一種小型水下機器人推進控制系統的製作方法

2023-05-21 06:35:36 1

專利名稱：一種小型水下機器人推進控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及水下機器人控制，具體地說是一種基於CAN總線的小型自治水下機器人模塊化推進控制系統。
背景技術：
隨著人們對海洋資源的探索與開發日益頻繁與迫切，水下機器人作為一種有效載體得到了長足的發展。對於近海、河流、湖泊與水庫等相對較淺的地域，小型自治水下機器人以其便攜性、低成本、易用性等特點，在環境監測與水下偵查等方面得到了廣泛的應用。運動與通信是水下機器人的兩項重要的基本功能。對於自治水下機器人，推進系統是整體控制系統的重要組成部分，是完成機器人運動的保障；CAN總線有著實時性、可靠性、可擴展性以及可進行分布式控制等特點，適合水下機器人推進系統與主控制系統之間的通信。小型自治水下機器人因為其載體內部空間的限制，對於其控制部分的硬體體積有著嚴格要求，同時因為推進系統是所有水下機器人的必要組成部分，尤其對於自治水下機器人由於機動性不強，所有的推進系統功能相似，因此簡單易用方便移植也是十分重要的。

實用新型內容為了解決上述存在的問題，本實用新型的目的在於提供一種小型自治水下機器人模塊化推進控制系統，用於接收主控制器的控制指令，對推進系統相關裝置進行控制並回傳推進系統的相關信息。該系統具有良好的可移植性。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的一種小型水下機器人推進控制系統，包括航空接插件、推進系統控制板、電機驅動器和包括多個舵機、電機的推進設備；航空接插件與推進系統控制板和電機驅動器連接；推進系統控制板與推進設備的舵機和電機驅動器連接；電機驅動器還與推進設備的電機連接。所述推進系統控制板包括帶有CAN接口的單片機、電源管理電路、安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路；帶有CAN接口的單片機分別與電源管理電路、安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路相連接；電源管理電路分別與安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路相連接；所述安全監控電路包括舵機電流檢測電路、漏水檢測電路，溫度檢測電路和電機檢測電路。所述舵機電流檢測電路包括電流傳感器；電流傳感器的輸入端接入電源管理電路輸出的舵機供電電源；參考端和輸出端分別與單片機的不同AD接口連接；參考端和輸出端都串聯電容接入電流傳感器的接地端。所述漏水檢測電路包括二極體；單片機的輸入端通過串聯電容接地，還通過串聯電阻與二極體的正極連接，二極體的負極與推進艙內的信號線連接，二極體的正極接有上拉電阻。[0011 ] 所述溫度檢測電路包括溫度傳感器；溫度傳感器一端連接電源管理電路輸出的電源；另一端連接電阻和電容組成的並聯電路，該端還與單片機的一個AD接口相連接。所述電機檢測電路將電機驅動器信號反饋端與單片機的I/O接口相連接。所述CAN通信電路包括數字隔離器和CAN總線收發器；CAN總線信號經CAN總線收發器進行信號轉換後再經數字隔離器進行信號隔離，最後接入單片機的CAN埠。本實用新型具有以下有益效果及優點I.本實用新型採用模塊化的設計思想，電路簡單易於擴展，只需要兩根電源線兩根信號線即可完成所有控制，可移植性高，適合功能相似的小型自治水下機器人。2.針對水下機器人的特殊性，本實用新型使用集成CAN控制器的單片機晶片 AT90CAN128，減少電路板的空間佔用和電量消耗，簡化控制程序，有效利用有限的定時器資源，有較高性價比。3.本實用新型設有推進控制系統模塊故障檢測與水下艙體安全檢測功能，增強了控制系統的安全性與可靠性。4.本實用新型可以適用於大部分舵機的控制，而且舵機數量原則上可以與單片機的I/o 口數量相同。

