CN111061184A - 一种水下微型机器人喷射驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：该系统包括单片机控制器、喷射泵驱动芯片、喷射泵、通信接口、锂电池、磁电开关和电源转换模块；本发明具体效果及优点如下：本发明设计的微型机器人喷射泵驱动系统，具有完善的电能管理、喷射泵驱动、串口通信等功能，可直接应用于水下微型机器人，有利于缩小水下机器人的体积。本发明设计的喷射泵驱动系统可实时检测喷射泵的工作状态及输出电流，具有可靠性高的特点。本发明设计的喷射泵驱动系统可应用于其它喷射泵驱动领域。

Description

一种水下微型机器人喷射驱动系统

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体的说是一种水下微型机器人喷射驱动系统。

背景技术

随着科技的进步与发展，海洋科学的研究越来越受到我国海洋学家的重视，其中，水下机器人是海洋资源勘探、科学研究的重要技术手段，机器人可代替人类执行海洋环境勘测、开发相关的任务，越来越受到海洋科学研究领域的重视。

常用的水下机器人驱动方式主要有螺旋桨驱动、舵驱动及混合驱动等方式。采用螺旋桨驱动的水下机器人，为防止螺旋桨工作过成中被其他物体缠绕，一般将螺旋桨设计在机器人内部，此时需要为螺旋桨设计槽道，因此螺旋桨驱动方式不适用于微型水下机器人的设计中。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种水下微型机器人喷射驱动系统，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：该系统包括单片机控制器、喷射泵驱动芯片、喷射泵、通信接口、锂电池、磁电开关和电源转换模块；

锂电池连接磁电开关，磁电开关连接电源转换模块，电源转换模块连接通信接口、单片机控制器、喷射泵驱动芯片和喷射泵；

单片机控制器连接通信接口和喷射泵驱动芯片；

喷射泵驱动芯片连接喷射泵。

所述单片机控制器、喷射泵驱动芯片、通信接口、磁电开关、电源转换模块集成在PCB电路板。

PCB电路板采用四层板设计。

在水下微型机器人的水平方向矢量布置4路喷射泵，垂直方向布置2路喷射泵。

一种基于权利要求1所述的水下微型机器人喷射驱动系统所实施的水下微型机器人喷射驱动方法，所述控制方法如下：

(1)首先，通过磁电开关使系统上电；

(2)驱动系统上电后，单片机内部程序开始执行，进行通信端口初始化、中断初始化、喷射泵控制初始化；

(3)当串口RS485有数据到来时，单片机进入串口中断程序，接收数据起始位，对数据的起始位进行判断，如果起始位接收正确，进入数据接收循环程序，根据接收的字节数判断数据是否接收完毕；数据接收完毕后返回主程序；

(4)对接收的数据进行校验和验证，通过校验后，根据协议解析数据，单片机产生PWM控制信号，并将控制信号输出到对应的控制端口；

(5)驱动芯片接收到控制端口的控制信号后，产生驱动电压，从而控制喷射泵旋转速度，实现机器人运动方向与速度的控制；

(6)单片机进入定时中断服务程序，单片机采集驱动芯片ALERT的端口电压，当电压等于5V时，驱动芯片工作于保护模式，关闭喷射泵，当电压为不等于5V时，驱动芯片工作于正常模式，采集RSA端口的电压，计算出驱动芯片输出电流，如果大于设置的阈值，驱动芯片工作异常，关闭喷射泵；单片机通过串口发送喷射泵实时的工作状态，数据发送完毕后返回主程序；

(7)驱动系统关闭时，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器复位线圈上电，继电器触点开关断开，驱动系统断电

优点效果：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种体积小、功耗低、集成度高的水下微型机器人喷射驱动系统，可有效缩小机器人的体积，使机器人具备在狭窄空间内部完成观测任务的能力。

