示CAN通信的两路信号，+24/T是主推电机电源J8中的+24/T和GND/BAT连接主推电机控制继电器；J9中的+24V/拋载I和+24V/拋载2分别连接拋载电机I和拋载电机2。
[0055]如图3所示，推进系统控制板包括带有CAN接口的单片机AT90CAN128、串口通信电路、CAN通信电路、AD采样电路及继电器控制电路。单片机通过串口 O接收主控计算机的控制命令并将推进系统控制板采集的信息反馈至主控计算机，单片机通过串口 I把提取出的旋转电机控制命令发送至旋转电机驱动板；通过CAN总线单片机把提取出的2个主推电机的控制命令发送至主推电机驱动板；通过单片机1端口把提取出的继电器控制命令发送至继电器控制电路；
[0056]推进系统的推进方式如图4(a)?4(e)所示，旋转电机设置于水下机器人中心，旋转电机可以实现180°旋转，其旋转轴两端各接一个主推电机，主推电机可正转或反转。图4(d)为旋转电机0°位置，此时主推电机转动轴相对于海平面是垂直方向，且螺旋桨朝下，图4(e)为旋转电机180°位置，此时主推电机转动轴相对于海平面仍是垂直方向，但螺旋桨朝上。当旋转电机位于0°位置时，两个主推电机正转可实现水下机器人上浮运动，如图4(d);当旋转电机位于180°位置时，两个主推电机正转可实现水下机器人下潜运动，如图4(e);当旋转电机旋转至90°，两个主推电机正转可实现前进运动，如图4(a);若要实现向后运动，可使主推电机一个正转一个反转，如图4(b)，让水下机器人绕垂直方向旋转180°，之后使两个主推电机正转，即可实现向后运动，如图4(c)。主推电机可正转或反转，如图4(d)中上浮运动示意图中，若主推电机反转也可实现水下机器人下潜运动，但这样效率比较低，此方式可适用于短时航行，若要水下机器人长时间朝着某个方向航行，要使用主推电机正转的方式。
[0057]如图5(a)?5(b)所示，本系统使用电压传感器来检测电源系统总电压值，本系统使用LEM HXS20电流传感器来检测电源系统总电流值，如图5(a)，输入端连接总电源回路，输出端通过输出值和参考值求解出该回路的电流大小，本设计中总电压计算方法为U=9.6XADC1,其中ADCl指单片机AD通道I采集的电压值；本系统使用LV-25P电压传感器来检测电源系统总电压值，如图5(b)，其中电源转换模块TSM 0512D为电压传感器提供±12V参考电压，再通过线圈感应的比例关系求出电源电压，本设计中总电流的计算方法为I = 16 X IADC2-ADC3 |，其中ADC2和ADC3分别指单片机AD通道2和通道3采集的电压值；
[0058]单片机的控制引脚定义见图6(a)，其中单片机外接晶振采用经过万米耐压测试的环氧封装晶振，图6(b)为JTAG仿真器插口，能够通过仿真器与电脑相连，进行单片机的程序烧与。
[0059]单片机通过串口 O与主控计算机通信，使用MAX202E进行电平转换，如图7 (a)所示；单片机通过串口 I与和旋转电机驱动板通信，旋转电机使用24V供电，为了保证单片机安全，需要进行信号隔离，本设计采用ADM3251E进行隔离，ADM3251E集成了双通道数字隔离器以及isoPower集成隔离电源，保证了单片机的安全，此部分电路如图7(b)。
[0060]单片机和2个主推电机之间采用CAN总线通信，本实用新型使用的是Atmel公司集成CAN控制器的AT90CAN128单片机，可以很容易的通过寄存器操作编写CAN通信程序，如图8 (b)所示，采用数字隔离器ADUM1201和高速CAN总线收发器TJA1050，数字隔离器两端采用相互隔离的电源，保证单片机输出的信号和接到CAN总线收发器上的信号内容相同但是相互隔离，增加了系统的抗干扰性，经过CAN收发器输出的CAN信号直接与主推电机的CAN总线相连。数字隔离器ADuM1201输出端需要隔离电源，采用TSM 0505S模块实现，如图8(a)所示，其中电容C3使用经过万米耐压测试的钽电容。
[0061]如图9(a)?9(c)所示，本实用新型的推进控制系统采用继电器组对旋转电机、主推电机、拋载电机以及电压传感器电源进行控制，单片机输出端连接ULN2803，增大负载电流，以驱动继电器，继电器输出端一端接24V电源，另一端分别接拋载电机1、拋载电机2、旋转电机及主推电机的电源输入端，如图9(a)所示；为了防止继电器在上电瞬间状态来回切换，单片机控制端口接下拉电阻，如图9(b)所示，保证在上电时刻，程序未写入之前，继电器都处于断开状态；同时由于电压传感器自身耗电，为了节省电能，只有在控制系统板单片机上电时才给电压传感器供电，本实用新型使用一个继电器处理此问题，电路如图9(c)所示。
[0062]单片机的整体控制程序主要包括以下步骤:
[0063]I)推进控制系统板上的单片机从串口 O中断获取数据并提取出旋转电机旋转角度、主推电机转速和方向、继电器开关状态等控制量；
