CN103419916A - 一种浅水迷你-水下机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅水级迷你-水下机器人系统，该浅水级迷你-水下机器人系统包括：电源板模块、主控制板模块、视频板模块；用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电直接给水下推进器供电能以及为镍氢电池充电和为主控制板模块、各种传感器、LED灯供电的主控制板模块；用于提供丰富的外设接口以及数据处理能力的主控制板模块；用于调节输出差动信号的共模电平，快速过在恢复保持采样精度的视频板模块。本发明采用基于STM32的主控制系统以及基于ATmega8的协处理器、电源模块及电池、传感器实现本体的硬件系统设计。此外，本发明采用模块化设计的硬件及软件不用做大的改动即可移植到别的系统中，通用性及灵活性较强。

Description

一种浅水迷你-水下机器人系统

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，尤其涉及一种浅水迷你-水下机器人系统。

背景技术

随着人们对海洋了解的不断深入，人类身体条件的限制已经不能满足水下工作时间、工作效率以及工作强度的要求。水下机器人的出现，作为人类开发、探索、利用海洋的助手，在水产养殖、水下观察、海底作业等方面发挥着越来越重要的作用，如何利用水下机器人有效地开发利用海洋生物能源、水资源、金属资源成为摆在人们面前的一个重要问题。

目前，国外已经有了一系列商业化的水下机器人产品，经过50多年的发展，已经成为一个重要的产业链。加拿大、英国、美国、法国、德国等在其技术研究和开发方面一直处于领先地位。世界上水下机器人的产品种类超过270种，全世界超过270家企业及公司提供水下机器人进出口、发明及售后服务。现有产品按照使用方式可以分为：载人水下机器人、有缆水下机器人（AUV）、无缆水下机器人（水下机器人）；按照重量级尺寸又分为：大型水下机器人、中型水下机器人、小型水下机器人、超小型水下机器人。然而，大中小型水下机器人由于其体积巨大、操作复杂、成本较高，往往需要数人协同作业且需要船只大功率发电机等配合使用，其应用受到限制。而大部分水下工作，如水工结构检查、渔类行为观察、海水养殖网箱检查、水产养殖、渔业、海上石油平台、核电站、潮汐电站、海上风力发电厂、商业潜水水下作业支援、有毒液体、浅水场地检查、犯罪现场搜索、水下搜救科研教育、科学研究、水下考古、水下生物观察等这些活动基本都发生在100米以下的水深，因此应用于浅水的水下机器人前景非常的广阔。

迷你-水下机器人作为浅水级探测机器人中的一员，由于其控制灵活、操作携带方便，受到各行各业的欢迎，得到了迅猛的发展，其中不乏各种商业的迷你-水下机器人出现。荷兰SEASCAPE公司水下机器人Builder迷你-150、水下机器人Builder迷你-300、水下机器人Builder迷你-600系列，耐压分别为70米、120米、200米。其中水下机器人Builder迷你-150长400mm，宽250mm，高200mm。在空气中重4.5kg。有两个水平推进器，一个垂直推进器，时速达1m/s，配置了540线带云台彩色摄像机，2个10w的LED，配置8mm正浮力缆，使用PAL信号格式6MHZ带宽的复合视频信号。使用220-240VAC50Hz交流电供电，总功率可达300W。可以搭载水下声纳、USBL超短基线等设备，是一款迷你观察级的水下机器人。

加拿大Inuktun公司的VideoRayPro3E水下机器人System，长305mm，宽225mm，高21mm，在空气中3.8kg，水下耐压150米，有两个水平推进器，一个垂直推进器，前后装有两个摄像机，前置570线彩色摄像机，后置430线黑白摄像机，有两个20w的卤素灯，系统使用100-240V交流电供电，总功率为800W，使用直径8mm的零浮力缆传输数据，使用PAL信号格式6MHZ带宽的复合视频信号。

美国JWFishers公司的Sealine2水下机器人，长430mm，宽350mm，高300mm，在空气中重约12kg，能下潜最大深度200m，有2个垂直推进器1个水平推进器和1个侧向推进器，前置带云台570线彩色摄像机，两个前置100w卤素灯，可携带机械手，scan-650扫描声纳等水下设备。

美国SEABOTIEX公司的LBV150-4水下机器人，长530mm，宽245mm，高254mm，在空气中重约11kg，水下耐压150米，配置两个水平推进器，一个垂直推进器，一个侧推推进器，前置520线带云台摄像机，能够自动聚焦及放大，摄像机周围分布LED灯阵列，使用PAL信号格式6MHZ带宽的复合视频信号，系统使用110～130/210～240交流电供电，总功率可达1000W，电缆使用直径8mm的零浮力缆。

