水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法与流程

本发明属于水下机器人供电控制领域,具体涉及带有机械手的水下多功能作业型机器人供电控制系统的抗电磁干扰方法。

背景技术：

带有机械手的多功能水下作业机器人系统包括水下作业模块、动力模块、环境检测模块、导航模块、视觉照明模块、核心控制模块、供电监测模块，其中水下作业模块的机械手和动力模块的推进器都使用了电机(机械手采用三相交流电机、推进器采用直流无刷电机)，会给机器人系统带来不可避免的电磁干扰，甚至会造成一些控制系统无法正常的工作、传感器发送的数据很不稳定的现象。

目前国内外的机器人在考虑整体的结构限制和耐压要求的前提下，将强电设备和弱电设备放置在同一个电子仓。当遇到某个强电模块的设备带来的电磁干扰较强的情况，无法将强电设备和弱电设备在空间上隔离，不能从根本上隔离电磁干扰。

技术实现要素：

由于带有机械手的水下多功能作业型机器人存在整体的结构限制和耐压要求，为了在设计上就解决电磁干扰的问题，需要在设计方法上提出相应的解决方案，为此本发明提出一种水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰方法，适用于强电供电的机器人系统，可以在满足机器人指标要求的前提下，将强弱电设备在空间上隔离。通过试验判断是否需要将强电设备和弱电设备放在两个电子仓，以有效地隔离了电磁干扰，并且结合滤波器和隔离模块的使用，更加有效的隔离了电磁干扰，保护了抗干扰能力较弱的设备。

本发明的技术方案为：

所述一种水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将水下多功能作业机器人的各个功能模块分为强电部分和弱电部分；强电部分包括动力模块和水下作业模块；弱电部分包括环境检测模块的、导航模块、视觉照明模块、核心控制模块、供电监测模块；

步骤2：依据水下多功能作业机器人初始结构设计，对水下多功能作业机器人各功能模块的电磁干扰进行试验分析，判断当将强电部分的电子设备和弱电部分的电子设备布置在同一电子仓的两端，并在电子仓中间采用金属隔板空间隔离时，弱电部分能否在强电部分的电磁干扰下正常工作，如果能正常工作，则按照一个电子仓进行下一步设计，如果不能正常工作，则采用双电子仓进行下一步设计，将强电部分的电子设备和弱电部分的电子设备分别布置在两个电子仓内；

步骤3：统计水下多功能作业机器人各个功能模块的体积，并根据的水下多功能作业机器人初始结构设计分别计算电子仓内设备的安装体积和电子仓外设备的安装体积，如果电子仓内设备的总安装体积以及电子仓外设备的总安装体积满足水下多功能作业机器人的尺寸要求，则采用当前水下多功能作业机器人结构设计，否则调整电子仓内设备和电子仓外设备的结构设计，直至电子仓内设备的总安装体积以及电子仓外设备的总安装体积满足水下多功能作业机器人的尺寸要求。

进一步的优选方案，所述一种水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法，其特征在于：弱电部分的供电采用三相ac-dc电源模块将输入电压440v转换为24vdc输出电压，对于核心控制模块的cpu模块at-5010、通讯模块a3-csd、光电转换板和dsp板采用24v-5v的dc-dc稳压隔离模块进行供电。

进一步的优选方案，所述一种水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法，其特征在于：三相ac-dc电源模块的输入端和输出端布置滤波器；采用光耦元件对强电部分与弱电部分的模拟地进行隔离处理。

进一步的优选方案，所述一种水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法，其特征在于：弱电部分的供电控制过程为：岸上的上位机系统将供电控制信号发送至电子仓的光电转换板，经过光电转换后发送给cpu模块at-5010和can总线通讯模块a3-csd，再通过can总线形式，发送至dsp板；dsp控制gpio口的电平，利用非线性隔离光耦来驱动mos管控制弱电部分的供电。

进一步的优选方案，所述一种水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法，其特征在于：强电部分的供电控制过程为：通过岸上供电柜直接控制动力模块的直流推进器的供电；通过24v弱电部分控制的三相接触器来控制水下作业模块中机械手的三相交流电。

有益效果

本发明的有益效果是：针对水下多功能作业机器人提供了一套完整的供电控制系统的抗电磁干扰的方法，能够有效的隔离推进器和机械手使用的电机带来的强烈的电磁干扰，使机器人工作更加安全可靠的环境中。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