[0064]2)推进控制系统板上的单片机检测I/O驱动板状态，获取外接设备及传感器的上电状态信息；
[0065]3)推进控制系统板上的单片机用定时器O产生一个中断，按设定周期处理信息，主要内容有:
[0066]①通过串口 O给主控计算机发送反馈信息，包括电源总电压、电源总电流、旋转电位计电压及获取到的I/o驱动板状态。
[0067]②通过串口 I给旋转电机发送旋转角度控制命令；
[0068]③通过CAN总线给左主推电机发送控制命令；
[0069]④通过CAN总线给右主推电机发送控制命令；
[0070]⑤通过单片机I/O端口给继电器发送控制命令；
[0071]⑥进行ADC初始化命令，开始下一轮采样。
[0072]4)推进控制系统板上的单片机通过CAN中断接收主推电机状态信息，信息包括电机实际转速、驱动器故障、霍尔传感器故障及CAN通信故障；
[0073]5)推进控制系统板上的单片机通过AD采样中断，一次采集4路模拟量，包括电压传感器电压、电流传感器差分电压及旋转电位计电压。
[0074]图10是4通道AD采样流程图，说明如下:
[0075]首先对单片机额内的ADC寄存器初始化，分别包括设置基准源、ADC通道、中断使能、启动转换等，并设置一个变量mux指示ADC通道，设置一个长度为8的char型数组ad_buff，用来保存4个通道ADC采样值；
[0076]以下是ADC转换结束中断的操作:
[0077]①一次ADC转换结束后进入中断，保存ADC采样值，ad_buff[mux*2+l]存放ADCL，ad_buff[mux*2]存放 ADCH ；
[0078]②mux加1，即进入下一个ADC通道，判断mux是否大于3，如果大于三说明四次ADC采样已经结束，则重置ADC通道为0，等待ADC初始化，以开始下一个转换周期；若mux不大于3，则ADC通道加1，通道控制寄存器ADMUC | = mux,即设置下一个通道，开启转换，并等待转换结束中断，中断后进入①。
[0079]在本系统中，主控计算机和推进系统之间的数据交换有:主控计算机向推进系统发送主推电机、旋转电机以及拋载电机的开关状态，发送旋转电机角度及方向，发送主推电机转速及方向；推进系统向主控计算机报告主推进电机状态、旋转电机角度、电源状态及I/o驱动板状态等信息。
[0080]本实用新型的工作原理为:通过串口进行系统间的数据传输，提取数据作为控制量，再通过串口和CAN总线控制控制旋转电机和主推电机，通过单片机I/O 口控制继电器，进而实现主推电机、旋转电机及拋载电机的电源开关控制；同时监测系统的状态，使得水下推进系统可以正常工作运转。
【主权项】
1.一种万米自主遥控水下机器人推进控制系统，其特征在于:包括推进系统控制板以及与其连接的推进设备和拋载设备； 所述推进设备包括两个主推电机驱动板以及与其连接的主推电机、旋转电机驱动板以及与其连接的旋转电机； 拋载设备包括两个拋载电机； 所述推进系统控制板与旋转电机驱动板、设置于旋转电机上的旋转电位计连接，还与两个主推电机驱动板、两个拋载电机连接，并通过串口与主控计算机连接。2.根据权利要求1所述的一种万米自主遥控水下机器人推进控制系统，其特征在于所述推进系统控制板包括单片机以及与其连接的串口通信电路、CAN通信电路、AD采样电路和继电器控制电路； 所述串口通信电路与旋转电机驱动板、主控计算机连接； 所述CAN通信电路与两个主推电机驱动板连接； 所述AD采样电路与旋转电位计、电流传感器和电压传感器连接； 所述继电器控制电路与电压传感器、旋转电机、两个主推电机和两个抛载电机连接。3.根据权利要求1或2所述的一种万米自主遥控水下机器人推进控制系统，其特征在于所述旋转电机设置于水下机器人的中心，其旋转轴两端各连接一个主推电机。4.根据权利要求1所述的一种万米自主遥控水下机器人推进控制系统，其特征在于所述推进系统控制板、旋转电机驱动板及主推电机驱动板浸泡于油中，各板上的晶振使用环氧封装的晶振，电解电容采用钽电容代替。
【专利摘要】本实用新型涉及一种万米自主遥控水下机器人推进控制系统，包括推进系统控制板以及与其连接的推进设备和拋载设备；所述推进设备包括两个主推电机驱动板以及分别与主推电机驱动板连接的主推电机、旋转电机驱动板以及与其连接的旋转电机；拋载设备包括两个拋载电机。本实用新型所涉及的控制板和驱动板浸泡于油中，其上的晶振及电容等元器件经过耐压处理，能够满足推进控制系统万米耐压要求；本实用新型使用较少的推进器即可实现机器人多个自由度的运动，方法简单，降低了系统功耗。
【IPC分类】G05B19/042
【公开号】CN204631509
【申请号】CN201520296564
【发明人】曾俊宝, 孙龙飞, 李一平, 李硕
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月7日