水下監(jiān)控機(jī)器人簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱莉莉等

摘 要：該文介紹了一款適用于水深100 m以內(nèi)的水下監(jiān)控機(jī)器人，以9S12XS64單片機(jī)為控制器核心設(shè)計(jì)了水下監(jiān)控機(jī)器人的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了其控制系統(tǒng)的組成、硬件電路與軟件程序的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成了原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、成本低廉。

關(guān)鍵詞：水下監(jiān)控機(jī)器人 控制系統(tǒng) 9S12XS64單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年來(lái)，我國(guó)海洋石油天然氣工業(yè)發(fā)展迅速，世界上石油天然氣能源的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)正由陸地轉(zhuǎn)向海洋，而根據(jù)我國(guó)國(guó)情，我國(guó)擁有廣大的海洋國(guó)土面積，而且蘊(yùn)藏豐富的油氣資源。開(kāi)發(fā)藍(lán)色國(guó)土，增加能源資源供給成為我國(guó)不斷追求的目標(biāo)。為了更好的了解水下環(huán)境和海洋石油開(kāi)采平臺(tái)導(dǎo)管架的水下?tīng)顩r及水下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控產(chǎn)品也越來(lái)越多的應(yīng)用到海洋石油天然氣工業(yè)中，而傳統(tǒng)的人工潛水監(jiān)控和固定式水下監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控范圍有限，大規(guī)模的使用無(wú)疑受到環(huán)境和運(yùn)行成本的限制。針對(duì)這一情況，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一款適用于水深100米以內(nèi)的水下監(jiān)控機(jī)器人的原理樣機(jī)，該水下監(jiān)控機(jī)器人性能穩(wěn)定，操作方便，成本低廉。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該水下監(jiān)控機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括浮力艙、推進(jìn)器、攝像頭、LED燈、水密接頭、臍帶纜等。水下監(jiān)控機(jī)器人的結(jié)構(gòu)效果圖如圖1所示。

浮力艙的功能一是為了給水下監(jiān)控機(jī)器人提供浮力，使其在水下實(shí)現(xiàn)零浮力的狀態(tài)，二是安放水下監(jiān)控機(jī)器人的控制電路板。三是可以正反轉(zhuǎn)的水下推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)了水下監(jiān)控機(jī)器人3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)推進(jìn)器完成水平方向的運(yùn)動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)；一個(gè)推進(jìn)器完成垂直方向的運(yùn)動(dòng)，包括上浮和下潛。浮力艙的前艙中安裝一個(gè)高清攝像頭，其運(yùn)動(dòng)由云臺(tái)控制，可以拍攝的范圍為水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情況下，機(jī)器人兩側(cè)的LED燈可開(kāi)啟，提高照度水平。

2 系統(tǒng)組成

水下監(jiān)控機(jī)器人的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。水上控制箱里集成了單片機(jī)控制模塊、顯示器、運(yùn)動(dòng)控制和云臺(tái)控制的操縱桿、按鍵及電源。臍帶纜中包含有電源線、通訊線及視頻線。水下監(jiān)控機(jī)器人集成了單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換模塊、攝像頭、LED、推進(jìn)器及云臺(tái)等。

工作人員根據(jù)需要操縱控制箱中的操縱桿或者按鍵來(lái)進(jìn)行水下監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和云臺(tái)控制。控制箱里的單片機(jī)模塊將采集到的操縱桿或者按鍵信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)臍帶纜傳送到水下監(jiān)控機(jī)器人的單片機(jī)模塊，后者對(duì)信息進(jìn)行分析處理，控制推進(jìn)器、云臺(tái)或者LED燈的工作狀態(tài)。水下機(jī)器人的攝像頭模塊將采集到的視頻信號(hào)經(jīng)臍帶纜傳送到水上控制箱進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位單片機(jī)MC9212XS64MCU，其內(nèi)部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以滿足系統(tǒng)控制的需要而無(wú)需外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器；XS64采用的封裝有64引腳和80引腳兩種，I/O資源豐富。MCU可以使用較小頻率的外部晶振，而通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)使總線工作頻率達(dá)到20 MHz，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性控制的要求。MCU支持BDM（單線背景調(diào)試）模式[1]，可以在線設(shè)置硬件斷點(diǎn)并且可以方便查看任意存儲(chǔ)器中的數(shù)值，方便初期的設(shè)計(jì)工作。

