CN110745220A - 带有断电保护的微小型水下机器人及断电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有断电保护的微小型水下机器人及断电控制方法，包括密封舱，所述密封舱前端可拆卸设置有摄影云台罩，所述密封舱前后均设置有垂向推进器，所述密封舱后端设置有水平推进器，所述密封舱端盖上设置有机器人状态检测传感器，所述垂向推进器、水平推进器和机器人状态检测传感器均通过RS232串口线连接主控器，所述垂向推进器、水平推进器和主控器均设置有电源继电器。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人及控制方法，具体涉及一种带有断电保护的微小型水下机器人及断电控制方法。
背景技术
近年来，随着各国不断发展加快了陆地资源的开采，导致陆地资源日趋减少。海洋拥有着比陆地更丰富的资源。水下机器人是探测和开采海洋资源应用极为广泛的工具，由于水下环境多为不确定因素，因此保证水下机器人在水下安全、稳定以及高效工作很是重要。水下机器人平台在研究故障诊断和容错控制技术时是必不可少的一部分，对其有着重要意义。中国专利201910245395.4公开了一种多功能机器人及其控制系统，采用水上控制端通过脐带缆对水下控制器进行指令发送，水下机器人完成相关水下作业后，需要进行收回，收回时要断开下位机供电系统，直接关闭下位机电源会对下位机中的控制系统相关硬件造成一定损害，长期使用这种方式，容易造成下位机系统崩溃，甚至烧毁推进器驱动器。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种带有断电保护的微小型水下机器人及断电控制方法，解决现有水下机器人没有断电保护，直接关闭电源容易对控制系统中硬件造成损害的问题。
技术方案：本发明所述的带有断电保护的微小型水下机器人，包括密封舱，所述密封舱前端可拆卸设置有摄影云台罩，所述密封舱前后均设置有垂向推进器，所述密封舱后端设置有水平推进器，所述密封舱端盖上设置有机器人状态检测传感器，所述垂向推进器、水平推进器和机器人状态检测传感器均信号连接主控器，所述垂向推进器、水平推进器和主控器均设置有电源继电器。
所述垂向推进器为三个，其中，在密封舱前端左右各设置一个，在密封舱后端设置一个。
所述机器人状态检测传感器包括投入式深度计、分体式深度计、整体式深度计、电子罗盘和倾角仪。
所述主控器与上位机通过RS232串口线连接。
本发明所述的带有断电保护的微小型水下机器人的断电控制方法，包括以下步骤：
(1)上位机发送推进器断电指令给下位机主控器，下位机主控器根据指令控制推进器电源继电器断开，推进器断电；
(2)上位机发送关机指令给下位机中的主控制器，下位机主控制器根据上位机指令开始执行关机程序；
(3)在下位机关机过程中，上位机中的关机监测子线程实时监测下位机发送来的数据，并将接收到的数据显示在上位机界面上，下位机完成关机后切断主控器电源继电器，使得主控电源继电器断开，切断控制系统供电。
有益效果：本发明增加了断电保护功能，使得控制系统关闭后，推进器不会出现突然达到最高速，延长了推进器的使用寿命。关机程序的增加，使得控制系统先进行正常关机，而后切断其电源，避免了不正常关机的情况，对软件及硬件都起到了很好的保护作用。本发明专利垂向三个推进器的布置方式，可以实现下潜、上浮、横滚、俯仰功能，为水下机器人定深实验提供支撑，实现机器人直线行驶、后退以及转艏运动，为水下机器人直线行驶实现提供支撑，本发明专利安装有多个不同输出信号形式的传感器，能够进行多传感器数据融合，同时可以研究传感器信号输出形式对测量结果的影响规律。
附图说明
图1为本发明专利水下机器人整体结构图；
图2为本发明专利水下机器人后视图；
图3为本发明专利水下机器人整体剖视图；
图4为本发明专利水下机器人内部结构俯视图；
图5为本发明专利水下机器人内部结构视图；
图6为本发明专利上下位机通讯及发送指令流程图；
图7为本发明专利控制系统实施总体图；
图8为本发明专利推进器接线原理图；
图9为本发明专利投入式深度计接线原理图；
图10为本发明专利分体式深度计接线原理图；
图11为本发明专利整体式深度计接线原理图；
图12为本发明专利电子罗盘接线原理图；
图13为本发明专利倾角仪接线原原理图；
图14为本发明专利关机状态监测流程图；