附图1为水下多功能作业型机器人整体结构设计流程图；

附图2为水下多功能作业机器人整体供电流程图；

附图3为机器人弱电部分供电控制流程图；

附图4为机器人弱电部分供电控制电路图；

附图5为机器人机械手供电控制流程图；

附图6为机器人系统电压电流监测电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例中的水下多功能作业机器人供电控制系统的抗电磁干扰设计方法，包括以下步骤：

步骤1：水下多功能作业机器人的功能模块主要包括动力模块、水下作业模块、环境检测模块的、导航模块、视觉照明模块、核心控制模块和供电监测模块。分析各个功能模块的电特性，按照其工作电压分为强电部分和弱电部分；强电部分包括动力模块(具有500v直流供电的推进器)和水下作业模块(440v交流供电的机械手)；弱电部分包括环境检测模块的、导航模块、视觉照明模块、核心控制模块、供电监测模块。

步骤2：依据水下多功能作业机器人初始结构设计，对水下多功能作业机器人各功能模块的电磁干扰进行试验分析，判断当将强电部分的电子设备和弱电部分的电子设备布置在同一电子仓的两端，并在电子仓中间采用金属隔板空间隔离时，弱电部分能否在强电部分的电磁干扰下正常工作，如果能正常工作，则按照一个电子仓进行下一步设计，如果不能正常工作，则采用双电子仓进行下一步设计，将强电部分的电子设备和弱电部分的电子设备分别布置在两个电子仓内，在空间上对电磁干扰进行有效的隔离，同时对弱电设备和抗干扰能力较弱的设备进行有效的保护。

步骤3：统计水下多功能作业机器人各个功能模块的体积，并根据的水下多功能作业机器人初始结构设计分别计算电子仓内设备的安装体积和电子仓外设备的安装体积，如果电子仓内设备的总安装体积以及电子仓外设备的总安装体积满足水下多功能作业机器人的尺寸要求，则采用当前水下多功能作业机器人结构设计，否则调整电子仓内设备和电子仓外设备的结构设计，直至电子仓内设备的总安装体积以及电子仓外设备的总安装体积满足水下多功能作业机器人的尺寸要求。

如图2所示，在上面结构设计完成后，对于水下多功能作业机器人供电控制系统具体设计时需要注意：

1、确定系统弱电部分的供电方案：弱电部分的供电采用三相ac-dc电源模块将输入电压440v转换为24vdc输出电压，对于核心控制模块的cpu模块at-5010、通讯模块a3-csd、光电转换板和dsp板采用vicor公司和cosel公司24v-5v的dc-dc稳压隔离模块进行供电。

2、测量和分析强电部分(机械手和推进器)的干扰，制作相应的滤波器置于三相电源模块的输入端和输出端，尽可能的减少对弱电部分供电信号的干扰，保证弱电部分的稳定性。此外，还采用非线性光耦元件或者线性光耦元件对强电与弱电的模拟地进行隔离处理，减少对其他电压信号的电磁干扰。

3、使用六节串联的松下18650锂电池作为整个系统的备用电源，并设计独立的充电和放电保护电路。主要作用为：当机器人供电或者通信出现问题，抛载装置启动，使机器人变为正浮力，浮出水面，从而保证机器人的安全。

参照附图3、附图4，水下多功能作业机器人弱电部分的供电控制过程为：岸上的上位机系统将供电控制信号发送至电子仓的光电转换板，经过光电转换后发送给cpu模块at-5010和can总线通讯模块a3-csd，再通过can总线形式，发送至dsp板；dsp控制gpio口的电平，利用非线性隔离光耦tlp181来驱动mos管irf540ns或者继电器控制弱电部分的供电。

参照附图5，水下多功能作业机器人强电部分的供电控制主要原则是弱电控制强电。对于推进器而言，为了尽可能的确保水下机器人的安全可靠，并且能够及时地应对突发状况，它们的供电控制至关重要，所以选择通过岸上供电柜的控制开关直接控制直流推进器的供电。对于机械手而言，使用弱电部分的24v来控制三相接触器，从而达到控制机械手的三相交流电的目的。考虑到三相接触器在吸合的瞬间会产生一定的电流冲击和电压干扰，为了避免对弱电部分的干扰，采用稳压隔离模块和整流二极管对电压进行处理。

参照附图6，是水下多功能作业机器人的电压电流监测电路。其中直流电压监测采用分压法，交流电压监测采用分压法结合电压互感器zmpt107，电流监测测采用acs712电流检测芯片，方法简单实用，准确度高。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。