原為串口信號進(jìn)行分析。
2 系統(tǒng)硬件描述
2.1 系統(tǒng)主板
    考慮到本系統(tǒng)要設(shè)計很多模擬量采集口和很多數(shù)字采集量，監(jiān)測系統(tǒng)主板的微處理器選擇了ST公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6。這款單片機(jī)具有高達(dá)72 MHz的主頻，內(nèi)置256 KB的Flash，多路ADC，具有18 MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度[4]，可以滿足檢測系統(tǒng)對運行速度、多路模擬量和數(shù)字量采集的要求。這款單片機(jī)還內(nèi)設(shè)有CAN、USART通信接口，可以讓檢測系統(tǒng)與鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)的通信更加容易實現(xiàn)。具體的檢測系統(tǒng)主板構(gòu)架圖如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)急控制
    系統(tǒng)設(shè)計了4路24 V/2 A的應(yīng)急控制繼電器，MCU通過自身的I/O口控制驅(qū)動電路來驅(qū)動繼電器開和關(guān)。如果鉆機(jī)在運行過程中發(fā)生意外事件，比如外部突然電壓不穩(wěn)定、突發(fā)的姿態(tài)變化、主控系統(tǒng)操作邏輯錯誤等狀況，檢測系統(tǒng)可以立即控制這4路繼電器采取應(yīng)急措施，比如切斷系統(tǒng)供電、給鉆機(jī)油壓系統(tǒng)卸荷等。這些應(yīng)急動作是發(fā)生在檢測系統(tǒng)向鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)反饋信息之前，從而在第一時間避免對整個鉆機(jī)系統(tǒng)造成不必要的損害。
3 系統(tǒng)軟件描述
3.1 檢測系統(tǒng)主板程序流程
    主程序流程圖如圖5所示。主程序的設(shè)計主要分為以下幾個步驟：

    (1)開始及系統(tǒng)初始化；
    (2)循環(huán)查詢發(fā)送標(biāo)志位是否置位，如果置位則收集各個采集模塊信息；
    (3)判斷采集信息并發(fā)送；
    (4)安全機(jī)制和響應(yīng)上位機(jī)命令。
    系統(tǒng)上電后，立即進(jìn)行系統(tǒng)的初始化。這一步驟非常重要，單片機(jī)初始化系統(tǒng)時鐘、定時器以及各個外設(shè)等。初始化完成后，進(jìn)入while循環(huán)。定時器每隔500 ms就會觸發(fā)中斷并置位發(fā)送標(biāo)志位，當(dāng)系統(tǒng)查詢到發(fā)送標(biāo)志位置位時，就會采集、計算各個傳感器的信息。如果系統(tǒng)判斷各個傳感器的信息是在預(yù)定范圍內(nèi)，則通過串口和CAN總線分別向甲板監(jiān)控系統(tǒng)和鉆機(jī)主控系統(tǒng)反饋信息，否則就是鉆機(jī)發(fā)生意外事件，觸發(fā)緊急安全機(jī)制。判斷結(jié)束后清空發(fā)送標(biāo)志位，至此一次發(fā)送完成。
3.2 通信協(xié)議
    檢測系統(tǒng)向甲板監(jiān)控系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)時，是以幀數(shù)據(jù)的格式發(fā)送。幀格式具體如圖6。

    圖中“@$”是幀頭，“55*”是幀尾，各個數(shù)據(jù)間用“，”隔開。AD1～AD10分別代表MCU采集的10個通道的AD值，繼電器幀和數(shù)字1、2幀分別以位的形式表示現(xiàn)在繼電器的狀態(tài)和數(shù)字傳感器的狀態(tài)，例如繼電器幀如果為0x03，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制就是0011，這表示第一、第二個繼電器閉合，第三、第四繼電器打開。
    由于CAN協(xié)議一幀數(shù)據(jù)最大為8 B，不能滿足數(shù)據(jù)長度要求，所以軟件上使用CAN數(shù)據(jù)幀中的DATA0作為數(shù)據(jù)發(fā)送的擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)格式具體如表1。