综上所见，迷你-水下机器人由于其携带方便、成本低、布放安装较为简单、控制灵活、在水中特别是狭小的水域中能灵活的运动，能广泛使用于浅海、湖泊、水库等水域，这些优点将使其成为未来水下机器人产品中的新宠，在水下世界发挥着日益重要的作用。

目前浅水级迷你-水下机器人水下本体硬件系统方案主要采用模块化、系统化的发明思路，主要包括三大部分，陆地甲板单元、电缆、水下迷你-水下机器人本体。水下迷你-水下机器人本体控制系统的发明主要涉及电源板、主控制板、视频板三大部分。具体而言，应包括壳体、摄像机、云台、水下灯、视频发送模块、主控系统、电源模块及电池、传感器等模块。但目前市售的迷你-水下机器人硬件系统发明方案具有很大的局限性，且造价成本高，不具备普适性，也不能灵活使用改造。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种浅水迷你-水下机器人系统，旨在解决目前市售的迷你-水下机器人硬件系统发明方案具有很大的局限性，且造价成本高，不具备普适性，也不能灵活使用改造的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种浅水级迷你-水下机器人系统，该浅水级迷你-水下机器人系统包括：电源板模块、主控制板模块、视频板模块；

用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电直接给水下推进器供电能以及为镍氢电池充电和为主控制板模块、各种传感器、LED灯供电的主控制板模块；

用于提供丰富的外设接口以及数据处理能力的主控制板模块；

用于调节输出差动信号的共模电平，快速过在恢复保持采样精度的视频板模块。

进一步，电源板模块还包括：DC～DC电源模块、LED灯亮度调节模块、3.3V稳压模块、5V稳压模块、12V升压模块、DC～DC模块、3.6～3.6V调压模块、充电模块；

与电源板模块连接，用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电的DC～DC电源模块；

与电源板模块连接，用于对LED灯的亮度进行调节的LED灯亮度调节模块。

与水下机器人主控板模块连接，用于把模拟电路的电压稳定在3.3V的3.3V稳压模块；

与电子指南针、深度传感器、温度传感器相连接的5V稳压模块，用于把模拟电路的电压稳定在5V的5V稳压模块；

与前、后摄像头相连接的12V升压模块，用于将5V电压升到12V的12V升压模块；

与3个水下推进器相连接的DC～DC模块，用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电的DC～DC电源模块；

与前后LED灯相连接的3.6～3.6V调压模块，用于将电压调整到3.6V的3.6～3.6V调压模块；

与6组镍氢电池相连接的充电模块，用于为电源板模块充电的充电模块。

进一步，主控制板模块还包括主控制芯片模块、STM32F107最小系统模块、下载模块、TF卡电路模块、电池电量检测电路模块、电流检测电路模块、舵机控制电路模块、电机驱动H桥的模块；

与主控制板模块连接，用于发送指令，实现通讯的主控制芯片模块；

与主控制板模块连接，用于与产生PWM控制3个水下推进器、控制水下LED的开关及亮度、摄像头切换、与外围传感器、甲板单元485、ATmega8协处理器进行通信的STM32F107最小系统模块，采用主控制板模块加底板的连接方式

与主控制板模块连接，用于完成在线调试及下载程序的功能的下载模块；

与主控制板模块连接，用于检测自动模式的实际效果的TF卡电路模块；

与主控制板模块连接，用于实时检测系统的电压的电池电量检测电路模块；

与主控制板模块连接，用于对整个系统的供电起保护作用的电流检测电路模块；

与主控制板模块连接，用于保持舵机的稳定性，接上一个上拉电阻，将PWM信号拉至5V的舵机控制电路模块；

与主控制板模块连接，用于对电路和电机祈祷保护作用，使得电流和电压在电路和电机的承受范围之内的电机驱动H桥模块。

进一步，下载模块的电路连接为：以HEADER4芯片为主，引脚1接主控芯片的PA14，引脚2接主控芯片的PA13，引脚3接3V电压，引脚4接地。

进一步，TF卡电路模块的电路连接为：以Detection9芯片为核心，引脚3经上拉电阻R12接3V电压，引脚4接SPI2_MOSI,引脚5接3V电压，引脚6接SPI2_SCK，引脚7接地，引脚8接SPI2_MISO。

进一步，电池电量检测电路模块的电路连接为：电阻R13一端接VCC，另一端与电阻R14、C14的并联电路相连接，电阻R14的另一端接地。

进一步，电流检测电路模块具体的电路连接为：以Header2芯片为核心，引脚1经shunt接地，经电阻R50接电容C10接地，并接入主控芯片的PC2，引脚2经滤波器F1接VCC。

