CN103979089B - 一种栈式装配结构的水下机器人电子舱 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下机器人领域，特别是涉及一种适用于微小型水下机器人的栈式装配结构的水下机器人电子舱。栈式装配结构的水下机器人电子舱，由承压壳体组件、电子固定架、电子模块组件三部分组成，承压壳体安装在水下机器人上，内部加工有突台；电子固定架采用不锈钢螺杆、螺母、弹簧垫片将圆形电木板进行固定的方式构成，不锈钢螺杆在前端面板外部有突出，用于与承压壳体内部突台进行端面固定；多个电子模块在电子固定架上采用栈式装配结构，模块电路板法向与承压壳体轴向平行，其中的推进器电机驱动器采用模块化结构，总线形式电气连接。结构紧凑，空间利用率高。对栈式结构高度的限制小。布线容易。维修更换方便。模块化设计，互换性好。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人领域，特别是涉及一种适用于微小型水下机器人的栈式装配结构的水下机器人电子舱。
背景技术
微小型水下机器人作为海洋中的一个重要探测系统，具有体积小、重量轻、噪声低、隐蔽性好的特点，在海洋权益维护和海洋开发中发挥了重要作用。水下机器人电子舱是水下机器人的重要组成部分，用于承受外部海水压力、提供干燥的密封舱，以保护其内部安装的主控单元、电机驱动器、信号转换板等各种电子模块，不会因为海水的压力以及海水腐蚀而失效或损坏。基于流体运动阻力、内部空间利于率、加工制造的难易以及承压能力等因素，水下机器人电子舱通常选用圆柱形承压壳体。关于电子舱内部电子模块的安装方式，传统的安装形式是先将各电子模块组成局部栈结构，然后将各局部栈安装在一块电木板上，最后通过螺钉将电木板固定在电子舱内部，如附图1所示。此种安装方式能够实现电子舱内部各电子模块的可靠固定和连接，但存在如下问题：局部栈周围的弧形空间得不到有效利用，而且电子模块的宽度越接近电子舱内径，局部栈能够安装的电子模块越少，局部栈高度受到限制，且空间利用率低，易导致电子舱内部安装空间不足(如附图2所示)；电子舱内部总体布线困难。由于微小型水下机器人的小型化要求，其电子舱的直径较小，以致上述问题较为突出。
专利申请号为200610134453.9，名称为《一种水下电子舱》的中国专利，发明了活动式电子架，省去了上述电木板两端用于固定的空间，且将电木板布置在电子舱的直径位置，并将所用电子元器件都集中在安装在该电木板上，在一定程度上提高了电子舱内部空间利用率，但弧形空间仍然没有得到有效利用，上述问题没有得到本质解决；专利申请号为200710158821.8，名称为《水下电子连接架》的中国专利，发明了活动式水下电子连接架，将所安装的电子元器件能够合理地分布在各侧板及连接板上，提高了电子连接架内部的空间利用率，但上述问题也同样没有得到本质解决。因此，上述专利在电子舱直径较大的水下机器人上能够得到良好的应用效果，但在微小型水下机器人上并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑、承压壳体内部空间利用率高、布线容易、维修方便，适用于微小型水下机器人的栈式装配结构的水下机器人电子舱。
本发明专利的目的是这样实现的：
栈式装配结构的水下机器人电子舱，由承压壳体组件、电子固定架、电子模块组件三部分组成，承压壳体安装在水下机器人上，内部加工有突台；电子固定架采用不锈钢螺杆、螺母、弹簧垫片将圆形电木板进行固定的方式构成，不锈钢螺杆在前端面板外部有突出，用于与承压壳体内部突台进行端面固定；多个电子模块在电子固定架上采用栈式装配结构，模块电路板法向与承压壳体轴向平行，其中的推进器电机驱动器采用模块化结构，总线形式电气连接，通过驱动器自身跳线连接的不同实现对不同推进器的转速控制。
承压壳体与前密封端盖以及后密封端盖之间进行O型圈端面密封，两个密封端盖上均加工有通孔，用于安装不同型号的水密接插件。