图15为本发明专利水下机器人工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-2所示，带有断电保护功能的微小型水下机器人包含了水下摄影云台罩、前垂向推进器安装环、密封舱等多个部件，其中水下摄影云台罩1通过螺栓与前密封舱法兰2连接在一起，前密封舱法兰上带有O型圈25，整体以挤压的方式安装于密封舱6，左前垂向推进器4通过角件安装于前垂向推进器安装环5上，右前垂向推进器12以同样的方式安装在前垂向推进器安装环5上，前垂向推进器安装环5通过螺栓固定于密封舱6上，后垂向推进器安装环7以同样的方式固定在密封舱6上，后垂向推进器10通过螺栓安装于后垂向推进器安装环7上，密封舱盖13通过螺栓固定于后密封舱法兰34上，后密封舱法兰34上带有O型圈，整体以挤压的方式安装在密封舱6上，左水平推进器8通过角件固定在法兰端盖固定环上，右水平推进器11以同样的方式固定于法兰端盖固定环，水密接插件9通过开在密封舱舱盖13上的通孔以螺栓的方式固定于密封舱舱盖13上，余下水密接插件，带堵头空心穿孔螺栓14，分体式深度计15，整体式深度计16，水下旋扭开关17如水密接插件7一样以同样的方式安装在密封舱舱盖13上。
如图3所示，水下摄影云台罩1通过螺栓与前密封舱法兰2连接在一起，前密封舱法兰上带有O型圈25，整体以挤压的方式安装于密封舱6，左前垂向推进器4通过角件安装于前垂向推进器安装环5上，右前垂向推进器12以同样的方式安装在前垂向推进器安装环5上，前电池安装板18和后电池安装板20通过螺母和弹簧垫片安装在支撑通丝杆26上，下电池安装板19和上电池安装板28通过丝杆、螺母垫片将电池24固定在中部，PC104组件21通过螺栓螺母的方式安装在后电池安装板20上，左水平推进器8通过角件固定在法兰端盖固定环上，右水平推进器11以同样的方式固定于法兰端盖固定环，水密接插件9、分体式深度计15通过开在密封舱舱盖13上的通孔以螺栓的方式固定于密封舱仓盖13上，接线端子22通过粘合的方式安装在接线端子安装板23上。
如图4所示，支撑通丝杆26依次连接有前电池安装板18、后电池安装板20、接线端子安装板23，三者通过螺母和弹簧垫片固定在支撑通丝杆26上，A-PWM模块27、降压模块(DC12V转DC5V)29、主控电源继电器30、降压模块(DC5V转DC3V)31、升压模块(DC12V转DC24V)32、TTL转RS232模块33以及IIC转RS232模块35、推进器供电电源继电器41通过螺栓螺母固定于上电池安装板28，PC104组件21通过带有螺纹的铜柱和螺母固定于后电池安装板20上，接线端子22通过粘合的方式固定于接线端子安装板23上。
如图5所示，A-PWM模块27、主控电源继电器30以及IIC转RS232模块35通过螺栓螺母固定于上电池安装板28上，PC104组件21通过带有螺纹的铜柱和螺母固定于后电池安装板20上，倾角仪36以及电子罗盘37通过螺栓螺母的方式固定于接线端子安装板23上，后电池支撑板38、前电池支撑板40通过螺母和弹簧垫片固定于支撑通丝杆26上，分体式深度计内段39通过扎带固定于后电池支撑板38、前电池支撑板40上，下电池安装板19和上电池安装板28通过丝杆、螺母垫片将电池24固定在中部，整体安装在后电池支撑板38、前电池支撑板40上。
如图6所示，上位机(PC端)与下位机(水下机器人)之间采用RS232串口通讯方式进行相关指令的传输。下位机中主要包含能源系统模块、控制系统模块、投入式深度计、分体式深度计、整体式深度计、推进器、电子罗盘、倾角仪。
如图7所示主控供电电源(12V)经由保险管经过旋扭开关以及主控电源继电器分别给PC104组件、降压模块(DC12V转DC5V)、升压模块(DC12V转DC24V)、分体式深度计供电。驱动器由推进器供电电源经过推进器电源继电器进行供电，推进器电源继电器的信号输入端由PC104组件中的ART2010数字量输出口给信号，驱动器信号线由PC104组件中的ART2004数模输出口输出端经由A-PWM模块给驱动器，驱动器后连接有推进器。降压模块(DC12V转DC5V)分别给电子罗盘、整体式深度计、倾角仪供电。升压模块DC12V转DC24V)给投入式深度计供电。