进一步，舵机控制电路模块的电路连接为：P1芯片的引脚1经上拉电阻R8接5V电压，引脚2与芯片P2的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地；P2芯片的引脚1经上拉电阻R9接5V电压，引脚2与芯片P1的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地。

进一步，电机驱动H桥模块的电路连接为：电阻R19的一端与主控芯片的TIME2_CH4引脚相连接，另一端与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的集电极经MOS管Q1与电阻R17的并联电路接VCC，三极管Q2的发射极接地；电阻R19的一端与主控芯片的引脚PA4相连接，另一端经电阻R20与MOS管Q3的并联电路接地；电阻R22的一端与主控芯片的TIME2_CH3引脚相连接，另一端与三极管Q5的基极相连接，三极管Q3的集电极经MOS管Q4与电阻R21的并联电路接VCC，三极管Q5的发射极接地；电阻R23的一端与主控芯片的引脚PC3相连接，另一端经电阻R23与MOS管Q6的并联电路接地；芯片P16的引脚1与MOS管Q1、Q3的公共端相连接，引脚2与MOS管Q6、Q4的公共端相连接。

进一步，视频板模块的电路连接为：以AD8131A芯片为主，引脚1与引脚8分别经电阻R13与R11接地，引脚8与芯片TQ2-5V的引脚3相连接，引脚2接地，引脚3接5V电压，引脚4和引脚5分别经过电阻R12与电阻R14与芯片P8的引脚1、2相连接，引脚6接-5V电压；芯片TQ2-5V的引脚1经反串二极管D10与引脚10相连接，同时引脚1与8V电压相连接，引脚2接芯片P5的引脚1，引脚4与芯片P6的1号引脚相连接，引脚7与芯片P6的2号引脚相连接，引脚8接12V电压，引脚9接芯片P5的2号引脚相连接。

本发明提供的浅水迷你-水下机器人系统，采用基于STM32的主控制系统（包括水下推进器驱动模块、数据存储模块等）以及基于ATmega8的协处理器（用于采集温度及湿度信息）、电源模块及电池、传感器（姿态传感器MTI、温度传感器、湿度传感器、深度传感器）实现本体的硬件系统发明。此外，本发明采用模块化发明的硬件及软件不用做大的改动即可移植到别的系统中，通用性及灵活性较强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的浅水迷你-水下机器人系统结构框图；

图中：1、电源板模块；1-1、DC～DC模块；1-2、LED灯亮度调节模块；2、主控制板模块；2-1、STM32F107最小系统模块；2-2、主控制芯片模块；2-3、下载模块；2-4、TF卡电路模块；2-5、电池电量检测电路模块；2-6、电流检测电路模块；2-7、舵机控制电路模块；2-8、电机驱动H桥模块；3、视频板模块。

图2是本发明实施例提供的下载模块的电路原理图；

图3是本发明实施例提供的TF卡电路模块的电路图；

图4是本发明实施例提供的电池电量检测电路模块的电路图；

图5是本发明实施例提供的电流检测电路模块的电路图；

图6是本发明实施例提供的舵机控制电路模块的电路原理图；

图7是本发明实施例提供的电机驱动H桥模块的电路原理图；

图8是本发明实施例提供的视频板模块的电路原理图；

图9是本发明实施例提供的电源板模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的浅水迷你-水下机器人系统结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的浅水级迷你-水下机器人系统，该浅水级迷你-水下机器人系统包括：电源板模块、主控制板模块、视频板模块；

用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电直接给水下推进器供电能以及为镍氢电池充电和为主控制板模块、各种传感器、LED灯供电的主控制板模块；

用于提供丰富的外设接口以及数据处理能力的主控制板模块；

用于调节输出差动信号的共模电平，快速过在恢复保持采样精度的视频板模块。

作为本发明实施例的一优化方案，电源板模块还包括：DC～DC电源模块、LED灯亮度调节模块、3.3V稳压模块、5V稳压模块、12V升压模块、DC～DC模块、3.6～3.6V调压模块、充电模块；

与电源板模块连接，用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电的DC～DC电源模块；

与电源板模块连接，用于对LED灯的亮度进行调节的LED灯亮度调节模块。

与水下机器人主控板模块连接，用于把模拟电路的电压稳定在3.3V的3.3V稳压模块；

与电子指南针、深度传感器、温度传感器相连接的5V稳压模块，用于把模拟电路的电压稳定在5V的5V稳压模块；

与前、后摄像头相连接的12V升压模块，用于将5V电压升到12V的12V升压模块；

与3个水下推进器相连接的DC～DC模块，用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电的DC～DC电源模块；