本发明主要包括：低功耗单片机控制器、喷射泵驱动芯片、喷射泵、RS485通信接口、锂电池、磁电开关、电源转换模块。所述低功耗单片机控制器、喷射泵驱动芯片、通信接口、磁电开关、电源转换模块集成在PCB电路板。所述PCB电路板采用四层板设计，集成度高，体积小。所述单片机控制器接收控制端发送的控制指令，解析指令，根据控制指令产生PWM控制信号。所述喷射泵驱动芯片根据接收的PWM信号产生控制电压，驱动喷射泵。所述驱动系统集成了6路喷射泵驱动芯片，单片机控制器通过I/O口与喷射泵驱动芯片连接。所述驱动芯片与单片机连接的端口有PWM、RSA、ALERT，单片机通过PWM端口控制驱动芯片输出的电压，通过RSA端口实时检测驱动芯片的输出电流，通过ALERT端口实时检测驱动芯片的工作状态。所述喷射驱动系统可在水平方向矢量布置4路喷射泵，垂直方向布置2路喷射泵，使机器人具备前进、后退、侧移、旋转、升沉运动的能力。所述RS485通信接口实现单片机控制器与远程控制端的通信，单片机通过TTL接口与RS485转换芯片连接。所述锂电池为驱动系统用电设备提供电能。所述锂电池输出端口连接了磁电开关，磁电开关由继电器、干簧管、电阻组成，磁电开关使机器人用户可通过磁铁控制锂电池电能输出端口的打开和关闭。所述继电器选用双线圈磁保持继电器。所述电源转换模块由芯片LM2576-5、LM1117-3.3组成，LM2576-5将锂电池输出的12VDC转换为5VDC，LM1117-3.35VDC转换为3.3VDC。

所述控制程序集成在低功耗单片机控制器中，控制流程如下：

(1)首先，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器置位线圈上电，继电器触点开关闭合，驱动系统上电。

(2)驱动系统上电后，单片机内部程序开始执行，进行通信端口初始化、中断初始化、喷射泵控制初始化。

(3)当串口RS485有数据到来时，单片机进入串口中断程序，接收数据起始位，对数据的起始位进行判断，如果起始位接收正确，进入数据接收循环程序，根据接收的字节数判断数据是否接收完毕。数据接收完毕后返回主程序。

(4)对接收的数据进行校验和验证，通过校验后，根据协议解析数据，单片机产生PWM控制信号，并将控制信号输出到对应的控制端口。

(5)驱动芯片接收到控制信号后，产生驱动电压，从而控制喷射泵旋转速度，实现机器人运动方向与速度的控制。

(6)单片机进入定时中断服务程序，单片机采集驱动芯片采集驱动芯片ALERT的端口电压，当电压等于5V时，驱动芯片工作于保护模式，关闭喷射泵，当电压为不等于5V时，驱动芯片工作于正常模式，采集RSA端口的电压，计算出驱动芯片输出电流，如果大于设置的阈值，驱动芯片工作异常，关闭喷射泵。单片机通过串口发送喷射泵实时的工作状态，数据发送完毕后返回主程序。

(7)驱动系统关闭时，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器复位线圈上电，继电器触点开关断开，驱动系统断电。

本发明具体效果及优点如下：

1.本发明设计的微型机器人喷射泵驱动系统，具有完善的电能管理、喷射泵驱动、串口通信等功能，可直接应用于水下微型机器人，有利于缩小水下机器人的体积。

2.本发明设计的喷射泵驱动系统可实时检测喷射泵的工作状态及输出电流，具有可靠性高的特点。

3.本发明设计的喷射泵驱动系统可应用于其它喷射泵驱动领域。

附图说明：

图1喷射驱动系统总结结构

图2单片机最下系统

图3喷射泵驱动电路

图4RX485通信接口

图5磁电开关原理图

图6电源转换模块原理图

图7喷射驱动系统软件流程图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：该系统包括低功耗单片机控制器、喷射泵驱动芯片、喷射泵、RS485通信接口、锂电池、磁电开关和电源转换模块；

锂电池连接磁电开关，磁电开关连接电源转换模块，电源转换模块连接通信接口、单片机控制器、喷射泵驱动芯片(电机驱动芯片)和喷射泵；

单片机控制器连接通信接口和喷射泵驱动芯片；

喷射泵驱动芯片连接喷射泵。

所述低功耗单片机控制器、喷射泵驱动芯片、通信接口、磁电开关、电源转换模块集成在PCB电路板。

PCB电路板采用四层板设计，集成度高，体积小。

在水下微型机器人的水平方向矢量布置4路喷射泵(两路为向前推动，两路为向后推动)，垂直方向布置2路喷射泵(一路向上推动，一路向下推动)。使机器人具备前进、后退、侧移、旋转、升沉运动的能力。