圖I為本實用新型的推進控制系統接口線路連接示意圖；圖2為本實用新型的推進控制系統控制板結構圖；圖3為本實用新型的推進控制系統控制電路板組成示意圖；圖4為本實用新型的推進控制系統控制電路板埠接線電路圖；圖5為本實用新型的推進控制系統控制電路板電源管理電路圖；圖6為本實用新型的推進控制系統控制電路板單片機埠連接電路圖；圖7為本實用新型的推進控制系統控制電路板安全監控電路圖；圖8為本實用新型的推進控制系統控制電路板舵機\電機控制電路圖；圖9為本實用新型的推進控制系統控制電路板CAN通信電路圖；圖10為本實用新型的推進系統控制方法總體流程圖；圖11為本實用新型的推進系統舵機控制方法流程圖；圖12為本實用新型的推進系統電機控制方法流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。本實用新型包括推進控制系統接插件埠設計布置，推進控制系統控制板硬體設計與軟體編寫。本系統通過CAN總線與主控制計算機取得聯繫，接收發送而來的控制信息，由於控制方法在主控制計算機上完成，所以推進控制系統的數據傳輸量與計算量不大，單片機輸出的控制信息通過隔離期間傳送到執行機構，控制推進電機和舵機的工作。同時系統監測執行機構和環境的狀態，通過CAN總線返回給主控制計算機作為其下一步控制的參考。如圖I所示，本實用新型由四個部分組成航空接插件，推進系統控制板，主推電機驅動器，推進設備。其中航空接插件使用的是XCE24F19系列航空接插件、主推電機驅動器和推進設備是定製的防水無刷電機與配套驅動器以及SANWASDX-901舵機，對於其他型號的無刷電機，只要接口信號滿足條件即可。本系統的關鍵部分是推進系統控制板。推進系統控制板的部分接口說明Jl中，CANH與CANL表示CAN通信的兩路信號，WS/EXT與GND/EXT是連接到外部艙段的漏水檢測；J2中+36V/T與GND/T表示從外部引入的推進系統供電電源J3 J6中+VD與GND/D表示舵機供電電壓(+6V)，PWMO 3表示四個舵機的控制信號；J7中STEP表示P麗控制信號，DIR是方向控制，ENA是電機使能控制，FAT是電機的報警反饋，+VT與GND/T是驅動器產生的+5V電壓，作為驅動電機的高低電平參考；J8中WS與GND為本系統自處理的漏水檢測；接口電路見圖3。如圖3所示，推進系統控制板中的單片機採用AT90CAN128，安全監控電路包括舵機電流檢測電路、漏水檢測電路，溫度檢測電路和電機檢測電路,舵機\電機控制電路採用光電稱合開關隔離。如圖2所示，推進系統控制板包括帶有CAN接口的單片機AT90CAN128、電源管理電·路、安全監控電路和舵機\電機控制電路。單片機通過CAN總線接收主控板的控制命令，控制推進設備並接收推進設備的反饋信號；電源管理電路將來自主控板的輸入電源轉換成三路相互獨立的電源分別供給安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路；安全監控電路監測舵機故障、艙內漏水和電機故障，並將接收的推進設備的反饋信號進行處理反饋至單片機；CAN通信電路實現CAN總線與單片機的通信；舵機\電機控制電路將單片機發出的控制命令經光電耦合開關控制舵機和電機。如圖4所示，J1-J7為單片機的各接口。由於不同的設備電壓不同，即使電壓相同有的需要進行電氣隔離以增加可靠性與穩定性，因此電源管理單元將引進推進系統的電源轉換為3路，分別給控制元件、通信元件和舵機供電(主推進電機供電電源不需要變化)。具體電路連接見圖5，包括三個電源轉換模塊，將一路輸入的電源轉換成三路相互獨立電源，簡化了外部接口的設計，方便進行推進系統的電源集中管理。圖5 Ca)是給舵機和電機的供電電路，將外部電池艙接入的36V電源經模塊V48C8C150BG轉換成6V ;由於標稱輸出為8V，所以在輸出端加入電阻R6進行電壓調整；圖5 (b)是給安全監控電路和CAN通信電路的供電電路，將外部主控板接入的36V電源經THL20-4811WI模塊轉換成5V供給安全監控電路，經TSM0505S模塊轉換成另一路5V電源供給CAN通信電路；電源的輸入與輸出端都連接了電容進行濾波穩壓。安全監控單元包括艙內漏水檢測，舵機狀態檢測，電機狀態檢測，溫度檢測，並且可以加入限流保險的擴展功能。本系統中使用的推進電機自身帶有狀態反饋量(傳感器測量的轉速)，可以直接得到電機是否正常工作；出於成本的考慮，本系統使用的舵機為三線制舵機，即有正負電源線和控制信號線，沒有狀態反饋線，因此舵機的工作狀態檢測只能從其他方面間接得到，如果舵機因為其他物體阻礙而卡住，舵翼沒有正常的轉動，會使得舵機處於大電流超負荷狀態，本系統使用電流傳感器來檢測舵機迴路中的電流值，間接監測舵機的工作狀態，本設計中電流的計算方法為I = 16X ADCO-ADCI ;設計艙內有漏水檢測觸點，一旦艙體漏水，WS與GND短接，PBO埠得到的電平值將由高變低(由I變0)，保證在漏水時可以及時得到相應信息，同時還有連接到外部艙段漏水檢測，防止推進艙瞬間大量進水之後造成瞬間癱瘓，無法獨立處理漏水狀況；溫度監測功能採用溫度傳感器AD590，利用其特性，其相當於一個電流源，電流大小通過公式IA_ = (273+t)uA來計算,t為當前艙內攝氏溫度值，通過檢測電阻R28兩端電壓值間接檢測溫度值，具體電路連接見圖7 ;限流保險絲也可以擴展到本系統之中。