与前后LED灯相连接的3.6～3.6V调压模块，用于将电压调整到3.6V的3.6～3.6V调压模块；

与6组镍氢电池相连接的充电模块，用于为电源板模块充电的充电模块。

作为本发明实施例的一优化方案，主控制板模块还包括主控制芯片模块、STM32F107最小系统模块、下载模块、TF卡电路模块、电池电量检测电路模块、电流检测电路模块、舵机控制电路模块、电机驱动H桥的模块；

与主控制板模块连接，用于发送指令，实现通讯的主控制芯片模块；

与主控制板模块连接，用于与产生PWM控制3个水下推进器、控制水下LED的开关及亮度、摄像头切换、与外围传感器、甲板单元485、ATmega8协处理器进行通信的STM32F107最小系统模块，采用主控制板模块加底板的连接方式

与主控制板模块连接，用于完成在线调试及下载程序的功能的下载模块；

与主控制板模块连接，用于检测自动模式的实际效果的TF卡电路模块；

与主控制板模块连接，用于实时检测系统的电压的电池电量检测电路模块；

与主控制板模块连接，用于对整个系统的供电起保护作用的电流检测电路模块；

与主控制板模块连接，用于保持舵机的稳定性，接上一个上拉电阻，将PWM信号拉至5V的舵机控制电路模块；

与主控制板模块连接，用于对电路和电机祈祷保护作用，使得电流和电压在电路和电机的承受范围之内的电机驱动H桥模块。

作为本发明实施例的一优化方案，下载模块的电路连接为：以HEADER4芯片为主，引脚1接主控芯片的PA14，引脚2接主控芯片的PA13，引脚3接3V电压，引脚4接地。

作为本发明实施例的一优化方案，TF卡电路模块的电路连接为：以Detection9芯片为核心，引脚3经上拉电阻R12接3V电压，引脚4接SPI2_MOSI,引脚5接3V电压，引脚6接SPI2_SCK，引脚7接地，引脚8接SPI2_MISO。

作为本发明实施例的一优化方案，电池电量检测电路模块的电路连接为：电阻R13一端接VCC，另一端与电阻R14、C14的并联电路相连接，电阻R14的另一端接地。

作为本发明实施例的一优化方案，电流检测电路模块具体的电路连接为：以Header2芯片为核心，引脚1经shunt接地，经电阻R50接电容C10接地，并接入主控芯片的PC2，引脚2经滤波器F1接VCC。

作为本发明实施例的一优化方案，舵机控制电路模块的电路连接为：P1芯片的引脚1经上拉电阻R8接5V电压，引脚2与芯片P2的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地；P2芯片的引脚1经上拉电阻R9接5V电压，引脚2与芯片P1的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地。

作为本发明实施例的一优化方案，电机驱动H桥模块的电路连接为：电阻R19的一端与主控芯片的TIME2_CH4引脚相连接，另一端与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的集电极经MOS管Q1与电阻R17的并联电路接VCC，三极管Q2的发射极接地；电阻R19的一端与主控芯片的引脚PA4相连接，另一端经电阻R20与MOS管Q3的并联电路接地；电阻R22的一端与主控芯片的TIME2_CH3引脚相连接，另一端与三极管Q5的基极相连接，三极管Q3的集电极经MOS管Q4与电阻R21的并联电路接VCC，三极管Q5的发射极接地；电阻R23的一端与主控芯片的引脚PC3相连接，另一端经电阻R23与MOS管Q6的并联电路接地；芯片P16的引脚1与MOS管Q1、Q3的公共端相连接，引脚2与MOS管Q6、Q4的公共端相连接。

作为本发明实施例的一优化方案，视频板模块的电路连接为：以AD8131A芯片为主，引脚1与引脚8分别经电阻R13与R11接地，引脚8与芯片TQ2-5V的引脚3相连接，引脚2接地，引脚3接5V电压，引脚4和引脚5分别经过电阻R12与电阻R14与芯片P8的引脚1、2相连接，引脚6接-5V电压；芯片TQ2-5V的引脚1经反串二极管D10与引脚10相连接，同时引脚1与8V电压相连接，引脚2接芯片P5的引脚1，引脚4与芯片P6的1号引脚相连接，引脚7与芯片P6的2号引脚相连接，引脚8接12V电压，引脚9接芯片P5的2号引脚相连接。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的浅水级迷你-水下机器人系统，主要包括：电源板模块1、主控制板模块2、视频板模块3三大部分，其中，电源板模块1的发明主要包含DC～DC电源模块1-1、LED灯亮度调节模块1-2；主控制板模块2主要包含主控制芯片模块2-1、STM32F107最小系统模块2-2、下载模块2-3、TF卡电路模块2-4、电池电量检测电路模块2-5、电流检测电路模块2-6、舵机控制电路模块2-7、电机驱动H桥的模块2-8八个模块；另外包含视频板模块3共三大部分；