一种基于权利要求1所述的水下微型机器人喷射驱动系统所实施的水下微型机器人喷射驱动方法，所述控制方法如下：

(1)首先，通过磁电开关使系统上电；

用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器置位线圈上电，继电器触点开关闭合，驱动系统上电；

(2)驱动系统上电后，单片机内部程序开始执行，进行通信端口初始化、中断初始化、喷射泵控制初始化；

(3)当串口RS485(通信接口)有数据到来时，单片机进入串口中断程序，接收数据起始位，对数据的起始位进行判断，如果起始位接收正确，进入数据接收循环程序，根据接收的字节数判断数据是否接收完毕；数据接收完毕后返回主程序；

(4)对接收的数据进行校验和验证，通过校验后，根据协议解析数据，单片机产生PWM控制信号，并将控制信号输出到对应的控制端口；

(5)驱动芯片接收到控制端口的控制信号后，产生驱动电压，从而控制喷射泵旋转速度，实现机器人运动方向与速度的控制；

(6)单片机进入定时中断服务程序，单片机采集驱动芯片ALERT的端口电压，当电压等于5V时，驱动芯片工作于保护模式，关闭喷射泵，当电压为不等于5V时，驱动芯片工作于正常模式，采集RSA端口的电压，计算出驱动芯片输出电流，如果大于设置的阈值，驱动芯片工作异常，关闭喷射泵；单片机通过串口(通信接口)发送喷射泵实时的工作状态，数据发送完毕后返回主程序；

(7)驱动系统关闭时，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器复位线圈上电，继电器触点开关断开，驱动系统断电。

下面结合附图做进一步详细说明：

喷射驱动系统总体结构如图1所示，水下微型机器人喷射驱动系统，包括低功耗单片机控制器、喷射泵驱动芯片、喷射泵、RS485通信接口、锂电池、磁电开关、电源转换模块。

低功耗单片机控制器采用TI公司的MSP430F247单片机，该单片机具有48个I/O口，可扩展出2路通信接口和6路电机驱动芯片接口。单片机最小系统如图2所示，包括单片机芯片、外部晶振、JTAG调试端口。

喷射泵驱动芯片采用东芝公司的TB6559FG芯片，最大驱动电流可达到2.5A，驱动电路原理图如图3所示，单片机P4.1端口连接TB6559FG的PWM功能端口，单片机P2.1端口连接TB6559FG的ALERT功能端口。单片机通过P4.1输出PWM信号控制TB6559FG芯片的输出电压，通过P2.1端口监测芯片TB6559FG的工作状态。喷射泵通过端口J1连接驱动芯片。机器人喷射驱动系统集成了6路TB6559FG芯片，可驱动6路喷射泵。

RS485通信接口采用MAX485通信芯片，该芯片将单片机输出的TTL电平转换为485电平，实现与控制端的通信。RS485通信接口原理图如图4所示，单片机TTL引脚P3.4、P3.5分别连接MAX485芯片的DI端口、RO端口，单片机P2.7端口连接MAX485芯片的RE和DE端口，控制MAX485芯片输入输出。

锂电池采用RYDBATT锂电池，容量7.8Ah，最大放电电流9A，电池集成了过电流、过电压保护电路。磁电开关原理图如图5所示，磁电开关由干簧管、继电器、电阻组成，继电器采用欧姆龙公司的G6CK2117P，该继电器为双刀双掷、自锁继电器。当磁铁靠近闭合干簧管GHG1时，干簧管闭合，继电器12V-S引脚高电平，继电器开关闭合，驱动系统上电。当磁铁靠近闭合干簧管GHG2时，干簧管闭合，继电器12V-R引脚高电平，继电器开关断开，驱动系统断电。

