一种微型水下机器人控制器的制作方法

本发明涉及信号检测处理与控制技术领域，尤其是一种微型水下机器人控制器。

背景技术：

近年来国家在海底水下探测监控投入大量的经费，建设了许多海底人工渔礁和珊瑚虫生长保护区，以便每天能观察水下鱼群的活动频度和珊瑚虫的具体生长情况，进而分析海洋生态的恢复程度。然而，能用于这方面做监控的产品比较缺乏，有的下潜深度不够（小于50米），有的造价很高（50万以上），有的性能简单，只能给钓鱼爱好者做辅助用，而海洋水下探测工作又很需要能潜入深度100米以上、游走稳定可靠、视频传输清晰的水下机器人产品。因此，研究开发一种水下视频探测机器人的控制器有很好的现实需求和现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种微型水下机器人控制器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种微型水下机器人控制器，包括控制器主体，控制器主体内设有arm嵌入式系统，水下机器人上设有传感器系统，arm嵌入式系统上通过通信接口连接地面上的远程操作控制器，arm嵌入式系统与水下机器人上的四个螺旋桨推进器连接；

所述螺旋桨推进器包括安装在水下机器人上的多个直流电机，多个直流电机连接防水电机螺旋桨，多个直流电机分别为控制水下机器人前进移动的第一直流电机，控制水下机器人后退移动的第二直流电机，控制水下机器人上浮移动的第三直流电机，控制水下机器人下沉移动的第四直流电机；

所述arm嵌入式系统内设有stm32系列微控制器，stm32系列微控制器处理所述传感器系统采集到的数据以及控制多个直流电机的运行状态、与上位机之间的通讯，stm32系列微控制器连接pwm高速定时器。

上述的一种微型水下机器人控制器，所述stm32系列微控制器通过运动控制电路连接所述螺旋桨推进器，运动控制电路采用两块智能功率芯片btn7971构成全桥驱动结构对一个螺旋桨推进器进行驱动，它带有一个p沟道的高边mosfet、一个n沟道的低边mosfet，智能功率芯片btn7971集成逻辑电平输入、电流诊断、过温过压、欠压过流及短路保护的功能。

上述的一种微型水下机器人控制器，智能功率芯片btn7971的out1和out2接直流电机两端，in1，in2分别接控制器的i/o口，通过输出pwm实现正反转控制和pwm调速，pwm1控制out1的输出电压值u1，pwm2控制out2的输出值u2，u1、u2的大小由pwm1、pwm2的占空比乘以供电电压决定，故u1、u2的差值决定了电机的转速；

btn7971的芯片内部为一个半桥，inh为高电平，in引脚用于确定哪个mosfet导通，in=1且inh=1时，高边mosfet导通，out引脚输出高电平；

in=0且inh=1时，低边mosfet导通，out引脚输出低电平，sr引脚外接电阻，电阻的大小可以调节mos管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能，is引脚是电流检测输出引脚，正常模式下，从is引脚流出的电流与经过高边mos管的电流成正比，若ris=1kω，则vis=iload/8.5；在故障条件下，从is引脚流出的电流等于1is（约4.5ma），最后的效果是is为高电平。

上述的一种微型水下机器人控制器，所述arm嵌入式系统连接电池，电池为锂电池。

上述的一种微型水下机器人控制器，智能功率芯片btn7971和stm32系列微控制器通过隔离电路保护，隔离电路采用型号为adum1411的四通道数字隔离器，数字隔离器防止btn7971损坏后将电池电压直接输入到控制器。

上述的一种微型水下机器人控制器，所述通信接口为rs-485通信电路，rs-485通信电路采用adm2483芯片设计通信接口，adm2483芯片为带隔离的增强型rs-485收发器，rxd、en、txd分别是接收输出、收发使能端、发送输入，当en为高电平时，都禁止接收和禁止发送，vdd1为逻辑端供电电源，pv为电源监控脚，当此引脚电平高于2.0v，adm2483芯片工作，低于2.0v芯片不工作；

gnd1为逻辑端电源地，gnd2为总线端电源地，a为输入/输出同相端，b为输入/输出反相端，vdd2为总线端供电电源，在a、b端分别接一个双向瞬态电压保护二极管，adm2483具有热关断功能，可防止温度过高时芯片因电源的过度损耗而毁坏，当adm2483芯片工作温度高于150℃时，adm2483芯片独有的热关断电路会关断驱动器输出；而当温度回到140℃时，adm2483芯片会自动使能驱动器输出。