电源板模块1的主要功能是通过DC-DC降压模块1-1将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电直接给水下推进器供电能以及为镍氢电池充电再通过各个DC-DC降压稳压模块1-1为主控制板模块2、各种传感器、LED灯等供电，在系统电源的发明中，为了系统工作的稳定性，将六组镍氢电池分开，其中一组是系统用电，另外5组是动力用电，动力电主要为电能消耗较大的三个LED灯和3个水下推进器提供电能，系统用电主要为各种传感器、主控制板模块2、视频板模块3供电，由于整个水下机器人系统采用直流高压电输电，在相同的功率下，提高输送电压降低导线上电流，这样减低了导线上电能传输的损耗，整机的功率可以做的很大，电缆的长度可以做的很长，保证整机的功率在200W左右；

如图9所示，电源板模块1的系统供电内部结构共包含7个模块，分别是：3.3V稳压模块、5V稳压模块、12V升压模块、12V升压模块、DC～DC模块、3.6～3.6V调压模块以及充电模块，各模块的连接关系为：3.3V稳压模块与水下机器人主控板相连接；3.6～3.6V调压模块与前后LED灯相连接；充电模块与6组镍氢电池相连接；5V稳压模块分别与电子指南针、深度传感器、温度传感器相连接；两个12V升压模块分别与前、后摄像头相连接；DC～DC模块1-1与3个水下推进器相连接；

主控制板模块2使用ST公司STM32系列中的STM32F107VCT6作为水下机器人的主控制芯片模块2-2，主要使用其以下的功能：（1）72MHz的最高工作频率，可以达到1.25DMIPS/MHz，同时支持硬件除法、运算单周期乘法，提供后续各种自动算法处理时的高速性能，（2）片内集成512KBFlash存储器、64KBSRAM存储器，为后续算法提供大的内存空间，（3）可以使用下载器进行调试，有两种下载程序及调试的方式：串行调试（SWD）和JTAG接口，目前我们在调试过程中选用SWD在线调试及下载程序，（4）具有各种DMA通道，包括：定时器，模数转换器，数模转换器，SPI，IIC和串口，在压力的采集中，使用AD采集深度数据，通过DMA通道直接存储使用，不占用CPU的时间，（5）有1个12位、16通道、us级的A/D转换器，具有双采样和保持能力，片上集成一个温度传感器，本发明中使用2.5V的参考电压，因此AD的输入范围在0～2.5V之间，（6）有7个定时器，每个定时器可以通过硬件方式产生4路PWM输出，（7）有5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制），2个SPI接口（18Mbit/s），本发明使用了两个串口，剩余三个串口留着扩展时使用，使用了SPI2接口，用于与TF卡进行通信；

运动控制器需要完成水下机器人在水下各种运动的控制及各种自动功能算法的实现，因此需要丰富的外设接口以及较强的数据处理能力，其内部的连接结构为：三个2路PWM接口与2路I/O接口分别各自经过三个H桥与左水下推进器、右水下推进器、垂直水下推进器相连接；2路PWM接口与云台舵机1、云台舵机2相连接；三个GPIO接口分别与摄像头调节继电器、LED亮度调节继电器、摄像头切换继电器相连接；AD接口与深度传感器相连接；USART2接口与温度传感器相连接；USART3接口与MTI姿态传感器相连接；USART4接口与Atmega8协处理器相连接；SPI接口与TF卡相连接；USATR1485接口与外部485总线相连接，主控制芯片通过I/O口来控制摄像机参数调节继电器、LED亮度调节继电器、摄像头切换继电器；通过片内12位高速AD来采集深度传感器的信息；ATmega8协处理器采集舱内温湿度信息、电源模块温度信息，通过串口发送给主控制芯片模块2-2；TC测温仪采集的水下温度信息通过串口发给主控芯片；主控芯片产生6路PWM控制3个由NMOS和PMOS搭建的H桥电路来控制水下推进器的正反转及停止；主控制板模块2上搭载16GTF卡，主控制器发出的指令及自动定深自动定向的数据会存到TF卡中便于以后分析计算；主控制芯片通过485总线实现与上位机的数据通信；