电子固定架，前端面板和后端面板上均安装有接线端子插座，用于与承压壳体组件的密封端盖上的接线端子插头相连；中间隔板上加工有圆形和方形的通孔，分别用于安装电子模块组件以及电气线路的布局和保护。
电子模块组件，驱动器转接板、最顶层的电机驱动器板分别通过铜柱与电子固定架的前端面板、第一隔板固定，中间驱动器板依靠栈式结构本身固定。
电机驱动器模块，驱动器板下面有插头端子，用于连接到驱动器转接板或者前一个电机驱动器；驱动器板下面有插座端子，用于为下一块电机驱动器提供安装位置。
电子模块组件，电机驱动器板与驱动器转接板通过栈式结构进行总线式电气连接，驱动器转接板通过排线与核心单元进行总线式连接。
本发明专利的有益效果在于：
1、结构紧凑，空间利用率高。
电子固定架与承压壳体突台进行端面固定连接，连接可靠且所占用的空间较小；电子模块的栈式装配结构，有利于有效利用承压壳体的圆柱形空间的利用率，从而提高电子舱内部空间利用率，减小电子舱整体结构尺寸。
2、对栈式结构高度的限制小
传统的装配方式中，栈式结构的高度受到承压壳体直径的限制，而有些主控单元，如PC104及其扩展模块，就是通过栈式结构进行连接的，增加相应的模块，即增加了栈式结构的高度，传统的装配方式中只能通过增加承压壳体的直径来解决，造成电子舱体积增大，本发明专利，电子模块的法向与承压壳体轴向平行，可以延电子舱的轴向增加栈式结构高度，从而减小了对其高度的限制。
3、布线容易。
电子模块的栈式装配结构中，方形电子模块板四周的圆弧形空间可以用来布线，此种布线方式，电气线路可以尽可能的呈直线布局，不用绕额外的距离，同时由于穿过电子固定架间隔板的方形通孔，能够避免导线与舱壁的接触，对电气线路起到保护作用。水下机器人一般安装有多个螺旋桨推进器，相应的也就有多个电机驱动器，传统的方式是对每个驱动器的电源线、信号线单独连接，布线繁琐，本专利驱动器的模块化设计、栈式结构、以及总线式连接方式，使驱动器与其它电子模块不用额外的导线连接，精简了导线的长度和数量。
4、维修更换方便。
由于驱动器通过栈式结构安装在驱动器转接板上，所以当某个驱动器损坏时，可以直接拔掉，然后换上新的驱动器模块，不用任何的接线、布线操作，更换容易。
5、模块化设计，互换性好。
电机驱动器为模块化设计，不同推进器电机驱动器的结构相同，通过跳线连接的方式来区分，增强了电机驱动器模块的互换性，有利于电机驱动器的批量制作。
附图说明
图1为水下机器人电子舱传统布局示意图。
图2为图1的A-A截面图。
图3为本发明专利水下机器人系统框图。
图4为推进器电机驱动器电气连接示意图。
图5为本发明专利整体三维结构简图。
图6为本发明专利整体结构简图(主视图)。
图7为承压壳体组件结构简图。
图8为电子固定架结构简图。
图9为电机驱动器栈式结构装配示意图。
图10为驱动器转接板结构简图。
图11为电机驱动器模块三维结构简图。
图12为电机驱动器模块结构简图(俯视图)。
图13为电子舱内部其余电子模块布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-13对本发明专利做进一步详述。
本发明专利涉及一种栈式装配结构的水下机器人电子舱，其主要由承压壳体组件、电子固定架、电子模块组件三部分组成。承压壳体安装在水下机器人上，内部加工有突台；电子固定架采用不锈钢螺杆、螺母、弹簧垫片将圆形电木板进行固定的方式构成，不锈钢螺杆在前端面板外部有突出，用于与承压壳体内部突台进行端面固定；多个电子模块在电子固定架上采用栈式装配结构，模块电路板法向与承压壳体轴向平行，其中的推进器电机驱动器采用模块化结构，总线形式电气连接，通过驱动器自身跳线连接的不同实现对不同推进器转速的控制。本发明专利具有承压壳体内部空间利用率高、布线容易、维修方便，可靠性高等优点，特别适合应用于微小型水下机器人，也可应用于其它水下设备。
