浅析水下便携式水下机器人硬件体系设计信

论文导读：统工作稳定，搭载AHRS、声纳等传感器后，配合上位机软件，可以构建水下未知环境地图，并且具有作业和采集数据能力。关键字：便携式水下机器人；硬件系统；保护电路；通信协议1004?373X（2013）21?0100?030引言21世纪，随着全球人口增多源于：大学生论文查重www.7ctime.com，资源大量利用，陆地上的资源越来越匮
摘 要： 为水下探测提供实验平台，设计一款便携式20 kg级水下机器人ROV，机器人装备有推进器、水下摄像头、防水机械臂、电磁阀、PH计传感器、GPS等。主要介绍了机器人硬件系统的设计，包括主控电路、推进器驱动、电源转化、漏水检测等电路设计及电子舱内通信协议。各部分电路均设计保护电路，硬件系统工作稳定，搭载AHRS、声纳等传感器后，配合上位机软件，可以构建水下未知环境地图，并且具有作业和采集数据能力。
关键字： 便携式水下机器人； 硬件系统； 保护电路； 通信协议
1004?373X（2013）21?0100?03
0 引 言
21世纪，随着全球人口增多源于：大学生论文查重www.7ctime.com
，资源大量利用，陆地上的资源越来越匮乏，为了解决资源的问题，人们开始更加注重海洋资源的开发，水下机器人ROV（Remotely Operated Underwater Vehicle）技术也将越来越受到重视，ROV可以代在水下作业和探测，注定是国内水下技术发展的重要方向。
本文主要论述了便携式ROV硬件系统的实现。此系统自身装备了水下摄像头、防水机械臂、PH计、电子取水阀、GPS导航等传感器，能够对水下未知环境进行探测。
1 便携式ROV系统总体框架
该系统分为陆地工作站和水下作业系统两部分，其实物图如图1所示。陆地工作站包括了上位机控制软件，可以对 ROV进行姿态航向控制，构建水下未知环境地图，显示水下环境。
水下作业系统主要包括电子密封舱、防水机械臂、推进器、摄像头、水样采集电磁阀、GPS导航、浮力砖等，可以根据需要搭载各类传感器。
2 系统硬件实现
此系统的控制芯片为增强型16位闪存数字信号控制器dsPIC30F4011，拥有高性能改进型RISC CPU与DSP引擎，支持UART、CAN等多种通信协议。

2.1 控制舱电路设计

控制舱主要包括主控板模块、推进器驱动模块、电压转换模块、漏水检测模块、协议转换模块等。硬件系统结构图如图2所示。
2.

1.1 主控板模块

主控板为上位机软件与下层硬件外设的枢纽，控制芯片为单片机dsPIC30F4011，上层控制信息通过串口（UART）发送到单片机，经过单片机解包判断后，将控制命令通过CAN总线发送到各个推进器驱动， 达到控制推进器的姿态、航向以及工作状态。同时下层的信息也会通过控制芯片反馈回上位机软件，漏水检测电路一旦检测到漏水，致单片机端口产生电平变化，单片机检测到电平变化后，便会利用串口发送漏水报警信息，通知上位机软件发生漏水，以便采取应急措施。
单片机通过控制IO端口输出高低电平，驱动5 V的电磁继电器，进而控制电磁阀的通断，采集水样。
2.

1.2 推进器驱动模块

4个推进器采用200 W直流有刷电机，为了能够控制电机的方向与速度，驱动使用H桥驱动电路， H桥驱动电路使用IR公司的MOET驱动IR2136。
主控芯片使用dsPIC30F4011，增加外设CAN总线收发器MCP2551与主控芯片相连，用于接收控制信息；通过霍尔电流传感器产生电压、电流、功率信号，主控芯片使能A/D转换对电机电压、电流、功率进行采样，对推进器提供过流、过压、欠压保护，通过对电机电压信号进行判断获得推进器方向。由霍尔电流传感器获得电机运行时电流波形，然后送入信号调理电路，由信号调理电路对纹波信号进行滤波、放大、整形取出换向信息，将该信息送至单片机频率测量电路，测量出换向纹波频率，经过计算可得电机速度[3]。
图3为直流无刷电机驱动电路框图，推进器驱动模块采用增量式PID算法来控制电机转速，PID具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高和参数易整定等优点。转速的测量使用等精度测量算法，也称多周期同步测量法，消除了对被测信号计数时产生的±1个字误差，测量精度大大提高，而且达到了在整个测量频段的等精度测量[4]。
2.