水上控制箱的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引腳的單片機(jī)。晶振、電源及仿真下載器構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)，提供單片機(jī)正常工作的必備條件。運(yùn)動(dòng)控制操縱桿為三維操縱桿，可以實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)控機(jī)器人3自由度的運(yùn)動(dòng)；云臺(tái)控制操縱桿為二維操縱桿；操縱桿的5路模擬信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的PAD00～PAD04引腳。由PA0～PA5組成4×2矩陣按鍵，其功能與操縱桿類(lèi)似。通訊則采用RS485通訊方式，其具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

水下監(jiān)控機(jī)器人硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引腳單片機(jī)，由晶振、電源及仿真下載構(gòu)成其最小系統(tǒng)。單片機(jī)輸出的推進(jìn)器PWM控制信號(hào)經(jīng)6N137隔離電路與BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)電流信號(hào)則輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。控制云臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)由ULN2003驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；PB7為L(zhǎng)ED的控制信號(hào)，經(jīng)繼電器來(lái)控制LED供電電源的通斷。

6N137隔離電路與BTS7960驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示，由兩塊BTS7960模塊構(gòu)成推進(jìn)器的H橋驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)。其INH引腳接高電平，驅(qū)動(dòng)芯片處于使能狀態(tài)，IS輸出的電流信號(hào)經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)輸出兩路PWM信號(hào)分別經(jīng)6N137至BTS7960的IN引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)改變推進(jìn)器兩端的供電電壓，從而改變推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。BTS7960工作時(shí)的輸入電壓為6 V～27 V，最大電流為43 A，滿足水下推進(jìn)器最大功率40 W，最大電流7 A，電壓6 V的要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

水下監(jiān)控機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件程序由各子程序組成。水上控制箱單片機(jī)的子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序、按鍵中斷子程序、串口通訊子程序等。水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的子程序主要包括串口通訊子程序、運(yùn)動(dòng)控制子程序、云臺(tái)控制子程序等。在串口通訊中為保證字符串發(fā)送的正確性，在字符串的末位加入CRC校驗(yàn)字符。

水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的串口接收中斷軟件流程圖如圖6所示，只有在接收字符串完整及CRC碼校驗(yàn)正確的情況下才對(duì)接收字符串進(jìn)行保存。

水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的主程序軟件流程圖如圖7所示，接收到正確的字符串后對(duì)其進(jìn)行判斷，分別進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制子程序或者云臺(tái)控制子程序。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水下監(jiān)控機(jī)器人的原理樣機(jī)，以Freescale公司推出的16位單片機(jī)9S12XS64為控制器核心設(shè)計(jì)了水下監(jiān)控機(jī)器人的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。在水下進(jìn)行了多次樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)其視頻通信、3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)及云臺(tái)控制等基本功能。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、成本低廉。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統(tǒng)—— 使用HCS12微控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2] 周凱，易杏普.水下機(jī)器人概述和發(fā)展應(yīng)用前景[J].電子科技，2010（24）：283-284.

[3] 張文瑤，裘達(dá)夫，胡曉棠.水下機(jī)器人的發(fā)展、軍事應(yīng)用及啟事[J].中國(guó)修船，2006（10）：37-39.endprint

摘 要：該文介紹了一款適用于水深100 m以內(nèi)的水下監(jiān)控機(jī)器人，以9S12XS64單片機(jī)為控制器核心設(shè)計(jì)了水下監(jiān)控機(jī)器人的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了其控制系統(tǒng)的組成、硬件電路與軟件程序的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成了原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、成本低廉。

關(guān)鍵詞：水下監(jiān)控機(jī)器人 控制系統(tǒng) 9S12XS64單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年來(lái)，我國(guó)海洋石油天然氣工業(yè)發(fā)展迅速，世界上石油天然氣能源的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)正由陸地轉(zhuǎn)向海洋，而根據(jù)我國(guó)國(guó)情，我國(guó)擁有廣大的海洋國(guó)土面積，而且蘊(yùn)藏豐富的油氣資源。開(kāi)發(fā)藍(lán)色國(guó)土，增加能源資源供給成為我國(guó)不斷追求的目標(biāo)。為了更好的了解水下環(huán)境和海洋石油開(kāi)采平臺(tái)導(dǎo)管架的水下?tīng)顩r及水下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控產(chǎn)品也越來(lái)越多的應(yīng)用到海洋石油天然氣工業(yè)中，而傳統(tǒng)的人工潛水監(jiān)控和固定式水下監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控范圍有限，大規(guī)模的使用無(wú)疑受到環(huán)境和運(yùn)行成本的限制。針對(duì)這一情況，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一款適用于水深100米以內(nèi)的水下監(jiān)控機(jī)器人的原理樣機(jī)，該水下監(jiān)控機(jī)器人性能穩(wěn)定，操作方便，成本低廉。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該水下監(jiān)控機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括浮力艙、推進(jìn)器、攝像頭、LED燈、水密接頭、臍帶纜等。水下監(jiān)控機(jī)器人的結(jié)構(gòu)效果圖如圖1所示。