如图8所示，主控供电电源(12V)经过保险管、主控电源继电器分别给PC104组件以及降压模块(DC12V转DC5V)供电，降压模块(DC12V转DC5V)将5V电压供给PC104组件以及主控电源继电器。主控供电电源、PC104组件、降压模块(DC12V转DC5V)以及主控电源继电器共地。推进器电源继电器常开端口接推进器供电电源正极(12V)，推进器电源继电器公共端口接到驱动器12V供电，推进器驱动器负极接到推进器供电电源负极(GND)。PC104组件中的ART2010数字量输出口接到推进器电源继电器信号输入端，PC104组件中的ART2004模拟量输出口接到A-PWM模块输入端，A-PWM模块输出端连接到驱动器信号线，驱动器后连接推进器。
如图9所示，主控供电电源(12V)经过保险管、推进器电源继电器分别给PC104组件、降压模块(DC12V转DC5V)以及升压模块(DC12V转DC24V)供电。降压模块(DC12V转DC5V)输出端给PC104组件供电，升压模块(DC12V转DC24V)的正极接到投入式深度计电压输入端(24V)，投入式深度计输出端串联一个电阻后连接到升压模块(DC12V转DC12V)的负极。PC104组件中的ART2010模块的模拟量采集输入端连接到电流流入电阻的一侧，负极连接到电流流出电阻一侧。
如图10所示，主控供电电源(12V)经过保险管、主控电源继电器分别给PC104组件、降压模块(DC12V转DC5V)以及分体式深度计供电。降压模块(DC12V转DC5V)给PC104组件供电。PC104组件中的ART2010模拟电压采集模块输入连接到分体式深度计信号输出端，信号地与电源地共地。
如图11所示，主控供电电源(12V)经过保险管、主控电源继电器给PC104组件以及降压模块(DC12V转DC5V)供电，降压模块(DC12V转DC5V)给PC104组件及降压模块(DC5V转DC3V)供电。5-3降压模块(DC5V转DC3V)分别给整体式传感器以及IIC转串口模块供电，电容并联在整体式深度计正负极两端，整体式深度计的SDA、SCL与IIC转串口模块的SDA、SCL对应连接，IIC转串口模块的串口输出连接到PC104组件的串口上。
如图12所示，主控供电电源(12V)经过保险管、主控电源继电器给PC104组件以及降压模块(DC12V转DC5V)供电。降压模块(DC12V转DC5V)给PC104组件以及电子罗盘供电。电子罗盘的TXD、RXD与PC104组件中串口的RXD、TXD交叉连接，二者GND相连。
如图13所示，主控供电电源(12V)经过保险管、主控电源继电器给PC104组件以及降压模块(DC12V转DC5V)供电。降压模块(DC12V转DC5V)给PC104组件、倾角仪以及TTL转RS232供电。倾角仪的TXD、RXD、GND与TTL转RS232的TXD、RXD、GND连接，TTL转RS232的串口输出端连接到PC104组件的串口，其中RXD与TXD交叉连接。
如图14所示，下位机状态监测子线程，对初始化的全局变量i进行累加，每加完一次，将其赋给发送子线程，发送至上位机，延时一定时间后，对全局变量i进行判断，如果大于1000，则将其置零，否则继续对其进行循环累加。上位机接收子线程接收下位机数据，将数据的中全局变量i的值赋给上位机监测子线程中的局部变量S2，S2的值赋再给局部变量S1，再将下一次接收到的全局变量i的值赋给S2，然后对S1和S2进行大小比较，若是相等，则表明下位机已关机，否则，下位机未关机。
如图15所示，首先对下位机进行上电、机器人下水，然后运行上位机程序，上位机发送推进器供电指令，至此水下机器人所有系统均处于可以工作状态，上位机发送推进器控制指令使水下机器人完成预定动作，在此过程中，下位机各个传感器将采集到的数据发送至上位机。最后，完成实验后，上位机发送推进器断电指令，接着发送下位机关机指令，至此下位机所有系统均处于断电状态，实验结束。
使用本发明时，工作过程如下：
将旋扭开关顺时针旋转，给系统供电，水下机器人开始下水各传感器开始返回数据；
在PC端运行上位机程序，使得上下位机实现通讯，上位机发送推进器供电指令，经RS232通讯传输至下位机，下位机中的PC104组件中的ART2010根据接收到的指令，发出高电平信号给推进器电源继电器信号端，使得推进器电源继电器吸合，推进器得以供电。上位机发送推进器控制指令，经RS232通讯传输至下位机，下位机中的PC104组件中的ART2004根据接收到的指令，输出相应的模拟信号到A-PWM模块，A-PWM根据接收到的模拟信号将其转换为PWM信号并传输至驱动器，驱动推进器按照预设推动水下机器人运动；