一种栈式装配结构的水下机器人电子舱，其主要由承压壳体组件、电子固定架、电子模块组件三部分组成。承压壳体安装在水下机器人上，内部加工有突台；电子固定架采用不锈钢螺杆、螺母、弹簧垫片将圆形电木板进行固定的方式构成，不锈钢螺杆在前端面板外部有突出，用于与承压壳体内部突台进行端面固定；多个电子模块在电子固定架上采用栈式装配结构，模块电路板法向与承压壳体轴向平行，其中的推进器电机驱动器采用模块化结构，总线形式电气连接，通过驱动器自身跳线连接的不同实现对不同驱动器转速的控制。
本发明专利还包括这样一些结构特征：
1、承压壳体与前密封端盖以及后密封端盖之间进行O型圈端面密封，两个密封端盖上均加工有通孔，用于安装不同型号的水密接插件。
2、电子固定架的前端面板和后端面板上均安装有接线端子插座，用于与承压壳体组件的密封端盖上的接线端子插头相连；中间隔板上加工有圆形和方形的通孔，分别用于安装电子模块以及电气线路的布局和保护。
3、推进器电机驱动器转接板以及最顶层的驱动器板分别通过铜柱与电子固定架的前端面板、第一隔板固定，中间驱动器板依靠栈式结构本身连接固定。
4、电机驱动器模块，驱动器板下面有插头端子，用于连接到驱动器转接板或者前一个电机驱动器；驱动器板下面有插座端子，用于为下一块电机驱动器提供安装位置。
5、电机驱动器板与驱动器转接板通过栈式结构进行总线式电气连接，驱动器转接板通过排线与主控单元进行总线式连接。
本水下机器人系统框图如图3所示，本发明专利的水下机器人系统核心控制单元由PC104标准CPU模块及其扩展模块通过PC104总线连接而成，其中，PC104标准CPU模块26用于执行高速运算以及存储数据，串口扩展模块27为PC104扩展出4个串口通讯通道，PC104电源模块28为核心控制单元供电，ADT800扩展模块29用于产生数字I/O信号、读取以及输出模拟电压量，PWM扩展模块用于产生PWM信号；核心控制单元通过第一至第六电机驱动器31至36分别控制各个推进器的转速，从而达到控制水下机器人运动的目的；无线通讯模块25用于实现水下机器人下位机系统与上位机控制台的无线通讯；继电器模块24作为各传感器以及驱动器的供电开关，实现按需求供电，有利于节省电池电量；电源管理模块23用于将统一的锂电池组电压转换为各个传感器所需要的不同的电压值，从而为传感器供电；信号采集与转换模块22，将各传感器信号按需要进行转换后传送给核心控制单元；漏水检测模块21对电子舱的健康状态进行监测。图3中，虚线框以内部分为安装在水下机器人内部的各个电子模块。
推进器电机驱动器电气连接示意图如图4所示，电机驱动器的电源接线端子连接锂电池组，电机接线端子连接推进器，PWM接线端子用于接收PWM扩展模块30产生的PWM信号从而调节推进器转速，GND接线端子实现驱动器与核心控制单元的共地，旋转方向控制端子A1、A2用于接收ADT800扩展模块29产生的数字I/O信号，当A1为高、A2为低时，电机正转；当A2为高、A1为低时，电机返转；当A1、A2均为低时，推进器停转；当A1、A2均为高时，为错误命令，推进器运行状态为前述三种状态中的任意一种。
本发明专利整体结构如图5、图6所示，其主要由承压壳体组件、电子固定架、电子模块组件三部分组成。
承压壳体组件结构如图7所示，承压壳体16与前密封端盖1、后密封端盖19分别通过螺栓组件2、螺栓组件18进行连接，通过O型圈38以及O型圈20实现端面密封；承压壳体16的前端加工有突台，突台上加工有通孔，用于连接电子固定架；前密封端盖1、后密封端盖19上加工有通孔，用于安装水密接插件。
电子固定架结构如图8所示，前端面板5、第一间隔板11、第二间隔板14、后端面板17的材料均为电木板，通过螺母和弹簧垫片的组合固定在不锈钢螺杆7上，当调整好电木板后，同时旋紧螺母9和螺母13，压紧弹簧垫片10和12，即可完成电木板的固定；前端面板上安装有接线插座39，通过导线40与接线插头41相连，接线插头41用于连接驱动器转接板37；第一间隔板11、第二间隔板14上额外加工有长方形通孔，用于布线；后端面板上设有长方形通孔，用于安装相应的接线插座。
