CN109484591A - 一种水下机器人推进器模块化驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下机器人推进器模块化驱动电路及其驱动方法，电流检测模块实时检测推进器的工作电流，并将电流检测结果以模拟电压信号形式传输至主控CPU模块，主控CPU模块根据接收到的电流检测结果信息后根据实际情况生成相应控制电压信号，A‑PWM模块收到主控CPU模块的控制电压信号后，将控制电压信号转化为PWM信号传输至PWM功率放大模块以控制推进器的转速和输出推力。

Description

一种水下机器人推进器模块化驱动电路及其驱动方法

技术领域

本发明属于水下机器人技术，具体涉及一种水下机器人推进器模块化驱动电路及其驱动方法。

背景技术

随着陆地上不可再生资源的日益减少，海洋资源的开发和利用逐渐得到人们的重视。海洋开发需要先进的作业工具。水下机器人因其具有安全、高效、作业深度大、能在水下长时间工作等特点，在海洋资源开发中得到广泛应用。推进器是水下机器人的重要动力装置，推动水下机器人完成相应作业任务。推进器的控制原理是：水下机器人主控制器产生控制电压信号，经过驱动器放大后，控制推进器产生相应推力，同时驱动器实时采集推进器工作电流，以便监测推进器运行健康状态。现有推进器驱动器通常将模拟电压-脉冲宽度调制信号转换模块(A-PWM模块)、PWM功率放大模块、电流检测模块三者集成为一个整体，以方便用户使用。

但是该种方式存在的缺点是：(1)驱动器一旦发生故障，较难定位故障元件；(2)驱动器中某一个部分故障，很可能造成驱动器其他正常的部分也无法使用；(3)驱动器使用范围受到限制，即，若驱动器的三部分中的某一部分不满足使用要求，则整个驱动器将无法使用；(4)驱动器整体长度和宽度较大，在水下机器人圆形密封舱内部安装时，驱动器周围的弧形空间得不到有效利用，使得水下机器人密封舱内部空间利用率较低。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种水下机器人推进器模块化驱动电路及其驱动方法。

技术方案：本发明的一种水下机器人推进器模块化驱动电路，包括推进器、第一电源模块、第二电源模块、主控CPU模块、电流检测模块、A-PWM模块和PWM功率放大模块，所述第一电源模块PWM功率放大模块供电，电流检测模块串联于第一电源模块和PWM功率放大模块中间，PWM功率放大模块的输出端与推进器相连；所述第二电源模块为主控CPU模块和A-PWM模块供电，主控CPU模块的输入端与电流检测模块相连，主控CPU模块的输出端与PWM功率放大模块的输入端相连；所述A-PWM模块的输入端与主控CPU的输出端口相连，并将接收到的主控CPU控制电压信号转换成PWM信号后输出给PWM功率放大模块；其中，电流检测模块实时检测推进器的工作电流，并将电流检测结果以模拟电压信号形式传输至主控CPU模块，主控CPU模块根据接收到的电流检测结果信息后根据实际情况生成相应控制电压信号，A-PWM模块收到主控CPU模块的控制电压信号后，将控制电压信号转化为PWM信号传输至PWM功率放大模块以控制推进器的转速和输出推力，驱动电路驱动推进器转动，并实时检测推进器工作电流，根据实时电流电压情况再反过来控制调整。

进一步的，所述电流检测模块的信号输出端口Sout端口与主控CPU模块的A/D输入端口相连，主控CPU模块的数字输出端口DO1和DO2分别与PWM功率放大模块的数字输入端口DI1和DI2相连，用于控制推进器旋转方向；当DO1为高且DO2为低时，推进器正转；当DO1为低且DO2为高时，推进器反转；当DO1和DO2均为低时，推进器停转；当DO1和DO2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；主控CPU模块的D/A输出端口与A-PWM模块的模拟输入端口Ain相连.。

进一步的，所述主控CPU模块包括PC104CPU模块及其扩展板卡，扩展卡包括A/D板卡、D/A板卡和若干I/O板卡，PC104CPU模块和扩展板卡通过PC104总线搭建水下机器人主控制器，输出控制信号，其中，各个I/O板卡均为同一型号，在使用时，通过设置不同的板卡基地址进行区分。

进一步的，所述第一电流模块采用DC24V电源模块，DC24V电源模块直接为PWM功率放大模块供电，PWM功率放大模块的输出端与推进器的电机输入端相连，进而为推进器供电；所述第二电源模块采用DC12V电源模块，DC12V电源模块经过LM2596S芯片转换成DC5V后给主控CPU模块供电。两个独立的电源模块能够减小推进器较大的工作电流对主控制器的影响。

