一种万米自主遥控水下机器人的控制计算机系统的制作方法

本实用新型涉及水下机器人技术领域，具体地说是一种万米自主遥控水下机器人的控制计算机系统。

背景技术：

自主遥控水下机器人(arv)是一种集自主水下机器人(auv)和有缆遥控水下机器人(rov)特点于一身的新型的混合式水下机器人，具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式，自带能源并携带光纤微缆，可以在深海环境下，实现自主、遥控、半自主等不同作业模式下的区域搜索、定点观测以及水下轻作业，是一种理想的海洋探测和作业平台。

现有的水下机器人控制计算机系统不能应用于万米自主遥控水下机器人，一是耐压问题，现有系统不能承受万米水深的压力；二是由于万米自主遥控水下机器人所携带设备众多，各设备之间接口又无法统一，同时为保证设备安全，各设备之间要求完全电气隔离，现有系统无法满足以上要求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种用于万米自主遥控水下机器人的控制计算机系统，可应用于万米强压充油环境中，并具有良好的可移植性。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种万米自主遥控水下机器人的控制计算机系统，包括：

电源转换及io驱动电路板通过开关输出反馈排针与反馈扩展电路板相连，电源转换及io驱动电路板通过开关控制信号排针与核心计算机及通信扩展电路板相连，反馈扩展电路板分别通过ad、da信号排针以及串口通信排针与核心计算机及通信扩展电路板相连。

还包括核心计算机及通信扩展电路板、千兆网交换机分别与漏水检测电路板相连。

所述核心计算机及通信扩展电路板与千兆网交换机相连组成局域网。

所述电源转换及io驱动电路板包括io驱动电路以及电源变换电路，其中，电源变换电路为io驱动电路以及核心计算机及通信扩展电路板中的核心计算机供电，io驱动电路将核心计算机的io信号输入给反馈扩展电路板中的隔离io输入电路。

所述反馈扩展电路板包括：隔离io输入电路、单片机最小系统电路、ad采样电路、隔离232接口电路以及da输出电路，其中，隔离io输入电路将io信号输入给单片机最小系统电路，单片机最小系统电路接收ad采样电路的ad信号，并将da信号输出给da输出电路，同时，隔离232接口电路通过串口分别与单片机最小系统以及核心计算机及通信扩展电路板中的核心计算机相连。

所述核心计算机及通信扩展电路板包括核心计算机、隔离can接口电路、隔离232接口电路、隔离422接口电路，其中核心计算机通过io信号控制电源转换及io驱动电路板中的io驱动电路，同时，核心计算机通过串口分别与隔离232接口电路以及隔离422接口电路相连，通过can总线与隔离can接口电路相连。

所述控制计算机系统采用堆栈式连接的方法，自上而下分别为：电源转换及io驱动电路板、反馈扩展电路板、核心计算机及通信扩展电路板、千兆网交换机、漏水检测电路板。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型各电路板中的使用的元器件经过耐压筛选，能够满足控制系统万米耐压要求；

2.本实用新型采用全电气隔离设计，能够有效地保证控制系统各设备的安全；

3.本实用新型各电路板之间的电气连接采用堆叠形式，既有效地减小了系统体积，又实现了模块化设计，方便后期维护及调试；

4.本实用新型可以根据不同设备对接口的要求方便的进行扩展，本实用新型在设计时预留多种开关及通信接口，基本可以满足扩展传感器的接口要求。

附图说明

图1为本实用新型系统结构图；

其中，1为电源转换及io驱动电路板、2为反馈扩展电路板、3为核心计算机及通信扩展电路板、4为千兆网交换机、5为漏水检测电路板、6为水密接插件、7为螺柱、8为导线、9为开关控制信号排针、10为开关输出反馈排针、11为a/d、d/a信号排针、12为串口通信排针、13为充油电子舱；

图2为电压转换电路图；

图3为隔离开关io驱动电路图；

图4为单片机最小系统电路；

图5为隔离开关io输入电路；

图6为a/d采样电路；

图7为d/a输出电路；

图8a为隔离232串口电路一；

图8b为隔离232串口电路二；

图9a为隔离422串口电路一；

图9b为隔离422串口电路二；

图10为隔离can口电路；

图11为本实用新型系统结构连接图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的属于“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的标书只是为了说明的目的，并不表示唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

