CN111290343A - 水下机器人舱内总线式电气控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人舱内总线式电气控制系统及方法，包括若干个通讯节点装置，通讯节点装置包括微处理器电路板和与其分别连接的通讯单元、供电单元、开关控制单元及反馈检测单元。通讯单元与受控设备和自动驾驶单元通讯，开关控制单元控制受控设备的电源。反馈检测单元检测受控设备的电压、电流。方法为主控电路板接收自驾单元的控制指令并上传反馈信息，开关控制单元进行各路继电器的开关状态切换，反馈检测单元通过检测继电器电源与受控设备连接端的电压判断继电器是否正确切换，通过检测电流判断设备电流大小是否位于正常区间内。本发明体积小巧，布置灵活，能够大大简化水下机器人舱内电路，扩展水下机器人对外围设备的搭载能力。

Description

水下机器人舱内总线式电气控制系统及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人舱内设备通讯领域，具体地说是水下机器人舱内设备控制、通讯、电压及电流监测系统及方法。

背景技术

水下机器人需要在各个舱段内搭载各种电子设备，并对其进行通讯、控制及电压电流检测。一般情况下水下机器人由自驾提供对所搭载的设备的供电与通讯接口，包括对这些设备的开关控制。但自驾所能提供的接口资源有限，无法满足随时搭载各种设备的要求，且无法监测各个设备的电压、电流状态，且现有的各种设备均为与自驾直连，导致水下机器人舱内线缆数量大、结构复杂。本发明旨在能够扩展水下机器人的设备接口资源、简化线缆结构，以及进行各个设备的电压、电流状态监测以及协助进行故障排查。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种水下机器人舱内总线式电气控制系统及方法，本发明的通讯节点装置体积小巧，布置灵活，能够大大简化水下机器人舱内电路，扩展水下机器人对外围设备的搭载能力。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：水下机器人舱内总线式电气控制系统，包括若干个通讯节点装置，之间通过交换机连接构成通讯网络，所述通讯节点装置包括主控电路板和与其分别连接的通讯单元、反馈检测单元、供电单元、开关控制单元，开关控制单元还分别连接受控设备、供电单元，反馈检测单元还连接主控电路板；主控电路板接收上位机的控制指令，通过开关控制单元控制受控设备的电源开关，通过通讯单元输出控制信号给受控设备以及接收受控设备上传的数据，通过反馈检测单元检测受控设备反馈的电压和电流信号，将接收的数据和信号通过通讯单元发送给上位机；供电单元给主控电路板、反馈检测单元、通讯单元和受控设备提供电源。

所述开关控制单元包括多个继电器，分别连接各个受控设备，根据主控电路板的控制信号对受控设备进行电源开关控制。

所述反馈检测单元包括电压检测电路和电流检测电路；

电压检测电路包括第一分压电阻、第二分压电阻，串联后接于受控设备的两端，用于对受控设备两端的电压进行实时监测；

电流检测电路通过电流检测电阻串接于供电单元-开关控制单元-受控设备的回路中，用于对供电单元经继电器对受控设备输出的电流进行实时监测。

所述通讯单元包括以太网接口、RS422总线接口、RS232串行接口；

以太网接口包括RJ45网络接口连接器、网络变压器、网络通讯协议控制器，用于与上位机的自动驾驶单元通讯；

RS422总线接口用于与自动驾驶单元进行通讯；

多个RS232串行接口用于与受控设备进行通讯。

所述主控电路板包括：

差分放大电路，通过内部的运算放大器对电流检测电阻两端电压信号进行放大输出至微控制器；

电压跟随电路，对电压检测电阻输出的电压信号进行隔离输出至微控制器；

微控制器，输出对继电器组的控制信号，接收电压检测信号与电流检测信号并进行模数转换和卡尔曼滤波处理以及对受控设备是否故障进行判断，将数据以及判断结果上传至自动驾驶单元并保存；

电源自检电路，连接供电单元和微控制器，用于通过内部集成运放配合微控制器的一路AD转换通道进行电量自检。

所述主控电路板设置外接SD存储卡接口，用于将采集的数据备份在SD存储卡中。

所述该通讯节点装置通过磁铁进行吸附固定在表面形状不规则的水下机器人舱内壁上，并采用接地金属屏蔽隔板屏蔽磁铁对电路的干扰。

水下机器人舱内总线式电气控制方法，包括以下步骤：主控电路板接收上位机自动驾驶单元下发指令并转换成受控设备状态监测指令和受控设备的控制指令，并分别执行受控设备状态监测和受控设备的控制。

所述主控电路板执行受控设备状态监测包括：

主控电路板根据上位机指令进行相应受控设备通路的继电器的开关动作；对接收的电压和电流信号进行隔离、放大处理和卡尔曼滤波处理；计算指令执行时间内的电压、电流时间平均值并与预设阈值比较，从而进行设备连接是否正常的状态判断；将电压、电流数据以及判断结果上传至自动驾驶单元并保存为黑盒数据；