浮力艙的功能一是為了給水下監(jiān)控機(jī)器人提供浮力，使其在水下實(shí)現(xiàn)零浮力的狀態(tài)，二是安放水下監(jiān)控機(jī)器人的控制電路板。三是可以正反轉(zhuǎn)的水下推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)了水下監(jiān)控機(jī)器人3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)推進(jìn)器完成水平方向的運(yùn)動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)；一個(gè)推進(jìn)器完成垂直方向的運(yùn)動(dòng)，包括上浮和下潛。浮力艙的前艙中安裝一個(gè)高清攝像頭，其運(yùn)動(dòng)由云臺(tái)控制，可以拍攝的范圍為水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情況下，機(jī)器人兩側(cè)的LED燈可開(kāi)啟，提高照度水平。

2 系統(tǒng)組成

水下監(jiān)控機(jī)器人的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。水上控制箱里集成了單片機(jī)控制模塊、顯示器、運(yùn)動(dòng)控制和云臺(tái)控制的操縱桿、按鍵及電源。臍帶纜中包含有電源線、通訊線及視頻線。水下監(jiān)控機(jī)器人集成了單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換模塊、攝像頭、LED、推進(jìn)器及云臺(tái)等。

工作人員根據(jù)需要操縱控制箱中的操縱桿或者按鍵來(lái)進(jìn)行水下監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和云臺(tái)控制?？刂葡淅锏膯纹瑱C(jī)模塊將采集到的操縱桿或者按鍵信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)臍帶纜傳送到水下監(jiān)控機(jī)器人的單片機(jī)模塊，后者對(duì)信息進(jìn)行分析處理，控制推進(jìn)器、云臺(tái)或者LED燈的工作狀態(tài)。水下機(jī)器人的攝像頭模塊將采集到的視頻信號(hào)經(jīng)臍帶纜傳送到水上控制箱進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位單片機(jī)MC9212XS64MCU，其內(nèi)部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以滿足系統(tǒng)控制的需要而無(wú)需外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器；XS64采用的封裝有64引腳和80引腳兩種，I/O資源豐富。MCU可以使用較小頻率的外部晶振，而通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)使總線工作頻率達(dá)到20 MHz，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性控制的要求。MCU支持BDM（單線背景調(diào)試）模式[1]，可以在線設(shè)置硬件斷點(diǎn)并且可以方便查看任意存儲(chǔ)器中的數(shù)值，方便初期的設(shè)計(jì)工作。

水上控制箱的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引腳的單片機(jī)。晶振、電源及仿真下載器構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)，提供單片機(jī)正常工作的必備條件。運(yùn)動(dòng)控制操縱桿為三維操縱桿，可以實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)控機(jī)器人3自由度的運(yùn)動(dòng)；云臺(tái)控制操縱桿為二維操縱桿；操縱桿的5路模擬信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的PAD00～PAD04引腳。由PA0～PA5組成4×2矩陣按鍵，其功能與操縱桿類(lèi)似。通訊則采用RS485通訊方式，其具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

水下監(jiān)控機(jī)器人硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引腳單片機(jī)，由晶振、電源及仿真下載構(gòu)成其最小系統(tǒng)。單片機(jī)輸出的推進(jìn)器PWM控制信號(hào)經(jīng)6N137隔離電路與BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)電流信號(hào)則輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理?？刂圃婆_(tái)的步進(jìn)電機(jī)由ULN2003驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；PB7為L(zhǎng)ED的控制信號(hào)，經(jīng)繼電器來(lái)控制LED供電電源的通斷。

6N137隔離電路與BTS7960驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示，由兩塊BTS7960模塊構(gòu)成推進(jìn)器的H橋驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)。其INH引腳接高電平，驅(qū)動(dòng)芯片處于使能狀態(tài)，IS輸出的電流信號(hào)經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)輸出兩路PWM信號(hào)分別經(jīng)6N137至BTS7960的IN引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)改變推進(jìn)器兩端的供電電壓，從而改變推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。BTS7960工作時(shí)的輸入電壓為6 V～27 V，最大電流為43 A，滿足水下推進(jìn)器最大功率40 W，最大電流7 A，電壓6 V的要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

