便攜式水下機器人硬件系統設計

摘 要： 為水下探測提供實驗平臺，設計一款便攜式20 kg級水下機器人ROV，機器人裝備有推進器、水下攝像頭、防水機械臂、電磁閥、PH計傳感器、GPS等。主要介紹了機器人硬件系統的設計，包括主控電路、推進器驅動、電源轉化、漏水檢測等電路設計及電子艙內通信協議。各部分電路均設計保護電路，硬件系統工作穩定，搭載AHRS、聲納等傳感器后，配合上位機軟件，可以構建水下未知環境地圖，并且具有作業和采集數據能力。

關鍵字： 便攜式水下機器人； 硬件系統； 保護電路； 通信協議

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0100?03

0 引 言

21世紀，隨著全球人口增多，資源大量利用，陸地上的資源越來越匱乏，為了解決資源的問題，人們開始更加注重海洋資源的開發，水下機器人ROV（Remotely Operated Underwater Vehicle）技術也將越來越受到重視，ROV可以代替人在水下作業和探測，注定是國內水下技術發展的重要方向[1]。

本文主要論述了便攜式ROV硬件系統的實現。此系統自身裝備了水下攝像頭、防水機械臂、PH計、電子取水閥、GPS導航等傳感器，能夠對水下未知環境進行探測。

1 便攜式ROV系統總體框架

該系統分為陸地工作站和水下作業系統兩部分，其實物圖如圖1所示。陸地工作站包括了上位機控制軟件，可以對 ROV進行姿態航向控制，構建水下未知環境地圖，顯示水下環境。

水下作業系統主要包括電子密封艙、防水機械臂、推進器、攝像頭、水樣采集電磁閥、GPS導航、浮力磚等，可以根據需要搭載各類傳感器。

2 系統硬件實現

此系統的控制芯片為增強型16位閃存數字信號控制器dsPIC30F4011，擁有高性能改進型RISC CPU與DSP引擎，支持UART、CAN等多種通信協議[2]。

2.1 中央控制艙電路設計

中央控制艙主要包括主控板模塊、推進器驅動模塊、電壓轉換模塊、漏水檢測模塊、協議轉換模塊等。硬件系統結構圖如圖2所示。

2.1.1 主控板模塊

主控板為上位機軟件與下層硬件外設的樞紐，控制芯片為單片機dsPIC30F4011，上層控制信息通過串口（UART）發送到單片機，經過單片機解包判斷后，將控制命令通過CAN總線發送到各個推進器驅動， 達到控制推進器的姿態、航向以及工作狀態。同時下層的信息也會通過控制芯片反饋回上位機軟件，漏水檢測電路一旦檢測到漏水，致單片機端口產生電平變化，單片機檢測到電平變化后，便會利用串口發送漏水報警信息，通知上位機軟件發生漏水，以便采取應急措施。

單片機通過控制IO端口輸出高低電平，驅動5 V的電磁繼電器，進而控制電磁閥的通斷，采集水樣。

2.1.2 推進器驅動模塊

4個推進器采用200 W直流有刷電機，為了能夠控制電機的方向與速度，驅動使用H橋驅動電路， H橋驅動電路使用IR公司的MOSFET驅動IR2136。

主控芯片使用dsPIC30F4011，增加外設CAN總線收發器MCP2551與主控芯片相連，用于接收控制信息；通過霍爾電流傳感器產生電壓、電流、功率信號，主控芯片使能A/D轉換對電機電壓、電流、功率進行采樣，對推進器提供過流、過壓、欠壓保護，通過對電機電壓信號進行判斷獲得推進器方向。由霍爾電流傳感器獲得電機運行時電流波形，然后送入信號調理電路，由信號調理電路對紋波信號進行濾波、放大、整形取出換向信息，將該信息送至單片機頻率測量電路，測量出換向紋波頻率，經過計算可得電機速度[3]。

圖3為直流無刷電機驅動電路框圖，推進器驅動模塊采用增量式PID算法來控制電機轉速，PID具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高和參數易整定等優點。轉速的測量使用等精度測量算法，也稱多周期同步測量法，消除了對被測信號計數時產生的±1個字誤差，測量精度大大提高，而且達到了在整個測量頻段的等精度測量[4]。