所述主控电路板执行受控设备的控制包括：

通过RS232串行接口与各个受控设备通讯，对连接于各个RS232受控设备进行编址，在微处理中将自动驾驶单元下发的通讯指令转发至各个受控设备，将各个受控设备上传的数据上传至自动驾驶单元。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.通讯节点装置体积小巧，独立供电，吸附式固定，布置灵活。

2.采用总线式电气结构，可节约水下机器人舱内走线空间。

3.扩展接口丰富，大大增强水下机器人对各种设备的搭载能力。

4.具有电压、电流检测与状态判断功能，因此具备一定程度的故障排查能力。

附图说明

图1为本发明的控制系统结框构图；

图2为本发明的通讯节点装置结框构图；

图3为本发明的电压、电流检测电路。

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。

如图1所示，水下机器人舱内总线式电气控制系统，包括若干个通讯节点装置，之间通过交换机连接构成通讯网络，通讯节点装置接收上位机的自驾单元的控制指令控制受控设备执行任务、监测受控设备的运行状态。

如图2所示，水下机器人舱内通讯节点装置，包括：主控电路板和与其分别连接的检测单元、通讯单元、供电单元、控制单元。

检测单元设置在水下机器人舱内，连接主控电路板。检测单元包括：电压检测电阻、电流检测电阻。

以电压检测电阻检测继电器连接受控设备端的电压，从而能够获知对受控设备的供电是否正常输出。

以电流检测电阻检测线缆电流，从而能够获知受控设备的工作电流是否正常。

以继电器组实现对受控设备的开关控制。

以RS232与受控设备进行通讯，以RS422和以太网与自驾通讯。RS232接口包括接口连接器(航空插头)、232电平转换器，RS422总线接口包括接口连接器(航空插头)、422电平转换器。

主控电路板控制继电器组实现对受控设备的开关控制，检测单元实时监测受控设备的电压、电流信号并通过通讯单元上传给自驾。主控电路板包括：差分放大电路、电压跟随电路、微控制器、电源自检电路。

差分放大电路，采用差分放大电路对电流检测电阻输出的模拟电流信号进行了放大，提高了信号的可分辨性、并解决了零点漂移问题、使测量更加精确。差分放大电路型号为ad8624集成运放。

电压跟随电路，将电压检测电阻输出的电压信号进行隔离。电压跟随电路为ad8220集成运放。

以ARM微控制器作为核心处理器，使系统的成本低廉、性能稳定。并能够进行简单的数据处理与状态判断，包括通过卡尔曼滤波进行数据噪声抑制，以及对电压、电流是否正在上升或下降、是否上升或下降过快、是否处于正常区间内等状态进行判断，并能够根据设置进行相应的应急处理。主要功能为接收通讯单元传来的自驾指令、并对指令进行解析与执行。控制继电器组以对受控设备进行开关控制，通过检测单元对各个受控设备进行状态检测。对受控设备进行编址，并根据地址转发自驾欲传至各个受控设备的指令，将各个受控设备上传的数据进行地址标注并上传至自驾。对接收的电压和电流信号进行模数转换和卡尔曼滤波处理，采用10位量化级模数转换器，分辨率可达1/1024。微控制器采用STM32F103ZET6。

微控制器，输出对继电器组的控制信号，接收电压检测信号与电流检测信号，对接收的电压检测信号和电流检测信号进行模数转换和卡尔曼滤波处理以及时间平均值统计，并综合自驾下发的开关指令，对受控设备开启瞬间前后的电流平均值的阶跃幅度进行自学习，并根据自学习结果对受控设备电流是否位于正常区间内、电路是否存在连接故障进行判断，将数据以及判断结论上传至自动驾驶单元并保存为本地黑盒数据。

电源自检电路，连接供电单元和ARM微控制器，采用微控制器的一路AD转换通道配合集成运放进行电量自检。

所述主控电路板还搭载了SD卡，可设置将所监测到的数据备份存储于SD卡中，避免与上位机通信受阻时数据丢失。

所述通讯单元为以太网与RS422接口，分别用以进行高速与低速数据传输。

供电单元给主控电路板、检测单元和通讯单元提供电源。供电单元包括由主电池引出的供电电缆及保险管，用于为受控设备供电、以及锂电池，用于为通讯节点装置供电。

本监视装置通过磁铁进行吸附固定，并采用接地(与水下机器人舱体的金属内壁相接触)金属屏蔽隔板屏蔽了磁铁对电路的干扰，从而使装置能够布设于表面形状不规则的水下机器人内壁上。

如图3所示，电压检测电路和电流检测电路。电压检测电路(为一组总阻值为10兆欧姆的精确分压电阻)，包括第一分压电阻、第二分压电阻，串联后接于受控设备的两端，用于对受控设备两端的电压进行实时监测；电流检测电路通过将电流检测电阻(为一组阻值1欧姆的电阻)串接于供电单元-开关控制单元-受控设备的回路中，用于对供电单元经继电器对受控设备输出的电流进行实时监测。