电源转换模块原理图如图6所示，采用TI公司的芯片LM2576-5、LM1117-3.3，LM2576-5将锂电池输出的12VDC转换为5VDC为LM1117和MAX485等芯片供电，LM1117-3.3将5VDC转换为3.3VDC为单片机供电。

水下机器人喷射驱动系统操作流程图如图7：

(1)首先，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器置位线圈上电，继电器触点开关闭合，驱动系统上电。

(2)驱动系统上电后，单片机内部程序开始执行，进行通信端口初始化、中断初始化、喷射泵控制初始化。

(3)当串口RS485有数据到来时，单片机进入串口中断程序，接收数据起始位，对数据的起始位进行判断，如果起始位接收正确，进入数据接收循环程序，根据接收的字节数判断数据是否接收完毕。数据接收完毕后返回主程序。

(4)对接收的数据进行校验和验证，通过校验后，根据协议解析数据，单片机产生PWM控制信号，并将控制信号输出到对应的控制端口。

(5)驱动芯片接收到控制信号后，产生驱动电压，从而控制喷射泵旋转速度，实现机器人运动方向与速度的控制。

(6)单片机进入定时中断服务程序，单片机采集驱动芯片采集驱动芯片ALERT的端口电压，当电压等于5V时，驱动芯片工作于保护模式，关闭喷射泵，当电压为不等于5V时，驱动芯片工作于正常模式，采集RSA端口的电压，计算出驱动芯片输出电流，如果大于设置的阈值，驱动芯片工作异常，关闭喷射泵。单片机通过串口发送喷射泵实时的工作状态，数据发送完毕后返回主程序。

(8)驱动系统关闭时，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器复位线圈上电，继电器触点开关断开，驱动系统断电。

Claims (5)

1.一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：该系统包括单片机控制器、喷射泵驱动芯片、喷射泵、通信接口、锂电池、磁电开关和电源转换模块；

锂电池连接磁电开关，磁电开关连接电源转换模块，电源转换模块连接通信接口、单片机控制器、喷射泵驱动芯片和喷射泵；

单片机控制器连接通信接口和喷射泵驱动芯片；

喷射泵驱动芯片连接喷射泵。

2.根据权利要求1所述的一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：所述单片机控制器、喷射泵驱动芯片、通信接口、磁电开关、电源转换模块集成在PCB电路板。

3.根据权利要求1所述的一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：PCB电路板采用四层板设计。

4.根据权利要求1所述的一种水下微型机器人喷射驱动系统，其特征在于：在水下微型机器人的水平方向矢量布置4路喷射泵，垂直方向布置2路喷射泵。

5.一种基于权利要求1所述的水下微型机器人喷射驱动系统所实施的水下微型机器人喷射驱动方法，其特征在于：

所述控制方法如下：

(1)首先，通过磁电开关使系统上电；

(2)驱动系统上电后，单片机内部程序开始执行，进行通信端口初始化、中断初始化、喷射泵控制初始化；

(3)当串口RS485有数据到来时，单片机进入串口中断程序，接收数据起始位，对数据的起始位进行判断，如果起始位接收正确，进入数据接收循环程序，根据接收的字节数判断数据是否接收完毕；数据接收完毕后返回主程序；

(4)对接收的数据进行校验和验证，通过校验后，根据协议解析数据，单片机产生PWM控制信号，并将控制信号输出到对应的控制端口；

(5)驱动芯片接收到控制端口的控制信号后，产生驱动电压，从而控制喷射泵旋转速度，实现机器人运动方向与速度的控制；

(6)单片机进入定时中断服务程序，单片机采集驱动芯片ALERT的端口电压，当电压等于5V时，驱动芯片工作于保护模式，关闭喷射泵，当电压为不等于5V时，驱动芯片工作于正常模式，采集RSA端口的电压，计算出驱动芯片输出电流，如果大于设置的阈值，驱动芯片工作异常，关闭喷射泵；单片机通过串口发送喷射泵实时的工作状态，数据发送完毕后返回主程序；

(7)驱动系统关闭时，用磁铁靠近干簧管，干簧管闭合，继电器复位线圈上电，继电器触点开关断开，驱动系统断电。

Images