一种万米自主遥控水下机器人的控制计算机系统，包括：

电源转换及io驱动电路板1：完成对输入电源的电压转换，并完成隔离开关io输出，从而完成对外接传感器的开关控制，主要包括电源变换电路及隔离开关io输出电路。

反馈扩展电路板2：主要完成对电源转换及io驱动电路板1的隔离开关io输出的反馈检测，完成a/d采样以及完成d/a输出控制，并通过串口与核心计算机及通信扩展电路板3中的核心计算机进行通信，主要包括单片机最小系统电路、隔离开关io输入电路、a/d采样电路、d/a输出电路，隔离232串口电路；

核心计算机及通信扩展电路板3：主要包括核心计算机及通信扩展电路，核心计算机为控制计算机系统的核心，通信扩展电路主要包括隔离232串口电路、隔离422串口电路、隔离can口电路，核心计算机及通信扩展电路板3，向电源转换及io驱动电路板1输出io控制信号，实现控制计算机系统与传感器之间的232串口、422串口、can口通讯，与反馈扩展电路板2通信；

千兆网交换机4：将核心计算机及通信扩展电路板3与外部网络设备组成局域网；

漏水检测电路板5：完成漏水检测，与核心计算机及通信扩展电路板3相连，包括漏水检测电路；

水密接插件6、螺柱7、导线8、开关控制信号排针9、开关输出反馈排针10、a/d、d/a信号排针11、串口通信排针12实现上述电路板的电气连接与机械连接；

所述充油电子舱13用于安装控制计算机系统各设备；

本实用新型采用堆栈式连接的方法，自上而下分别为：电源转换及io驱动电路板1、反馈扩展电路板2、核心计算机及通信扩展电路板3、千兆网交换机4、漏水检测电路板5。其中电源转换及io驱动电路板1与反馈扩展电路板2，电源转换及io驱动电路板1与核心计算机及通信扩展电路板3，反馈扩展电路板2与核心计算机及通信扩展电路板3之间均通过排针相连，而核心计算机及通信扩展电路板3、千兆网交换机4与漏水检测电路板5之间通过螺柱完成机械连接。

所述电源转换及io驱动电路板1与反馈扩展电路板2之间通过开关输出反馈排针10相连，用于将电源转换及io驱动电路板1的隔离开关io输出信号连接至反馈扩展电路板2，由反馈扩展电路板2内单片机完成继电器开关反馈检测，同时完成对反馈扩展电路板2的供电；

所述电源转换及io驱动电路板1与核心计算机及通信扩展电路板3之间通过开关控制信号排针9相连，用于将核心计算机及通信扩展电路板3中核心计算机输出的开关控制信号连接至电源转换及io驱动电路板1，以实现对继电器开关的控制，同时完成对核心计算机及通信扩展电路板3的供电；

所述反馈扩展电路板2与核心计算机及通信扩展电路板3之间通过a/d、d/a信号排针11相连，用于将核心计算机及通信扩展电路板3所接收的外部模拟信号连接至反馈扩展电路板2，由单片机完成a/d采样，同时将反馈扩展电路板2的d/a输出信号连接至核心计算机及通信扩展电路板3；

所述反馈扩展电路板2与核心计算机及通信扩展电路板3通过串口通信排针12相连，用于完成核心计算机及通信扩展电路板3与反馈扩展电路板2之间的串口通信；

所述电源转换及io驱动电路板1、核心计算机及通信扩展电路板3、千兆网交换机4分别与水密接插件7通过导线8相连，实现控制计算机系统与外部传感器的电气连接，千兆网交换机4还与核心计算机及通信扩展电路板3相连组成局域网；

以上所述各部分均浸泡在油内，所有元器件均经过压力测试筛选，其中万米压力测试指在压力罐中打压超过120mpa。

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，为本实用新型的系统结构图。

系统组成包括：电源转换及io驱动电路板1、反馈扩展电路板2、核心计算机及通信扩展电路板3、千兆网交换机4、漏水检测电路板5、水密接插件6、螺柱7、导线8、开关控制信号排针9、开关输出反馈排针10、a/d、d/a信号排针11、串口通信排针12。