进一步的，所述主控CPU模块的GND1端口与A-PWM模块的GND1端口之间设有一条直接相连的导线，进行冗余连接，使得任意两个功能模块之间至少有存在两条共地连接路径，能够减小PWM信号中的纹波幅值和占空比波动幅值。

而现有技术中，主控CPU模块的GND1端口与A-PWM模块的GND1端口之间不相连，即没有直接相连的导线(如图1所示)，缺陷是：任意两个功能模块之间只存在一条共地连接路径，例如，主控CPU模块与A-PWM模块的共地路径为：主控CPU模块的GND1至LM2596S芯片GND1至DC12V电源GND1至A-PWM模块GND1。这种传统的接线方式，使得纹波幅值和占空比波动幅值都较大。

本发明还公开了一种水下机器人推进器模块化驱动电路的驱动方法，利用Visualstudio的对话框编写多主线程驱动软件，且该多主线程驱动软件由多个单主线程驱动软件组合而成，具体步骤如下：

(1)第一个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对系统参数变量进行初始化，对A/D板卡、D/A板卡初始化；

3)启动多个子线程，包括：数据发送子线程、数据接收子线程、推进器驱动子线程、A/D数据采集子线程；

4)循环等待结束命令；

5)收到结束命令，结束所有子线程，释放变量内存；

6)结束主线程；

(2)第二个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡1进行初始化；

3)结束主线程。

(3)第三个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡2进行初始化；

3)结束主线程；

(4)第N+1个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡N进行初始化；

3)结束主线程；

(5)将每个单主线程驱动软件都设置为开机自动启动。

该方法能够有效完成所有PC104扩展板卡的初始化；除了第1个单主线程驱动软件需要等待结束命令以外，第2～N个单主线程驱动软件均为自动结束，即，I/O板卡初始化完成后，该单主线程驱动软件自动退出，由于第2～N个驱动软件运行时间很短，所以第2～N个驱动软件对用户而言是透明的，不会增加用户额外的工作量。

有益效果：本发明容易定位故障元件，当驱动电路出现故障时，可以依次检查各个独立的模块，进而找到输出异常的模块；驱动电路中某一个模块故障，直接替换该模块即可，不影响其他模块的使用；本发明还可以根据实际需要，搭配使用不同型号的功能模块，灵活性增强；每个功能模块的长度和宽度相对较小，便于充分利用在水下机器人圆形密封舱的弧形空间，进而提高密封舱内部空间利用率。

附图说明

图1为传统的驱动电路结构框图；

图2为本发明的驱动电路结构框图；

图3为图1和图2中A与B两点之间的PWM波形示意图；

图4为本发明中单主线程驱动软件结构框图；

图5为本发明中数据发送子线程流程图；

图6为本发明中数据接收子线程流程图；

图7为本发明中推进器驱动子线程流程图；

图8为本发明中A/D数据采集子线程流程图；

图9为本发明中多主线程驱动软件结构框图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，DC24V电源模块为PWM功率放大模块供电，从而间接为推进器供电，电流检测模块串联在DC24V电源模块和PWM功率放大模块之间，实时检测推进器工作电流，并将电流检测结果以模拟电压信号形式通过信号输出端口Sout，输出到主控CPU模块的A/D输入端口。

如图1所示，DC12V电源输模块出DC12V电源电压，经LM2596S芯片转换成DC5V后，给主控CPU模块供电，所述主控CPU模块由PC104CPU模块、A/D板卡、D/A板卡、多个I/O板卡通过PC104总线堆栈而成。主控CPU模块的A/D输入端口与电流检测模块的输出端口Sout相连，采集推进器工作电流数据。主控CPU模块的数字输出端口DO1和DO2分别与PWM功率放大模块的数字输入端口DI1和DI2相连，用于控制推进器旋转方向，当DO1为高、DO2为低时，推进器正转；当DO1为低、DO2为高时，推进器反转；当DO1、DO2均为低时，推进器停转；当DO1、DO2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。主控CPU模块的D/A输出端口与A-PWM模块的模拟输入端口Ain相连。

如图1所示，DC12V电源模块直接为A-PWM模块供电，A-PWM模块的模拟输入端口Ain与主控CPU模块的D/A输出端口相连，接收主控CPU模块传来的控制电压信号，然后，将控制电压信号转换成PWM信号，通过PWM输出端口输出给PWM功率放大模块，用于控制推进器转速，从而控制推进器输出推力的大小。