2.1.3 電壓轉換模塊

電源轉換模塊主要使用廣州金升陽科技有限公司提供的DC?DC，由24 V轉換產生系統工作所需要的5 V、12 V、±15 V電壓，由于DC?DC模塊抗電沖擊的能力較差，為了保護DC?DC模塊和負載電路的安全，電路設計中，增加了過流過壓保護、欠壓保護、反接保護等保護電路，保證工作電壓穩定。電路圖如圖4所示。

2.1.4 漏水檢測模塊

漏水檢測系統主要用于檢測電子密封艙內是否漏水，電路設計中使用比較器，比較輸出高低電平。無漏水時，比較器輸出高電平；當有水進入時，造成輸入回路短路，比較器端口輸入增大，致使比較器輸出反轉，主控板控制芯片檢測到電平反轉后會產生報警信息[5]。電路圖如圖5所示。

2.1.5 協議轉換模塊

本設計中采用的是以太網-串口轉換器P300M，P300M是一款具有三口RS 232串口服務器，廣泛應用于工業控制。同比一路及多路RS 232串口服務器，有很高的性價比。采用專門針對網絡而自主研發的RTOS（實時操作系統），性能穩定，表現卓越。

2.2 作業機械臂及采集系統

機械臂采用5個舵機和舵機控制板構成5自由度機械臂。在本設計中，使用了一塊舵機控制板，能夠同時控制32路舵機，配置串口及USB等兩種通信模式，可以根據需要選擇通信模式。

采集系統主要包括PH計傳感器、水樣采集電磁閥及GPS系統，因為中央控制艙有串口服務器，所以根據具體應用，可以搭載AHRS、聲納、電子羅盤等各類傳感器。

3 中央控制艙通信實現

中央控制艙內使用串口（UART）和控制器局域網CAN（（Controller Area Network）總線協議，串口實現主控板與串口服務器通信、CAN總線實現主控板與推進器驅動通信[6]。

3.1 CAN總線通信協議

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一[7]。

硬件系統中，CAN總線節點使用MCP2551收發器，實現物理層協議，同時需要用戶自己定義應用層協議，控制信息為16個字節，第16位控制電機啟動與停止，第15位控制電機正反轉，第13與14位選擇PID類型，后12位代表電機轉速。

3.2 串口通信協議

串行接口（Serial Interface）是指數據一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信，并可以利用電話線，從而大大降低了成本，特別適用于近距離通信，但傳送速度較慢。

主控板串口接受指令，控制推進器、電磁閥及向上位機反饋報警信息，定義波特率9 600 b/s。上位機軟件必須符合一定的協議，才能實現正常通信，串口通信每個數據幀包含10個字符，只有當數據幀位0x20 xx xx xx xx xx xx xx xx 0x21（十六進制）時主控板才會正常接收，其他情況一律判斷為無效字段，丟棄處理，指令段中包含推進器及電磁閥指令。

4 結 語

本文介紹了20 kg級便攜式ROV硬件系統的實現，該系統涉及主控板、推進器驅動、機械臂、漏水檢測、電源系統、數據通信及嵌入式軟件，經過測試系統穩定，配合上位機軟件能夠在淺水下完成作業任務，并且為水下實驗提供可靠平臺。

參考文獻

[1] STOKEY R P， VON ALT C， ALLEN B， et al. Development of the REMUS 600 autonomous underwater vehicle [C]// Proceedings of 2005 MTS/IEEE OCEANS. Washington， DC USA： IEEE， 2005， 2： 1301?1304.

[2] Microchip Technology Inc. dsPIC30F系列參考手冊[M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[3] 馬瑞卿，劉衛國.自舉式IR2110集成驅動電路的特殊應用[J].電力電子技術，2000（1）：31?33.

[4] 謝浪清.高速等精度頻率測量的研究[J].中國科技信息，2006（15）：154?155.

[5] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 劉衛東.基于CAN總線的自主水下航行器內部通信與仿真[J].系統仿真學報，2007，19（6）：1320?1322.

[7] 張宏偉，王樹新.基于總線的自治水下機器人控制系統[J].機器人，2006，28（4）：448?452.