如圖7所示，如圖7(a)為舵機迴路電流檢測電路，採用LEM HXS20電流傳感器，輸入端連接到舵機迴路中，輸出端通過輸出值和參考值求解出該迴路的電流大小；如圖7 (b)為艙內漏水檢測電路，採用PBO埠高低電平檢測的方法間接檢測艙內是否進水，Dl為二極體，限制電流流向；如圖7 (c)為溫度檢測電路，主要採用AD590溫度傳感器，一端接5V電源，另一端接固定電阻之後接地，通過檢測電阻兩端電壓檢測艙內溫度，電阻兩端接有電容穩壓。舵機與推進電機的控制都由單片機、CAN通信電路以及舵機\電機控制電路完成，由於單片機AT90CAN128集成了 CAN總線控制器，因此程序的難度大大降低。單片機的控制 引腳定義見圖6 (b)與表I所示。圖6 (a)為JTAG仿真器插口，能夠通過仿真器與電腦相連，進行單片機的程序燒寫。表I控制對應埠與信號含義
權利要求1.一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於包括航空接插件、推進系統控制板、電機驅動器和包括多個舵機、電機的推進設備；航空接插件與推進系統控制板和電機驅動器連接；推進系統控制板與推進設備的舵機和電機驅動器連接；電機驅動器還與推進設備的電機連接。
2.根據權利要求I所述的一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於所述推進系統控制板包括帶有CAN接口的單片機、電源管理電路、安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路； 帶有CAN接口的單片機分別與電源管理電路、安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路相連接；電源管理電路分別與安全監控電路、CAN通信電路和舵機\電機控制電路相連接；所述安全監控電路包括舵機電流檢測電路、漏水檢測電路，溫度檢測電路和電機檢測電路。
3.根據權利要求2所述的一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於所述舵機電流檢測電路包括電流傳感器；電流傳感器的輸入端接入電源管理電路輸出的舵機供電電源；參考端和輸出端分別與單片機的不同AD接口連接；參考端和輸出端都串聯電容接入電流傳感器的接地端。
4.根據權利要求2所述的一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於所述漏水檢測電路包括二極體；單片機的輸入端通過串聯電容接地，還通過串聯電阻與二極體的正極連接，二極體的負極與推進艙內的信號線連接，二極體的正極接有上拉電阻。
5.根據權利要求2所述的一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於所述溫度檢測電路包括溫度傳感器；溫度傳感器一端連接電源管理電路輸出的電源；另一端連接電阻和電容組成的並聯電路，該端還與單片機的一個AD接口相連接。
6.根據權利要求2所述的一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於所述電機檢測電路將電機驅動器信號反饋端與單片機的I/O接口相連接。
7.根據權利要求2所述的一種小型水下機器人推進控制系統，其特徵在於所述CAN通信電路包括數字隔離器和CAN總線收發器；CAN總線信號經CAN總線收發器進行信號轉換後再經數字隔離器進行信號隔離，最後接入單片機的CAN埠。
專利摘要本實用新型涉及一種小型水下機器人推進控制系統，包括航空接插件、推進系統控制板、電機驅動器和包括多個舵機、電機的推進設備；航空接插件與推進系統控制板和電機驅動器連接；推進系統控制板與推進設備的舵機和電機驅動器連接；電機驅動器還與推進設備的電機連接。本實用新型採用模塊化的設計思想，電路簡單易於擴展，可移植性高；減少電路板的空間佔用和電量消耗，簡化控制程序，有效利用有限的定時器資源，有較高性價比；本實用新型設有推進控制系統故障檢測與水下艙體安全檢測功能，增強了控制系統的安全性與可靠性。
文檔編號G05D1/02GK202735762SQ20122043489
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者李一平, 閻述學, 曾俊寶 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所