      Data0的0x01、0x02、0x03分別代表數(shù)據(jù)的第一、二、三幀。把3幀數(shù)據(jù)整合起來，才是完整的一組數(shù)據(jù)。由于CAN傳輸?shù)拿恳粋€數(shù)據(jù)都是8 bit，而AD采樣值為16 bit，系統(tǒng)軟件上采用兩個CAN數(shù)據(jù)表示一個AD值，即第一幀的Data1、Data2表示AD3的值(AD1與AD2不反饋給鉆機(jī)主控系統(tǒng))，以此類推。第三幀的Data3和Data4表示轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，Data5、Data6、Data7分別表示繼電器狀態(tài)和數(shù)字1、2的值。
4 測試結(jié)果
4.1 通信穩(wěn)定性測試及結(jié)果
      測試時搭建起整個鉆機(jī)系統(tǒng)，設(shè)置PC上位機(jī)軟件串口為COM1，通信速率為9 600 b/s，無奇偶校驗位，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit停止位。鉆機(jī)主控系統(tǒng)的CAN收發(fā)模塊ID設(shè)置為0x100，檢測系統(tǒng)的CAN收發(fā)模塊ID設(shè)置為0x200，無擴(kuò)展ID。系統(tǒng)上電，上位機(jī)可以順利地收到檢測系統(tǒng)反饋信息后，用串口調(diào)試助手和USB-CAN助手截獲通信信息進(jìn)行通信穩(wěn)定性測試，統(tǒng)計一分鐘內(nèi)串口和CAN的通信次數(shù)、丟包數(shù)和亂碼幀數(shù)量，結(jié)果如表2所示。

4.2 檢測系統(tǒng)功能測試及結(jié)果
    測試流程如下：
    (1)通信安全機(jī)制測試
    系統(tǒng)運行正常后，將檢測系統(tǒng)與PC機(jī)之間的串口連接線斷開，3 s后檢測到系統(tǒng)主板自動復(fù)位(軟件設(shè)置為3 s)，證明軟件安全機(jī)制有效。
    (2)系統(tǒng)應(yīng)急功能測試
    系統(tǒng)運行正常后，慢慢調(diào)高供電電壓，當(dāng)供電電壓超過300 V時（程序設(shè)置300 V為門限電壓），檢測板繼電器打開，鉆機(jī)卸荷，證明應(yīng)急功能有效。
    (3)進(jìn)行各個模塊采集功能測試
    在調(diào)試模擬傳感器和數(shù)字傳感器正常后，進(jìn)行鉆機(jī)閉環(huán)操作模擬。上位機(jī)發(fā)出一個指令進(jìn)行“取管”組合動作。
    試驗中觀察到主控系統(tǒng)首先進(jìn)行組合動作中的第一個“擺臂”動作。檢測系統(tǒng)反饋機(jī)械臂到位信號后，鉆機(jī)主控板自動進(jìn)行“夾緊機(jī)械手”動作。當(dāng)檢測系統(tǒng)反饋“機(jī)械手”夾緊信號后，主控系統(tǒng)自動進(jìn)行“回臂”動作；當(dāng)檢測系統(tǒng)反饋到位信號后，一套組合動作完成。鉆機(jī)主控系統(tǒng)執(zhí)行動作時，PC上位機(jī)可以實時地反應(yīng)當(dāng)前鉆機(jī)機(jī)械臂的狀態(tài)。系統(tǒng)運行一個小時時，統(tǒng)計操作次數(shù)和動作執(zhí)行情況，如表3所示。

4.3 實驗結(jié)果分析
    由以上實驗結(jié)果可以證明：
    (1)檢測系統(tǒng)與主板間的CAN通信穩(wěn)定可靠，與甲板監(jiān)控系統(tǒng)串口通信穩(wěn)定，誤碼率在可接受范圍內(nèi)。
    (2)檢測系統(tǒng)可以檢測到鉆機(jī)外部運行環(huán)境穩(wěn)定情況，當(dāng)發(fā)送意外事件時，可以及時地采取應(yīng)急措施，成功避免因為發(fā)生意外事件而對整個鉆機(jī)系統(tǒng)造成的損害。
    (3)檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、實時地檢測鉆機(jī)運行狀態(tài)，并反饋給鉆機(jī)主控系統(tǒng)和甲板監(jiān)控系統(tǒng)，能輔助鉆機(jī)主控系統(tǒng)完成組合動作，檢測到鉆機(jī)執(zhí)行操作過程中的邏輯錯誤，并能成功避免誤操作，這是深海鉆機(jī)實現(xiàn)閉環(huán)控制必不可少的一部分。
參考文獻(xiàn)
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