1.3 电压转换模块

电源转换模块主要使用广州金升阳科技有限公司提供的DC?DC，由24 V转换产生系统工作所需要的5 V、12 V、±15 V电压，由于DC?DC模块抗电冲击的能力较差，为了保护DC?DC模块和负载电路的安全，电路设计中，增加了过流过压保护、欠压保护、反接保护等保护电论文导读：600autonomousunderwatervehicle//Proceedingsof2005MTS/IEEEOCEANS.Washington，DCUSA：IEEE，2005，2：1301?1304.MicrochipTechnologyInc.dsPIC30F系列参考手册.USA：MicrochipTechnologyInc，2006.马瑞卿，刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用.电力电子技术，2000（1）：31?33.谢浪清
路，保证工作电压稳定。电路图如图4所示。
2.

1.4 漏水检测模块

漏水检测系统主要用于检测电子密封舱内是否漏水，电路设计中使用比较器，比较输出高低电平。无漏水时，比较器输出高电平；当有水进入时，造成输入回路短路，比较器端口输入增大，致使比较器输出反转，主控板控制芯片检测到电平反转后会产生报警信息[5]。电路图如图5所示。
2.

1.5 协议转换模块

本设计中采用的是以太网-串口转换器P300M，P300M是一款具有三口RS 232串口服务器，广泛应用于工业控制。同比一路及多路RS 232串口服务器，有很高的性价比。采用专门针对网络而自主研发的RTOS（实时操作系统），性能稳定，表现卓越。

2.2 作业机械臂及采集系统

机械臂采用5个舵机和舵机控制板构成5自由度机械臂。在本设计中，使用了一块舵机控制板，能够同时控制32路舵机，配置串口及USB等两种通信模式，可以根据需要选择通信模式。
采集系统主要包括PH计传感器、水样采集电磁阀及GPS系统，因为控制舱有串口服务器，所以根据具体应用，可以搭载AHRS、声纳、电子罗盘等各类传感器。
3 控制舱通信实现
控制舱内使用串口（UART）和控制器局域网CAN（（Controller Area Network）总线协议，串口实现主控板与串口服务器通信、CAN总线实现主控板与推进器驱动通信[6]。

3.1 CAN总线通信协议

CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一[7]。
硬件系统中，CAN总线节点使用MCP2551收发器，实现物理层协议，同时需要用户自己定义应用层协议，控制信息为16个字节，第16位控制电机启动与停止，第15位控制电机正反转，第13与14位选择PID类型，后12位代表电机转速。

3.2 串口通信协议

串行接口（Serial Interface）是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本，特别适用于近距离通信，但传送速度较慢。
主控板串口接受指令，控制推进器、电磁阀及向上位机反馈报警信息，定义波特率9 600 b/s。上位机软件必须符合一定的协议，才能实现正常通信，串口通信每个数据帧包含10个字符，只有当数据帧位0x20 xx xx xx xx xx xx xx xx 0x21（十六进制）时主控板才会正常接收，其他情况一律判断为无效字段，丢弃处理，指令段中包含推进器及电磁阀指令。
4 结 语
本文介绍了20 kg级便携式ROV硬件系统的实现，该系统涉及主控板、推进器驱动、机械臂、漏水检测、电源系统、数据通信及嵌入式软件，经过测试系统稳定，配合上位机软件能够在浅水下完成作业任务，并且为水下实验提供可靠平台。
参考文献
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[4] 谢浪清.高速等精度频率测量的研究[J].中国科技信息，2006（15）：154?155.
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