水下監(jiān)控機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件程序由各子程序組成。水上控制箱單片機(jī)的子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序、按鍵中斷子程序、串口通訊子程序等。水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的子程序主要包括串口通訊子程序、運(yùn)動(dòng)控制子程序、云臺(tái)控制子程序等。在串口通訊中為保證字符串發(fā)送的正確性，在字符串的末位加入CRC校驗(yàn)字符。

水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的串口接收中斷軟件流程圖如圖6所示，只有在接收字符串完整及CRC碼校驗(yàn)正確的情況下才對(duì)接收字符串進(jìn)行保存。

水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的主程序軟件流程圖如圖7所示，接收到正確的字符串后對(duì)其進(jìn)行判斷，分別進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制子程序或者云臺(tái)控制子程序。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水下監(jiān)控機(jī)器人的原理樣機(jī)，以Freescale公司推出的16位單片機(jī)9S12XS64為控制器核心設(shè)計(jì)了水下監(jiān)控機(jī)器人的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。在水下進(jìn)行了多次樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)其視頻通信、3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)及云臺(tái)控制等基本功能。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、成本低廉。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統(tǒng)—— 使用HCS12微控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2] 周凱，易杏普.水下機(jī)器人概述和發(fā)展應(yīng)用前景[J].電子科技，2010（24）：283-284.

[3] 張文瑤，裘達(dá)夫，胡曉棠.水下機(jī)器人的發(fā)展、軍事應(yīng)用及啟事[J].中國(guó)修船，2006（10）：37-39.endprint

摘 要：該文介紹了一款適用于水深100 m以內(nèi)的水下監(jiān)控機(jī)器人，以9S12XS64單片機(jī)為控制器核心設(shè)計(jì)了水下監(jiān)控機(jī)器人的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了其控制系統(tǒng)的組成、硬件電路與軟件程序的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成了原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)證明該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、成本低廉。

關(guān)鍵詞：水下監(jiān)控機(jī)器人 控制系統(tǒng) 9S12XS64單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年來(lái)，我國(guó)海洋石油天然氣工業(yè)發(fā)展迅速，世界上石油天然氣能源的開(kāi)發(fā)趨勢(shì)正由陸地轉(zhuǎn)向海洋，而根據(jù)我國(guó)國(guó)情，我國(guó)擁有廣大的海洋國(guó)土面積，而且蘊(yùn)藏豐富的油氣資源。開(kāi)發(fā)藍(lán)色國(guó)土，增加能源資源供給成為我國(guó)不斷追求的目標(biāo)。為了更好的了解水下環(huán)境和海洋石油開(kāi)采平臺(tái)導(dǎo)管架的水下?tīng)顩r及水下設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控產(chǎn)品也越來(lái)越多的應(yīng)用到海洋石油天然氣工業(yè)中，而傳統(tǒng)的人工潛水監(jiān)控和固定式水下監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控范圍有限，大規(guī)模的使用無(wú)疑受到環(huán)境和運(yùn)行成本的限制。針對(duì)這一情況，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一款適用于水深100米以內(nèi)的水下監(jiān)控機(jī)器人的原理樣機(jī)，該水下監(jiān)控機(jī)器人性能穩(wěn)定，操作方便，成本低廉。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該水下監(jiān)控機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要包括浮力艙、推進(jìn)器、攝像頭、LED燈、水密接頭、臍帶纜等。水下監(jiān)控機(jī)器人的結(jié)構(gòu)效果圖如圖1所示。

浮力艙的功能一是為了給水下監(jiān)控機(jī)器人提供浮力，使其在水下實(shí)現(xiàn)零浮力的狀態(tài)，二是安放水下監(jiān)控機(jī)器人的控制電路板。三是可以正反轉(zhuǎn)的水下推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)了水下監(jiān)控機(jī)器人3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，其中兩個(gè)推進(jìn)器完成水平方向的運(yùn)動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)；一個(gè)推進(jìn)器完成垂直方向的運(yùn)動(dòng)，包括上浮和下潛。浮力艙的前艙中安裝一個(gè)高清攝像頭，其運(yùn)動(dòng)由云臺(tái)控制，可以拍攝的范圍為水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情況下，機(jī)器人兩側(cè)的LED燈可開(kāi)啟，提高照度水平。