对比图2和图1，如图中虚线框所示，图1中，主控CPU模块的GND1端口与A-PWM模块的GND1端口没有直接相连的导线，图2中，在两者之间增加一条直接相连的导线。其结果是：图1中，任意两个功能模块之间只存在一条共地连接路径，例如，主控CPU模块与A-PWM模块的共地路径为：主控CPU模块的GND1至LM2596S芯片GND1至DC12V电源模块的GND1至A-PWM模块GND1；图2中，任意两个功能模块之间至少存在两条共地连接路径，例如，主控CPU模块与A-PWM模块的共地路径：一条为，主控CPU模块的GND1至LM2596S芯片GND1至DC12V电源模块的GND1至A-PWM模块的GND1；另一条为，主控CPU模块的GND1至A-PWM模块GND1；另一条为，主控CPU模块的GND1至PWM功率放大模块GND1至A-PWM模块GND1。

图3为图1和图2中A与B两点之间的PWM波形示意图。

如图3所示，PWM信号中的纹波幅值为Δ1，占空比波动幅值为Δ2。在实验中，对应于图1所示技术方案，纹波幅值Δ1为460mV，占高电平电压值5V的9.2％，占空比波动幅值Δ2为0.8μs，占方波周期63.64μs的2.8％。对应于图2所示技术方案，纹波幅值Δ1为160mV，占高电平电压值5V的3.2％，占空比波动幅值Δ2为0.08μs，占方波周期63.64μs的0.3％。实验结果反映出：图2方案与图1方案相比，纹波幅值减小300mV，相对减小65.2％，占空比波动幅值减小0.72μs，相对减小90％，图2方案能够减小PWM信号中的纹波幅值和占空比波动幅值。

另外，现有技术中，驱动电路的驱动方法，包括以下步骤：

(1)水下机器人的主控CPU模块采用Windows操作系统，利用Visual studio的对话框编写单主线程驱动软件；

(2)单主线程驱动软件流程如下：

2.1)开启主线程；

2.2)对系统参数变量进行初始化，对A/D板卡、D/A板卡，多个I/O板卡进行初始化；

2.3)启动多个子线程，包括：数据发送子线程、数据接收子线程、推进器驱动子线程、A/D数据采集子线程；

2.4)循环等待结束命令；

2.5)收到结束命令，结束所有子线程，释放变量内存；

2.6)结束主线程；

(3)将该驱动软件设置为开机自动启动。

该传统技术方案的缺陷为：有时存在板卡初始化冲突的问题，具体表现为：若I/O板卡1的初始化程序语句出现在其他I/O板卡的初始化程序语句前面，则I/O板卡1初始化成功，其他板卡初始化失败，导致在后续程序中，其他I/O板卡的I/O端口不可控；若把其他I/O板卡的初始化语句放在前面，也会得到同样的实验结果，即只有排在最前面的I/O板卡的初始化程序语句能够初始化成功，后续的I/O板卡初始化语句均会初始化失败。

如图4所示，本发明单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对系统参数变量进行初始化，对A/D板卡、D/A板卡，多个I/O板卡进行初始化；

3)启动多个子线程，包括：数据发送子线程、数据接收子线程、推进器驱动子线程、A/D数据采集子线程；

4)循环等待结束命令；

5)收到结束命令，结束所有子线程，释放变量内存；

6)结束主线程。

如图5所示，本发明数据发送子线程流程如下：

1)开启子线程；

2)初始化局部变量；

3)将全局发送变量值格式化复制到局部变量；

4)为局部变量添加帧头；

5)发送局部变量；

6)延时N1ms，返回步骤2)。

如图6所示，本发明数据接收子线程流程如下：

1)开启子线程；

2)初始化局部变量；

3)采用局部变量接收数据；

4)判别帧头，若帧头满足要求，则进入步骤5)，否则，返回步骤2)；

5)将局部变量复制到全局接收变量；

6)延时N2ms，返回步骤2)。

如图7所示，本发明推进器驱动子线程流程如下：

1)开启子线程；

2)初始化局部变量；

3)将全局接收变量的某一特定区域复制到局部变量；

4)根据局部变量绝对值的大小调整D/A输出，以控制推进器转速；

5)根据局部变量的正负号调整DO输出，以控制推进器旋转方向；

6)延时N3ms，返回步骤2)。

如图8所示，本发明A/D数据采集子线程流程如下：

1)开启子线程；

2)初始化局部变量；

3)采用局部变量接收采集到的A/D数据，该A/D数据为推进器工作电流值；4)将局部变量复制到全局发送变量的某一特定区域；

5)延时N4ms，返回步骤2)。

如图9所示，本发明多主线程驱动软件流程如下：

1、第一个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对系统参数变量进行初始化，对A/D板卡、D/A板卡初始化；