STM32F107最小系统模块2-1采用主控制板模块2加底板的连接方式，ARM最小系统主要完成的功能有：与甲板单元485通信、产生PWM控制3个水下推进器、控制水下LED的开关及亮度、摄像头切换、与外围传感器（如温度传感器、姿态传感器）通信、与ATmega8协处理器进行通信，STM32F10主控制板模块2载主时钟晶振及RTC时钟晶振、复位电路、上电显示LED、下载电路，其余的I/O口通过两排插针全部引出以备后用；

下载模块2-3采用SW模式，可以完成在线调试及下载程序的功能，如图2所示，下载模块2-3的配置电路连接方式为，以HEADER4芯片为主，引脚1接主控芯片的PA14，引脚2接主控芯片的PA13，引脚3接3V电压，引脚4接地；

TF卡电路模块2-4用于检测自动模式的实际效果，本发明中为了数据方便的写入TF卡中以及将数据读取出来，在主程序中移植了文件系统中，程序可以方便的对件及数据进行管理存储，TF卡与stm32之间通过SPI总线进行连接（NSS、MISO、MOSI、SCK），TF卡的最大读取速度可以达到10M/S，并且支持热插拔的功能，引脚9是卡检测功能，一旦引脚9变为低电平，表明有卡插入，如图3所示，具体的电路连接方式为，以Detection9芯片为核心，引脚3经上拉电阻R12接3V电压，引脚4接SPI2_MOSI,引脚5接3V电压，引脚6接SPI2_SCK，引脚7接地，引脚8接SPI2_MISO；

电池电量检测电路模块2-5主要用于实时检测系统的电压，一旦电压过低，甲板单元屏幕会实时显示此时的电量信息，及时给处报警信号，系统电压经过两个电阻的分压之后，由主控芯片模块2-2内12位AD采样，经过数字滤波算法之后得出此时水下机器人的实际电压值，如图4所示，具体的电路连接方式为，电阻R13一端接VCC，另一端与电阻R14、C14的并联电路相连接，电阻R14的另一端接地；

电流检测电路模块2-6设用于对整个系统的供电起保护作用，shunt是一个10毫欧的电阻，经过系统的总电流经过Shunt而流向GND，尽管Shunt的阻值很小，但如果电流够大的话，会在Shunt的左端产生一个小的电压，假设此短路时流过的电流可以达到30A，则此时电压可以达到300mv，在经过R50和C10一阶低通滤波（截止频率约为2341Hz，），最后接入主控制芯片模块2-1ADC通道，由于使用片内12位的AD，参考电压使用2.5v，对于300mv的电压信号完全可以检测出来，而且AD使用DMA的传输方式，在整个的控制中不占用CPU的时间，一阶RC低通滤波电路，是为了滤去一些偶尔产生的瞬时高频分量，如图5所示，具体的电路连接方式为，以Header2芯片为核心，引脚1经shunt接地，经电阻R50接电容C10接地，并接入主控芯片的PC2，引脚2经滤波器F1接VCC；

舵机控制电路模块2-7主要是由主控制芯片STM32的定时器产生一个PPM信号，本发明选用的是180°的舵机，其控制规则如下所示：

0.5ms……………..-90°；

1ms………………..-45°；

1.5ms……………..0°；

2ms………………..45°；

2.5ms……………..90°；

舵机一般有三根线：棕、红、橙，棕色接地，红色接电源，橙色接主控芯片的PWM输出口，舵机是4～6V电压功能而此小水下机器人在接外部电源时电压可以达到7.4V，因此，串接上一个二极管，防止舵机烧毁，舵机的PWM输入信号一般在5V，STM32定时器2的PWM输出口CH2输出的高电平为3.3V，为了保持舵机的稳定性，接上一个上拉电阻，将PWM信号拉至5V，如图6所示，具体的电路连接方式为，P1芯片的引脚1经上拉电阻R8接5V电压，引脚2与芯片P2的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地；P2芯片的引脚1经上拉电阻R9接5V电压，引脚2与芯片P1的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地；