2 系統(tǒng)組成

水下監(jiān)控機(jī)器人的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。水上控制箱里集成了單片機(jī)控制模塊、顯示器、運(yùn)動(dòng)控制和云臺(tái)控制的操縱桿、按鍵及電源。臍帶纜中包含有電源線、通訊線及視頻線。水下監(jiān)控機(jī)器人集成了單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換模塊、攝像頭、LED、推進(jìn)器及云臺(tái)等。

工作人員根據(jù)需要操縱控制箱中的操縱桿或者按鍵來(lái)進(jìn)行水下監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和云臺(tái)控制?？刂葡淅锏膯纹瑱C(jī)模塊將采集到的操縱桿或者按鍵信號(hào)經(jīng)過(guò)處理，通過(guò)臍帶纜傳送到水下監(jiān)控機(jī)器人的單片機(jī)模塊，后者對(duì)信息進(jìn)行分析處理，控制推進(jìn)器、云臺(tái)或者LED燈的工作狀態(tài)。水下機(jī)器人的攝像頭模塊將采集到的視頻信號(hào)經(jīng)臍帶纜傳送到水上控制箱進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位單片機(jī)MC9212XS64MCU，其內(nèi)部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以滿足系統(tǒng)控制的需要而無(wú)需外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器；XS64采用的封裝有64引腳和80引腳兩種，I/O資源豐富。MCU可以使用較小頻率的外部晶振，而通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)使總線工作頻率達(dá)到20 MHz，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性控制的要求。MCU支持BDM（單線背景調(diào)試）模式[1]，可以在線設(shè)置硬件斷點(diǎn)并且可以方便查看任意存儲(chǔ)器中的數(shù)值，方便初期的設(shè)計(jì)工作。

水上控制箱的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引腳的單片機(jī)。晶振、電源及仿真下載器構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)，提供單片機(jī)正常工作的必備條件。運(yùn)動(dòng)控制操縱桿為三維操縱桿，可以實(shí)現(xiàn)水下監(jiān)控機(jī)器人3自由度的運(yùn)動(dòng)；云臺(tái)控制操縱桿為二維操縱桿；操縱桿的5路模擬信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的PAD00～PAD04引腳。由PA0～PA5組成4×2矩陣按鍵，其功能與操縱桿類(lèi)似。通訊則采用RS485通訊方式，其具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

水下監(jiān)控機(jī)器人硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引腳單片機(jī)，由晶振、電源及仿真下載構(gòu)成其最小系統(tǒng)。單片機(jī)輸出的推進(jìn)器PWM控制信號(hào)經(jīng)6N137隔離電路與BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)電流信號(hào)則輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理?？刂圃婆_(tái)的步進(jìn)電機(jī)由ULN2003驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)；PB7為L(zhǎng)ED的控制信號(hào)，經(jīng)繼電器來(lái)控制LED供電電源的通斷。

6N137隔離電路與BTS7960驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示，由兩塊BTS7960模塊構(gòu)成推進(jìn)器的H橋驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)。其INH引腳接高電平，驅(qū)動(dòng)芯片處于使能狀態(tài)，IS輸出的電流信號(hào)經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊，單片機(jī)輸出兩路PWM信號(hào)分別經(jīng)6N137至BTS7960的IN引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)改變推進(jìn)器兩端的供電電壓，從而改變推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。BTS7960工作時(shí)的輸入電壓為6 V～27 V，最大電流為43 A，滿足水下推進(jìn)器最大功率40 W，最大電流7 A，電壓6 V的要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

水下監(jiān)控機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件程序由各子程序組成。水上控制箱單片機(jī)的子程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序、按鍵中斷子程序、串口通訊子程序等。水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的子程序主要包括串口通訊子程序、運(yùn)動(dòng)控制子程序、云臺(tái)控制子程序等。在串口通訊中為保證字符串發(fā)送的正確性，在字符串的末位加入CRC校驗(yàn)字符。

水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的串口接收中斷軟件流程圖如圖6所示，只有在接收字符串完整及CRC碼校驗(yàn)正確的情況下才對(duì)接收字符串進(jìn)行保存。

水下監(jiān)控機(jī)器人單片機(jī)的主程序軟件流程圖如圖7所示，接收到正確的字符串后對(duì)其進(jìn)行判斷，分別進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制子程序或者云臺(tái)控制子程序。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水下監(jiān)控機(jī)器人的原理樣機(jī)，以Freescale公司推出的16位單片機(jī)9S12XS64為控制器核心設(shè)計(jì)了水下監(jiān)控機(jī)器人的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。在水下進(jìn)行了多次樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)其視頻通信、3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)及云臺(tái)控制等基本功能。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、操作方便、成本低廉。

參考文獻(xiàn)

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