电源转换及io驱动电路板1主要包括电源变换电路及隔离开关io输出电路。本实施例中电源变换电路为24vdc输入，5vdc、12vdc、24vdc输出的全隔离电压转换电路，图2为电压转换电路图，图3为隔离开关io驱动电路图。图2中sensor_5v+、sensor_12v+、sensor_24v+与图3中sensor_5v+、sensor_12v+、sensor_24v+相连，图3中继电器输出信号power_stobe、power_ttl、power_download分别通过排针10与反馈扩展电路板2相连。

反馈扩展电路板2主要包括单片机最小系统电路、隔离开关io输入电路、a/d采样电路、d/a输出电路，隔离232串口电路。图4为单片机最小系统电路，图5为隔离开关io输入电路，图6为a/d采样电路，图7为d/a输出电路，图8a～图8b为隔离232串口电路。图5中u1的4脚与图4中u40的4脚相连，图6中adc0/1/2/3与图4中61/60/59/58脚相连，图7中u36的18/19脚与图4中u40的25/26引脚相连，图8a～图8b中u38的3/5脚与图4中u40的3/2引脚相连。

核心计算机及通信扩展电路板3主要包括核心计算机及通信扩展电路，核心计算机为控制计算机系统的核心，本实例中采用基于armcortex-a9内核的定制控制计算机，安装linux系统，同时采用耐压设计，可在120mp油压下正常工作。该控制计算机作为本实用新型的核心计算机，功耗较低且对外接口丰富，具有13路串口、2路can口、1路网口、34路io输出资源，能够满足本实用新型的设计要求。通信扩展电路主要包括隔离232串口、隔离422串口、隔离can口三类，主要是将核心计算机的串口和can口进行扩展，满足可以连接传感器通信接口的要求。本实施例中对外通信接口包括232串口8路、422串口5路、can口1路，可以满足大多数水下机器人的资源要求。在实际使用过程中，还可根据需求调整资源的分配其中隔离232串口电路与图8电路相同，图9a～图9b为隔离422串口电路，图10为隔离can口电路。图9a～图9b中的tr5的3/6引脚，图10中can1的4/5引脚均与核心计算机相连。图11为本实用新型系统结构连接图，具体表示出本实用新型的系统内部结构。

本实用新型的工作原理为：

1.本实用新型上电后，电源转换及io驱动电路板1中的电源转换电路将24vdc转换为5vdc、12vdc、24vdc，其中12vdc和24vdc分别为各自电压等级的传感器供电，而5vdc除了为传感器供电外，还用于为本实用新型中其他电路板供电；

2.5v电压由连接排针9为核心计算机供电，当核心计算机内安装的linux操作系统启动后，可根据程序控制传感器供电开关以及完成与传感器之间的通信；3.本实用新型io输出的工作原理：例如想打开某24v供电的传感器开关，核心计算机对应的控制引脚由高拉低，该信号通过排针9连接至电源转换及io驱动电路板的io驱动电路中，例如图3中jio3的io17_download引脚拉低后，该继电器打开，则jio3的3、4引脚导通，则3引脚向对应传感器输出24v电压；

4.该输出电压除向传感器输出外，同时由排针10连接到反馈扩展电路板2中，该电路板的隔离开关io输入电路将电压转换为单片机能够检测的电压后输入单片机io输入引脚，单片机检测完毕通过串口电路及排针12发送给核心计算机，即完成了一次io输出和io检测的过程；

5.本实用新型与传感器的232/422串口/can口通信原理：则在核心计算机及通信扩展电路板3中，由核心计算机直接通过所连接的隔离232/422串口/can口扩展电路来完成；

6.本实用新型ad采样的工作原理：被采样的传感器输出采样电压给电源转换及io驱动电路板1，由排针a/d、d/a信号排针11引至反馈扩展电路板2，由该电路板的ad采样电路完成信号采样后输出给单片机，单片机通过串口电路及排针12将采样结果发送给核心计算机，完成一次ad采样过程；

7.da输出工作原理：核心计算机通过排针12及串口电路向反馈扩展电路板2的单片机发送da控制命令，单片机通过da输出电路完成da转换，转换后的模拟信号通过排针10进入电源转换及io驱动电路板1，再通过接插件连接至对应传感器。