电机驱动H桥模块2-8采用NMOS和PMOS管搭接H桥，PMOS的导通内阻要大于NMOS的导通内阻，在极限电流20A作用下，使用NMOS和PMOS搭接的H桥比单纯使用NMOS搭接的H桥压价要大0.2v左右，这个对于系统是可以接受的，单纯使用NMOS搭接的H需要使用电荷泵升压电路，电路的复杂性会提高，主控制芯片模块2-1产生两路PWM来调节正反转的转速，PWM的频率越高，调节的过程越平滑，因此本发明采样用32K的PWM频率，FDD6637在VGS>4.5V，ID=11A时，最小导通内阻RDSON处于14～18毫欧之间，stm32的IO口高电平输出为3.3V，NMOS管IRLR7843的导通电压VGS(th)典型值2.3V，因此stm32可以将其导通，但是导通内阻大于3.3毫欧，在正反转时，整个H桥的导通内阻可以做到20毫欧以内，在极限电流20A的情况下产生600mv左右的压降，对于整个系统而言是可以承受的，如图7所示，具体的电路连接方式为，电阻R19的一端与主控芯片的TIME2_CH4引脚相连接，另一端与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的集电极经MOS管Q1与电阻R17的并联电路接VCC，三极管Q2的发射极接地；电阻R19的一端与主控芯片的引脚PA4相连接，另一端经电阻R20与MOS管Q3的并联电路接地；电阻R22的一端与主控芯片的TIME2_CH3引脚相连接，另一端与三极管Q5的基极相连接，三极管Q3的集电极经MOS管Q4与电阻R21的并联电路接VCC，三极管Q5的发射极接地；电阻R23的一端与主控芯片的引脚PC3相连接，另一端经电阻R23与MOS管Q6的并联电路接地；芯片P16的引脚1与MOS管Q1、Q3的公共端相连接，引脚2与MOS管Q6、Q4的公共端相连接；

视频板模块3采用芯片AD8131，这是一种低成本、高速度的差动驱动器，-3dB全功率带宽400MHz，转换速率为2000V/μs，传送差动信号时谐波失真很低，工作电压范围+2.7V到±5V，正常工作温度-40℃到+125℃，AD8131体积小，与其它器件协同工作简单并且可靠性高，可通过引脚VOCM调节输出差动信号的共模电平，快速过在恢复保持采样精度，它可作为视频线驱动器，单端输入转差动输出的驱动器，AD8131驱动3类或5类双绞线或同轴电缆时线衰减小，在很多应用场合可替代其他同类产品，如图8所示，具体的电路连接方式为，以AD8131A芯片为主，引脚1与引脚8分别经电阻R13与R11接地，引脚8与芯片TQ2-5V的引脚3相连接，引脚2接地，引脚3接5V电压，引脚4和引脚5分别经过电阻R12与电阻R14与芯片P8的引脚1、2相连接，引脚6接-5V电压；芯片TQ2-5V的引脚1经反串二极管D10与引脚10相连接，同时引脚1与8V电压相连接，引脚2接芯片P5的引脚1，引脚4与芯片P6的1号引脚相连接，引脚7与芯片P6的2号引脚相连接，引脚8接12V电压，引脚9接芯片P5的2号引脚相连接；

插针P8接视频发送端，插针P5连接水下机器人前摄像头，P6连接后摄像头，其中插针第一引脚为摄像头采集的视频图像信号，插针第二引脚为摄像头供电电源引脚，第三引脚为摄像头地引脚，TQ2-5V为一继电器，控制前后摄像头视频信号和供电电源的切换，默认状态下显示前摄像头视频，继电器第10引脚接单片机，当单片机接收到甲板单元的前后摄像头切换命令后会发出相应指令控制继电器的动作，实现前后摄像头切换，本发明选用的摄像头输出阻抗为75Ω，为实现阻抗匹配，在AD8131的+DIN引脚加入75Ω电阻，信号源与输入端等效并联电阻为37.5Ω，在-DIN引脚与地间加入36Ω电阻匹配信号源阻抗，减小直流和增益误差，传输线的阻抗一般在100Ω左右，AD8131输出阻抗很小，可以近似看作短路，发送端两个电阻形成了112Ω电阻，在接收端需要直接跨接一个120Ω电阻，在水下机器人中利用AD8131将视频转化成差分信号，通过双绞线传输到甲板单元，甲板单元再将差分信号转化成单端信号，在液晶屏上显示出来。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，该浅水级迷你-水下机器人系统包括：电源板模块、主控制板模块、视频板模块；

用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电直接给水下推进器供电能以及为镍氢电池充电和为主控制板模块、各种传感器、LED灯供电的主控制板模块；

用于提供丰富的外设接口以及数据处理能力的主控制板模块；

用于调节输出差动信号的共模电平，快速过在恢复保持采样精度的视频板模块。

2.如权利要求1所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，电源板模块还包括：DC～DC电源模块、LED灯亮度调节模块、3.3V稳压模块、5V稳压模块、12V升压模块、DC～DC模块、3.6～3.6V调压模块、充电模块；