如图1所示，电子固定架前端突出的螺杆与承压壳体16的内部突台通过螺母3、弹簧垫片4进行连接。
如图1所示，本发明专利水下机器人系统共有6块电机驱动器，其栈式装配结构如图9所示，驱动器转接板37通过铜柱9安装到前端面板5上，第六电机驱动器36安装到驱动器转接板37上，第五电机驱动器35安装到第六电机驱动器36上，依次类推，直至第一电机驱动器31，然后第一电机驱动器31通过铜柱与第一间隔板固定。
驱动器转接板结构简图如图10所示，左右两边与电路板平行的接线插座分别作为电池组电压的输入以及推进器供电电压的输出，与前端面板5上的接线插头41等相连；驱动器转接板前端的插针，用于连接控制信号总线；左右两边与电路板垂直的接线插座以及前端的插孔，用于安装连接电机驱动器。
电机驱动器模块三维结构简图如图11所示，电路板下面的插头部分连接到驱动器转接板或者前一个电机驱动器，电路板上面的插座部分用于为下一块电机驱动器提供安装位置。
电机驱动器模块的俯视图如图12所示，其中，P1至P12通过驱动器转接板37与ADT800扩展模块30的数字I/O相连，P13至P18通过转接板37与PWM扩展模块29相连，P19和P20通过驱动器转接板37与PWM扩展模块29共地，P21至P26与锂电池组的正电位相连，P27至P32与锂电池组的地电位相连，P33至P38与电机一端相连，P39至P44与电机另一端相连；S1至S44与P1至P44相对应，对S的短接，即把相应P的接入电路板；如图12所示，图中S1、S7、S13、S21、S27、S33、S39短接，则P1、P7为转向控制信号A1、A2，P13为PWM调速信号，P21、P27分别为锂电池组的正电位、地电位，P33、P39连接电机的两端。改变短接位置，即可完成对不同推进器转速的控制。
电子舱内部其余电子模块布置示意图如图13所示，各电路板栈式装配结构，通过铜柱15安装固定，前端铜柱15与第二间隔板14相连，后端铜柱与后端面板17相连。
如图1所示，驱动器转接板37通过总线8与ADT800扩展模块30以及PWM扩展板29相连。
Claims (1)
1.一种栈式装配结构的水下机器人电子舱，由承压壳体组件、电子固定架、电子模块组件三部分组成，其特征在于：承压壳体安装在水下机器人上，内部加工有突台；电子固定架采用不锈钢螺杆、螺母、弹簧垫片将圆形电木板进行固定的方式构成，不锈钢螺杆在前端面板外部有突出，用于与承压壳体内部突台进行端面固定；多个电子模块在电子固定架上采用栈式装配结构，模块电路板法向与承压壳体轴向平行，其中的推进器电机驱动器采用模块化结构，总线形式电气连接，通过驱动器自身跳线连接的不同实现对不同推进器的转速控制；
所述承压壳体与前密封端盖以及后密封端盖之间进行O型圈端面密封，两个密封端盖上均加工有通孔，用于安装不同型号的水密接插件；
所述电子固定架，前端面板和后端面板上均安装有接线端子插座，用于与承压壳体组件的密封端盖上的接线端子插头相连；中间隔板上加工有圆形和方形的通孔，分别用于安装电子模块组件以及电气线路的布局和保护；
所述电子模块组件，驱动器转接板、最顶层的电机驱动器板分别通过铜柱与电子固定架的前端面板、第一隔板固定，中间驱动器板依靠栈式结构本身固定；
所述电机驱动器板下面有插头端子，用于连接到驱动器转接板或者前一个电机驱动器；驱动器板下面有插座端子，用于为下一块电机驱动器提供安装位置；
所述电子模块组件，电机驱动器板与驱动器转接板通过栈式结构进行总线式电气连接，驱动器转接板通过排线与核心单元进行总线式连接；