上述的一种微型水下机器人控制器，四个螺旋桨推进器分别安装在水下机器人的顶部，底部以及两侧。

上述的一种微型水下机器人控制器，所述远程操作控制器包括设置在地面的控制箱和液晶显示屏，控制箱上设有按键。

上述的一种微型水下机器人控制器，所述控制器主体上连接4芯电缆，2芯电缆作为水下机器人的外部高压备用供电，2芯电缆作为rs-485通信线。

上述的一种微型水下机器人控制器，所述传感器系统包括设置在水下机器人上的陀螺仪传感器和水深压力传感器，水深压力传感器型号为ns-e3-150mh2o-10。

本发明的有益效果为：该控制器主要精确解机器人在水下游走、位置检测、姿态控制，为水下探测、水底测量、水下物品打捞等工作提供方便。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明stm32系列微控制器的基本电路图；

图3为本发明的运动控制电路图；

图4为本发明的隔离保护电路图；

图5为本发明的rs-485通信电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种微型水下机器人控制器，包括控制器主体1，控制器主体1内设有arm嵌入式系统2，水下机器人上设有传感器系统，传感器系统包括设置在水下机器人上的陀螺仪传感器3和水深压力传感器4，水深压力传感器4型号为ns-e3-150mh2o-10，arm嵌入式系统2上通过通信接口5连接地面上的远程操作控制器6，arm嵌入式系统2连接电池11，电池11为锂电池，arm嵌入式系统2与水下机器人上的四个螺旋桨推进器连接；四个螺旋桨推进器分别安装在水下机器人的顶部，底部以及两侧，螺旋桨推进器包括安装在水下机器人上的多个直流电机，多个直流电机连接防水电机螺旋桨，多个直流电机分别为控制水下机器人前进移动的第一直流电机7，控制水下机器人后退移动的第二直流电机8，控制水下机器人上浮移动的第三直流电机9，控制水下机器人下沉移动的第四直流电机10。

水下机器人作为一个复杂的系统，其中包含着运动控制、传感器的数据采集和处理、人机交互界面和通信系统等复杂的信息处理，使得其在数据处理和控制算法上具有一定的要求，在本次设计中采用stm32系列微控制器作为水下机器人数据采集和处理的核心处理器。其主要处理陀螺仪传感器3和水深压力传感器4采集到的数据以及对数据的处理、控制电机的运行状态、与上位机之间的通讯；

stm32系列微控制器的高速性能使得算法的执行速度和代码效率有了更高的水平，数据传输速率非常快。拥有pwm高速定时器，能够方便快速的对电机的进行控制。其低功耗的工作状态，待机情况下消耗2ua，能足够适用水下机器人低功耗的要求。

stm32的基本电路如图2所示，25mhz晶振构成的时钟电路，拥有上电复位和手动按键复位两种形式。3.3v的供电电源，构成控制器的最小系统。

水下机器人的执行层动力是由四个防水的直流电机进行提供的，为使水下机器人实现平移、潜浮运动，既需要在给定方向上精确的保持轨迹运动，也需要在海流的扰动下，依然具备良好的推进动力。推进系统就是要实现水下机器人运动的可控性而且能够保持位置稳定。运动控制电路如图3所示；