水下机器人运动时，投入式深度计开始采集数据，并不断返回电流数据，电流经过电阻转换为相应的电压，PC104组件中的ART2010模拟电压输入信号采集电阻两端的电压，采集得到的电压信号经过相应的格式转换经由RS232串口通讯的方式传输至上位机，上位机对接收到的数据进行解算，最后得到深度数据，进行显示保存；
水下机器人运动时，分体式深度计15也开始采集数据，不断返回电压数据，PC104组件中的ART2010模拟电压输入信号采集电压信号，转换数据格式后经由RS232串口通讯方式传输至上位机，上位机对接收到的数据进行解算，最后得到深度数据，进行显示保存；
水下机器人运动时，整体式深度计16开始采集数据，不断返回数据，返回的数据经由IIC转串口模块转换为串口可以接收的数据，返回至PC104串口，在下位机进行相关解算，解算后进行数据转换，经由RS232串口通讯的方式传输至上位机，上位机进行格式转换后，进行显示保存；
水下机器人运动时，电子罗盘37开始采集数据，不断的将机器人的艏向角度，横滚角度以及俯仰角度数据通过PC104组件上的串口返回至下位机，下位机对返回数据进行解算，转换格式后经由RS232串口通讯方式传输至上位机，上位机进行格式转换后，进行显示保存；
水下机器人运动时，倾角仪36开始采集数据，不断将机器人的艏向角度、横滚角度以及俯仰角度数据经TTL转RS232模块返回通过PC104组件上的串口返回至下位机，下位机对返回数据进行解算，转换格式后经由RS232串口通讯方式传输至上位机，上位机进行格式转换后，进行显示保存；
水下机器人收回工作，完成水下预设实验后，收回水下机器人；
上位机发送推进器断电指令经由RS232通讯方式传输至下位机，下位机中的PC104组件中的ART2010根据接收到的指令，输出相应的数字信号到推进器电源继电器信号输入端，使得推进器电源继电器断开，推进器断电。上位机发送下位机关机指令经由RS232通讯方式传输至下位机，下位机主控制器根据上位机指令开始执行关机程序；在下位机关机过程中，上位机中的关机监测子线程实时监测下位机发送来的数据，并将接收到的数据显示在上位机界面上，当关机监测子线程监测的数据不再变化时，说明下位机已经完成关机，此时，将机器人捞出水面，逆时针旋转机器人上的旋钮开关，切断主控器电源继电器，使得主控电源继电器断开，切断控制系统供电，至此整个实验完成。
Claims (5)
1.一种带有断电保护的微小型水下机器人，其特征在于，包括密封舱(6)，所述密封舱(6)前端可拆卸设置有摄影云台罩(1)，所述密封舱(6)前后均设置有垂向推进器，所述密封舱后端设置有水平推进器，所述密封舱端盖上设置有机器人状态检测传感器，所述垂向推进器、水平推进器和机器人状态检测传感器均信号连接主控器，所述垂向推进器、水平推进器和主控器均设置有电源继电器。
2.根据权利要求1所述的带有断电保护的微小型水下机器人，其特征在于，所述垂向推进器为三个，其中，在密封舱前端左右各设置一个，在密封舱后端设置一个。
3.根据权利要求1所述的带有断电保护的微小型水下机器人，其特征在于，所述机器人状态检测传感器包括投入式深度计、分体式深度计(15)、整体式深度计(16)、电子罗盘(37)和倾角仪(36)。
4.根据权利要求1所述的带有断电保护的微小型水下机器人，其特征在于，所述主控器与上位机通过RS232串口线连接。
5.如权利要求1-4任一项所述的带有断电保护的微小型水下机器人的断电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)上位机发送推进器断电指令给下位机主控器，下位机主控器根据指令控制推进器电源继电器断开，推进器断电；
(2)上位机发送关机指令给下位机中的主控制器，下位机主控制器根据上位机指令开始执行关机程序；
(3)在下位机关机过程中，上位机中的关机监测子线程实时监测下位机发送来的数据，并将接收到的数据显示在上位机界面上，下位机完成关机后，切断主控器电源继电器，使得主控电源继电器断开，切断控制系统供电。
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