3)启动多个子线程，包括：数据发送子线程、数据接收子线程、推进器驱动子线程、A/D数据采集子线程；

4)循环等待结束命令；

5)收到结束命令，结束所有子线程，释放变量内存；

6)结束主线程。

2、第二个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡1进行初始化；

3)结束主线程。

3、第三个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡2进行初始化；

3)结束主线程。

4、第N+1个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡N进行初始化；

3)结束主线程。

5、将每个单主线程驱动软件都设置为开机自动启动。

上述本发明的驱动方法中，使用多个独立的驱动程来驱动这个电路，其中，第一个独立的程序，完成电路驱动所需要的绝大部分功能，其余的独立程序能够初始化一个I/O卡。该驱动方法能够有效完成所有PC104扩展板卡的初始化；除了第1个单主线程驱动软件需要等待结束命令以外，第2～N个单主线程驱动软件均为自动结束，即，I/O板卡初始化完成后，该单主线程驱动软件自动退出，由于第2～N个驱动软件运行时间很短，所以第2～N个驱动软件对用户而言是透明的，不会增加用户额外的工作量。比传统的驱动方法更加高效便捷。

Claims (6)

1.一种水下机器人推进器模块化驱动电路，其特征在于：包括推进器、第一电源模块、第二电源模块、主控CPU模块、电流检测模块、A-PWM模块和PWM功率放大模块，所述第一电源模块为PWM功率放大模块供电，电流检测模块串联于第一电源模块和PWM功率放大模块中间，PWM功率放大模块的输出端与推进器相连；所述第二电源模块为主控CPU模块和A-PWM模块供电，主控CPU模块的输入端与电流检测模块相连，主控CPU模块的输出端与PWM功率放大模块的输入端相连；所述A-PWM模块的输入端与主控CPU的输出端口相连，并将接收到的主控CPU控制电压信号转换成PWM信号后输出给PWM功率放大模块；

其中，电流检测模块实时检测推进器的工作电流，并将电流检测结果以模拟电压信号形式传输至主控CPU模块，主控CPU模块根据接收到的电流检测结果信息后根据实际情况生成相应控制电压信号，A-PWM模块收到主控CPU模块的控制电压信号后，将控制电压信号转化为PWM信号传输至PWM功率放大模块以控制推进器的转速和输出推力。

2.根据权利要求1所述的水下机器人推进器模块化驱动电路，其特征在于：所述电流检测模块的信号输出端口Sout端口与主控CPU模块的A/D输入端口相连，主控CPU模块的数字输出端口DO1和DO2分别与PWM功率放大模块的数字输入端口DI1和DI2相连，用于控制推进器旋转方向；当DO1为高且DO2为低时，推进器正转；当DO1为低且DO2为高时，推进器反转；当DO1和DO2均为低时，推进器停转；当DO1和DO2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；主控CPU模块的D/A输出端口与A-PWM模块的模拟输入端口Ain相连.。

3.根据权利要求1所述的水下机器人推进器模块化驱动电路，其特征在于：所述主控CPU模块包括PC104CPU模块及其扩展板卡，扩展卡包括A/D板卡、D/A板卡和若干I/O板卡，PC104CPU模块和扩展板卡通过PC104总线搭建水下机器人主控制器，输出控制信号，其中，各个I/O板卡均为同一型号，在使用时，通过设置不同的板卡基地址进行区分。

4.根据权利要求1所述的水下机器人推进器模块化驱动电路，其特征在于：所述第一电流模块采用DC24V电源模块，DC24V电源模块直接为PWM功率放大模块供电，PWM功率放大模块的输出端与推进器的电机输入端相连，进而为推进器供电；所述第二电源模块采用DC12V电源模块，DC12V电源模块经过LM2596S芯片转换成DC5V后给主控CPU模块供电。

5.根据权利要求4所述的水下机器人推进器模块化驱动电路，其特征在于：所述主控CPU模块的GND1端口与A-PWM模块的GND1端口之间设有一条直接相连的导线。

6.一种水下机器人推进器模块化驱动电路的驱动方法，其特征在于：利用Visualstudio的对话框编写多主线程驱动软件，且该多主线程驱动软件由多个单主线程驱动软件组合而成，具体步骤如下：

(1)第一个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对系统参数变量进行初始化，对A/D板卡、D/A板卡初始化；

3)启动多个子线程，包括：数据发送子线程、数据接收子线程、推进器驱动子线程、A/D数据采集子线程；

4)循环等待结束命令；

5)收到结束命令，结束所有子线程，释放变量内存；

6)结束主线程；

(2)第二个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡1进行初始化；

3)结束主线程。

(3)第三个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡2进行初始化；

3)结束主线程；

(4)第N+1个单主线程驱动软件流程如下：

1)开启主线程；

2)对I/O板卡N进行初始化；

3)结束主线程；

(5)将每个单主线程驱动软件都设置为开机自动启动。