水下机器人的螺旋桨推进器由直流电机和螺旋桨组成，整体采用密封防水结构。其驱动是由两片智能功率芯片btn7971构成全桥驱动结构对一个螺旋桨推进器进行驱动，它带有一个p沟道的高边mosfet、一个n沟道的低边mosfet，btn7971多应用于驱动大电流电机，驱动电流可达43a，输入电压范围在7.2v到24v之间，且集成逻辑电平输入、电流诊断、过温过压、欠压过流及短路保护的功能。其电机驱动电路如图1-2所示，其中btn7971的out1和out2接电机两端，由12v电压源供电，in1，in2分别接控制器的i/o口，通过输出pwm实现正反转控制和pwm调速，pwm1控制out1的输出电压值u1，pwm2控制out2的输出值u2。u1、u2的大小由pwm1、pwm2的占空比乘以供电电压决定，故u1、u2的差值决定了电机的转速。btn7971的芯片内部为一个半桥，inh为高电平，使能btn7971。in引脚用于确定哪个mosfet导通，in=1且inh=1时，高边mosfet导通，out引脚输出高电平；in=0且inh=1时，低边mosfet导通，out引脚输出低电平。sr引脚外接电阻，电阻的大小可以调节mos管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。is引脚是电流检测输出引脚，正常模式下，从is引脚流出的电流与经过高边mos管的电流成正比，若ris=1kω，则vis=iload/8.5；在故障条件下，从is引脚流出的电流等于1is（约4.5ma），最后的效果是is为高电平。

其中部分芯片需要+5v的电源进行供电，设计中采用ncp1117st50t3g三端稳压输出5v的芯片，输入端是电压值为12v的锂电池，通过三端稳压输出5v的电压，对芯片进行供电。

如图4所示，在电机的驱动系统中，由于考虑到电机的大电流会影响控制部分电路的工作，故应设计隔离电路，以提高系统的可靠性。本设计中可靠性设计采用adum1411四通道数字隔离器进行隔离保护。adum1411的隔离设计是为了保护btn7971和控制器芯片，防止btn7971损坏后将电池电压直接输入到控制器，进而烧坏控制器引脚。并且adum1411设计的隔离器可消除光耦合器通常具有的电路传输比不确定性、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题。adum1411隔离器不需要外部驱动器和其他分立器件，此外，在信号速率相当的情况下，其功耗只有光耦合器的1/10。

另外，利用回声可以测量海洋的深度，具体方法是：根据声音在海水中的传播速度是1500m/s，可以采用测量声音在海水中传播时间来计算出深度。假设当从海面发出声音3s后接收到回声时，则此处海洋的深度测量是：

声音从海面传到海底的时间为t=1/2×3s=1.5s，

那么此处海洋的深度为s=vt=1.5s×1500m/s=2250m。

在水下机器人的作业过程中，通常需要将一些采集到的数据回传并显示，因此，在数据传输过程中需要与上位机进行通信，通信接口5为rs-485通信电路，rs-485通信电路采用adm2483芯片设计通信接口，adm2483芯片为带隔离的增强型rs-485收发器，最高传输速率可达500kbps，逻辑端兼容3v/5v工作电源，总线端5v供电。rs-485通信电路如图5所示。rxd、en、txd分别是接收输出、收发使能端、发送输入，当en为高电平时，都禁止接收和禁止发送，vdd1为逻辑端供电电源，pv为电源监控脚，当此引脚电平高于2.0v，芯片工作，低于2.0v芯片不工作。gnd1为逻辑端电源地，gnd2为总线端电源地，a为输入/输出同相端，b为输入/输出反相端，vdd2为总线端供电电源。在a、b端分别接一个双向瞬态电压保护二极管。adm2483具有热关断功能，可防止温度过高时芯片因电源的过度损耗而毁坏。当芯片工作温度高于150℃时，adm2483独有的热关断电路会关断驱动器输出；而当温度回到140℃时，adm2483会自动使能驱动器输出。

远程操作控制器6包括设置在地面的控制箱和液晶显示屏，控制箱上设有按键，液晶显示屏主要显示水下机器人的状态，如水下机器人的实时电量、日期、时间、温度、水深、温度以及状态等信息。

该控制器使用单片机控制防水电机螺旋桨做推进器，完成水下机器人的的上、下、前进、后退运动；使用4芯电缆连接水下机器人控制器，2芯电线作为水下机器人的外部高压备用供电，2芯线作为rs-485通信线；使用水下压力传感器检测当前潜入离水面深度；利用rs-485通信把水下机器人的状态传输到上面显示，精确解机器人在水下游走、位置检测、姿态控制，为水下探测、水底测量、水下物品打捞等工作提供方便。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。