与电源板模块连接，用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电的DC～DC电源模块；

与电源板模块连接，用于对LED灯的亮度进行调节的LED灯亮度调节模块；

与水下机器人主控板模块连接，用于把模拟电路的电压稳定在3.3V的3.3V稳压模块；

与电子指南针、深度传感器、温度传感器相连接的5V稳压模块，用于把模拟电路的电压稳定在5V的5V稳压模块；

与前、后摄像头相连接的12V升压模块，用于将5V电压升到12V的12V升压模块；

与3个水下推进器相连接的DC～DC模块，用于将甲板单元输送的300V直流电转化为+8V直流电的DC～DC电源模块；

与前后LED灯相连接的3.6～3.6V调压模块，用于将电压调整到3.6V的3.6～3.6V调压模块；

与6组镍氢电池相连接的充电模块，用于为电源板模块充电的充电模块。

3.如权利要求1所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，主控制板模块还包括主控制芯片模块、STM32F107最小系统模块、下载模块、TF卡电路模块、电池电量检测电路模块、电流检测电路模块、舵机控制电路模块、电机驱动H桥的模块；

与主控制板模块连接，用于发送指令，实现通讯的主控制芯片模块；

与主控制板模块连接，用于与产生PWM控制3个水下推进器、控制水下LED的开关及亮度、摄像头切换、与外围传感器、甲板单元485、ATmega8协处理器进行通信的STM32F107最小系统模块，采用主控制板模块加底板的连接方式；

与主控制板模块连接，用于完成在线调试及下载程序的功能的下载模块；

与主控制板模块连接，用于检测自动模式的实际效果的TF卡电路模块；

与主控制板模块连接，用于实时检测系统的电压的电池电量检测电路模块；

与主控制板模块连接，用于对整个系统的供电起保护作用的电流检测电路模块；

与主控制板模块连接，用于保持舵机的稳定性，接上一个上拉电阻，将PWM信号拉至5V的舵机控制电路模块；

与主控制板模块连接，用于对电路和电机祈祷保护作用，使得电流和电压在电路和电机的承受范围之内的电机驱动H桥模块。

4.如权利要求3所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，下载模块的电路连接为：以HEADER4芯片为主，引脚1接主控芯片的PA14，引脚2接主控芯片的PA13，引脚3接3V电压，引脚4接地。

5.如权利要求3所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，TF卡电路模块的电路连接为：以Detection9芯片为核心，引脚3经上拉电阻R12接3V电压，引脚4接SPI2_MOSI,引脚5接3V电压，引脚6接SPI2_SCK，引脚7接地，引脚8接SPI2_MISO。

6.如权利要求3所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，电池电量检测电路模块的电路连接为：电阻R13一端接VCC，另一端与电阻R14、C14的并联电路相连接，电阻R14的另一端接地。

7.如权利要求3所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，电流检测电路模块具体的电路连接为：以Header2芯片为核心，引脚1经shunt接地，经电阻R50接电容C10接地，并接入主控芯片的PC2，引脚2经滤波器F1接VCC。

8.如权利要求3所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，舵机控制电路模块的电路连接为：P1芯片的引脚1经上拉电阻R8接5V电压，引脚2与芯片P2的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地；P2芯片的引脚1经上拉电阻R9接5V电压，引脚2与芯片P1的2号引脚相连接，同时经过反接二极管与VCC相连接，引脚3接地。

9.如权利要求3所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，电机驱动H桥模块的电路连接为：电阻R19的一端与主控芯片的TIME2_CH4引脚相连接，另一端与三极管Q2的基极相连接，三极管Q2的集电极经MOS管Q1与电阻R17的并联电路接VCC，三极管Q2的发射极接地；电阻R19的一端与主控芯片的引脚PA4相连接，另一端经电阻R20与MOS管Q3的并联电路接地；电阻R22的一端与主控芯片的TIME2_CH3引脚相连接，另一端与三极管Q5的基极相连接，三极管Q3的集电极经MOS管Q4与电阻R21的并联电路接VCC，三极管Q5的发射极接地；电阻R23的一端与主控芯片的引脚PC3相连接，另一端经电阻R23与MOS管Q6的并联电路接地；芯片P16的引脚1与MOS管Q1、Q3的公共端相连接，引脚2与MOS管Q6、Q4的公共端相连接。

10.如权利要求1所述的浅水级迷你-水下机器人系统，其特征在于，视频板模块的电路连接为：以AD8131A芯片为主，引脚1与引脚8分别经电阻R13与R11接地，引脚8与芯片TQ2-5V的引脚3相连接，引脚2接地，引脚3接5V电压，引脚4和引脚5分别经过电阻R12与电阻R14与芯片P8的引脚1、2相连接，引脚6接-5V电压；芯片TQ2-5V的引脚1经反串二极管D10与引脚10相连接，同时引脚1与8V电压相连接，引脚2接芯片P5的引脚1，引脚4与芯片P6的1号引脚相连接，引脚7与芯片P6的2号引脚相连接，引脚8接12V电压，引脚9接芯片P5的2号引脚相连接。

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