所述主控电路通过内部的运算放大器构成的差分放大电路对电流检测电阻两端电压信号进行放大输出至微控制器，通过电压跟随电器对电压检测电阻输出的电压信号进行隔离输出至微控制器，微控制器接收电压检测信号与电流检测信号并进行模数转换和卡尔曼滤波处理以及对受控设备是否故障进行判断，将数据以及判断结果上传至自动驾驶单元并保存。

水下机器人舱内总线式电气控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过在水下机器人的各个舱段内布置通讯节点装置及以太网-422综合通讯的通讯形式实现总线式结构，该结构以自动驾驶单元作为主控制单元，以各个通讯节点装置作为从控制单元挂接于总线上。

步骤2：主控电路板对接收到的自动驾驶单元下发指令进行解析、并根据指令进行相应继电器的开关动作。对接收的电压和电流信号进行隔离、放大处理和卡尔曼滤波处理，根据指令执行前后统计的电压、电流时间平均值进行设备连接是否正常的状态判断，将电压、电流数据以及判断结果上传与保存。

步骤3：通过RS232串行接口与各个受控设备通讯，对连接于各个RS232受控设备进行编址，在微处理中将自动驾驶单元下发的通讯指令转发至各个受控设备，将各个受控设备上传的数据上传至自动驾驶单元。

Claims (10)

1.水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于包括若干个通讯节点装置，之间通过交换机连接构成通讯网络，所述通讯节点装置包括主控电路板和与其分别连接的通讯单元、反馈检测单元、供电单元、开关控制单元，开关控制单元还分别连接受控设备、供电单元，反馈检测单元还连接主控电路板；主控电路板接收上位机的控制指令，通过开关控制单元控制受控设备的电源开关，通过通讯单元输出控制信号给受控设备以及接收受控设备上传的数据，通过反馈检测单元检测受控设备反馈的电压和电流信号，将接收的数据和信号通过通讯单元发送给上位机；供电单元给主控电路板、反馈检测单元、通讯单元和受控设备提供电源。

2.根据权利要求1所述的水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于所述开关控制单元包括多个继电器，分别连接各个受控设备，根据主控电路板的控制信号对受控设备进行电源开关控制。

3.根据权利要求1所述的水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于所述反馈检测单元包括电压检测电路和电流检测电路；

电压检测电路包括第一分压电阻、第二分压电阻，串联后接于受控设备的两端，用于对受控设备两端的电压进行实时监测；

电流检测电路通过电流检测电阻串接于供电单元-开关控制单元-受控设备的回路中，用于对供电单元经继电器对受控设备输出的电流进行实时监测。

4.根据权利要求1所述的水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于所述通讯单元包括以太网接口、RS422总线接口、RS232串行接口；

以太网接口包括RJ45网络接口连接器、网络变压器、网络通讯协议控制器，用于与上位机的自动驾驶单元通讯；

RS422总线接口用于与自动驾驶单元进行通讯；

多个RS232串行接口用于与受控设备进行通讯。

5.根据权利要求1所述的水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于所述主控电路板包括：

差分放大电路，通过内部的运算放大器对电流检测电阻两端电压信号进行放大输出至微控制器；

电压跟随电路，对电压检测电阻输出的电压信号进行隔离输出至微控制器；

微控制器，输出对继电器组的控制信号，接收电压检测信号与电流检测信号并进行模数转换和卡尔曼滤波处理以及对受控设备是否故障进行判断，将数据以及判断结果上传至自动驾驶单元并保存；

电源自检电路，连接供电单元和微控制器，用于通过内部集成运放配合微控制器的一路AD转换通道进行电量自检。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于所述主控电路板设置外接SD存储卡接口，用于将采集的数据备份在SD存储卡中。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的水下机器人舱内总线式电气控制系统，其特征在于所述该通讯节点装置通过磁铁进行吸附固定在表面形状不规则的水下机器人舱内壁上，并采用接地金属屏蔽隔板屏蔽磁铁对电路的干扰。

8.水下机器人舱内总线式电气控制方法，其特征在于包括以下步骤：主控电路板接收上位机自动驾驶单元下发指令并转换成受控设备状态监测指令和受控设备的控制指令，并分别执行受控设备状态监测和受控设备的控制。

9.根据权利要求8所述的水下机器人舱内总线式电气控制方法，其特征在于所述主控电路板执行受控设备状态监测包括：

主控电路板根据上位机指令进行相应受控设备通路的继电器的开关动作；对接收的电压和电流信号进行隔离、放大处理和卡尔曼滤波处理；计算指令执行时间内的电压、电流时间平均值并与预设阈值比较，从而进行设备连接是否正常的状态判断；将电压、电流数据以及判断结果上传至自动驾驶单元并保存为黑盒数据。

10.根据权利要求8所述的水下机器人舱内总线式电气控制方法，其特征在于所述主控电路板执行受控设备的控制包括：

通过RS232串行接口与各个受控设备通讯，对连接于各个RS232受控设备进行编址，在微处理中将自动驾驶单元下发的通讯指令转发至各个受控设备，将各个受控设备上传的数据上传至自动驾驶单元。

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