核心控制单元由PC104标准CPU模块及其扩展模块通过PC104总线连接而成，其中，PC104标准CPU模块(26)用于执行高速运算以及存储数据，串口扩展模块(27)为PC104扩展出4个串口通讯通道，PC104电源模块(28)为核心控制单元供电，ADT800扩展模块(29)用于产生数字I/O信号、读取以及输出模拟电压量，PWM扩展模块用于产生PWM信号；核心控制单元通过第一到第六电机驱动器(31至36)分别控制各个推进器的转速，从而达到控制水下机器人运动的目的；无线通讯模块(25)用于实现水下机器人下位机系统与上位机控制台的无线通讯；继电器模块(24)作为各传感器以及驱动器的供电开关，实现按需求供电，有利于节省电池电量；电源管理模块(23)用于将统一的锂电池组电压转换为各个传感器所需要的不同的电压值，从而为传感器供电；信号采集与转换模块(22)，将各传感器信号按需要进行转换后传送给核心控制单元；漏水检测模块(21)对电子舱的健康状态进行监测；电机驱动器的电源接线端子连接锂电池组，电机接线端子连接推进器，PWM接线端子用于接收PWM扩展模块(30)产生的PWM信号从而调节推进器转速，GND接线端子实现驱动器与核心控制单元的共地，第一旋转方向控制端子(A1)、第二旋转方向控制端子(A2)用于接收ADT800扩展模块(29)产生的数字I/O信号，当第一旋转方向控制端子为高、第二旋转方向控制端子为低时，电机正转；当第二旋转方向控制端子为高、第一旋转方向控制端子为低时，电机返转；当第一旋转方向控制端子、第二旋转方向控制端子均为低时，推进器停转；当第一旋转方向控制端子、第二旋转方向控制端子均为高时，为错误命令，推进器运行状态为前述三种状态中的任意一种；承压壳体(16)与前密封端盖(1)、后密封端盖(19)分别通过螺栓组件(2)、螺栓组件(18)进行连接，通过第一O型圈(38)以及第二O型圈(20)实现端面密封；承压壳体(16)的前端加工有突台，突台上加工有通孔，用于连接电子固定架；前密封端盖(1)、后密封端盖(19)上加工有通孔，用于安装水密接插件；电子固定架结构前端面板(5)、第一间隔板(11)、第二间隔板(14)、后端面板(17)的材料均为电木板，通过螺母和弹簧垫片的组合固定在不锈钢螺杆(7)上，当调整好电木板后，同时旋紧螺母(9，13)，压紧弹簧垫片(10，12)，即可完成电木板的固定；前端面板上安装有接线插座(39)，通过导线(40)与接线插头(41)相连，接线插头(41)用于连接驱动器转接板(37)；第一间隔板(11)、第二间隔板(14)上额外加工有长方形通孔，用于布线；后端面板上设有长方形通孔，用于安装相应的接线插座；
电子固定架前端突出的螺杆与承压壳体(16)的内部突台通过螺母(3)、弹簧垫片(4)进行连接；驱动器转接板(37)通过铜柱(9)安装到前端面板(5)上，第六电机驱动器(36)安装到驱动器转接板(37)上，第五电机驱动器(35)安装到第六电机驱动器(36)上，依次类推，直至第一电机驱动器(31)，然后第一电机驱动器(31)通过铜柱与第一间隔板固定；
驱动器转接板结构左右两边与电路板平行的接线插座分别作为电池组电压的输入以及推进器供电电压的输出，与前端面板(5)上的接线插头(41)相连；驱动器转接板前端的插针，用于连接控制信号总线；左右两边与电路板垂直的接线插座以及前端的插孔，用于安装连接电机驱动器；
电机驱动器模块电路板下面的插头部分连接到驱动器转接板或者前一个电机驱动器，电路板上面的插座部分用于为下一块电机驱动器提供安装位置；
其中，P1至P12通过驱动器转接板(37)与ADT800扩展模块(30)的数字I/O相连，P13至P18通过驱动器转接板(37)与PWM扩展模块(29)相连，P19和P20通过驱动器转接板(37)与PWM扩展模块(29)共地，P21至P26与锂电池组的正电位相连，P27至P32与锂电池组的地电位相连，P33至P38与电机一端相连，P39至P44与电机另一端相连；S1至S44与P1至P44相对应，对S的短接，即把相应P的接入电路板；S1、S7、S13、S21、S27、S33、S39短接，则P1、P7为转向控制信号A1、A2，P13为PWM调速信号，P21、P27分别为锂电池组的正电位、地电位，P33、P39连接电机的两端；改变短接位置，即可完成对不同推进器转速的控制。
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