水下机器人控制技术 PPT课件 第三章 水下检测机器人ROV控制系统硬件设计.pptx
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第三章水下检测机器人ROV控制系统硬件设计,目录水下检测机器人ROV控制系统结构和原理水下检测机器人ROV水面控制系统设计水下检测机器人ROV水下控制系统设计本章小结,3.1水下检测机器人ROV控制系统结构和原理,水下安全检测机器人的控制系统主要由两部分组成:
水面控制系统水下控制系统,3.1水下检测机器人ROV控制系统结构和原理,水面控制系统包括电源柜和水面控制箱。
电源柜为水面控制箱和水下控制系统提供电力输送,保证系统拥有源源不断的能源;电源柜中放置光电转换器,将脐带缆的光通信信号转化为电信号,通过通信接口连接水面控制箱,实现数据交互。
水面控制箱是完成人与机器人交互的重要工具,操作员通过水面控制箱实现对ROV本体的控制及监测。
水下控制系统是机器人的核心,主要有两块控制板构成;水下控制系统接收水面控制系统的控制指令,完成相应的运动,并将各个传感器采集的信息通过网络通信的方式上传至水面控制箱。
两块控制板的外围电路模块包括电源模块、电机控制模块、惯性导航模块、深度计模块、漏水检测模块等多种传感器模块。
3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,水面控制箱由工控机、显示器、ARM控制板、开关电源、操纵摇杆、电位器、按键开关及指示灯等设备元件组成。
考虑水面控制台所需的功率大小,选择功率为150W的开关电源,稳定输出24V、12V和5V分别给工控机、显示器、ARM控制板和有源HDMI分配器等供电。
3.2.1水面控制台设计,水面控制箱结构组成如图所示,通过ARM控制板的AD模块、GPIO模块来采集控制面板上的电位器、摇杆及开关信号,将其转换为数字信号后,通过RS232将数据发送至工控机,工控机接收到指令后,通过上位机软件将其在显示器上显示;并且工控机的网络接口接收到数据经上位机处理也会通过RS232通信的方式反馈给ARM主控板,从而实现指示灯的报警作用。
3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,3.2.1水面控制台设计,3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,3.2.1水面控制台设计
(1)控制面板设计根据水下安全检测机器人的设计要求,控制台面板需要以下模块:
接口模块:
交流电源输入接口、两路USB接口、两路HDMI接口、网络通信接口、声呐输入接口(便于后期扩展);报警模块:
漏水故障、电源故障、通信故障、电机电压故障、电机电流故障及报警解除按键;机器人姿态控制模块:
左侧霍尔摇杆(控制ROV直航、横移运动);右侧霍尔摇杆(控制ROV上浮、左横滚、右横滚及左右转艏运动);电位器及开关:
云台上下控制、云台旋转控制、调焦控制、水下灯控制;定航、定深开关;视频录制、拍照开关等;电源开关及急停按钮。
3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,
(1)控制面板设计,3.2.1水面控制台设计,控制面板,ARM控制板部分实物图,ARM控制板与工控机之间采用RS232通信方式,使用美信公司的MAX232转换芯片,将其转化为RS232串口信号直接与工控机的DP接口相连。
3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,3.2.1水面控制台设计
(2)工控机选型水面控制台配备VR眼镜,需要扩展HDMI接口,VR眼镜对工控机的配置需求较高,因此工控机最终采用研华科技有限公司推出的高配置工业电脑UNO-2184G,它采用无风扇散热设计模式,可安装各种操作系统,如图所示。
拥有多达四个串行接口,其中有两路专用RS232通信,满足控制面板信号采集与工控机的通信。
拥有四个Intel10/100/1000M网络接口,满足上位机与下位的网络通信。
拥有6路USB端口,可安装USB设备(如鼠标、键盘等)对上位机界面进行操作。
有三种显示类型接口:
DVI,DisplayPort和HDMI,方便显示器连接及VR眼镜扩展。
拥有很宽的温度工作范围,低温可达-10度,高温可达60度,并且外面有散热片包裹,适用与多种复杂环境。
支持多种操作系统(Linux和Windows等)和驱动程序。
936VDC宽供电电压,功耗低,最大30W。
3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,3.2.1水面控制台设计(3)控制箱组装布局工控机、开关电源、有源HDMI接口等设备元件都放置在防爆箱中,布局如图所示。
开关电源与工控机对ARM控制板会造成干扰,导致数据跳变,机器人会因此接收到错误指令,所以将控制板固定于控制面板背面,如图所示。
这样既节省布线,又防止信号干扰,节约布局空间。
控制台内部布局,ARM控制板布局,控制台实物,3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,3.2.2水面电源柜设计电源柜主要功能是为控制系统源源不断的输送电源。
水下机器人使用三个500W的电源模块,共1500W,加上脐带缆上的功率损耗,所以水面功率电源输出功率需要足够大。
电源柜的供电电源为市电220V,通过功率电源输出稳定的400V直流电,这是水下控制系统唯一的电力来源,同时,220V交流电源也作为输出接口,为水面控制台提供电力传输。
北京昊瑞昌公司的HRC-D450V15A程控电源采用脉宽调制技术,输出电流可达到15A。
功率电源技术指标如下表所示:
3.2水下检测机器人ROV水面控制系统设计,3.2.2水面电源柜设计,电源柜共分为三层:
第一层为程控电源层:
通过触摸屏可设置输出直流电压及输出电流;触摸屏还可显示工作电压、工作电流、工作时长及电源温度;第二层为脐带缆、电源线、通信线的接口层:
ROV控制系统的交流输入电源、直流高压输出电源、光纤通信及网络通信接口均在第二层面板上,方便接线;内部装有交直流滤波器,解决高频干扰的问题;内部还装有光电转换器,通过光纤通信进行上下位机的数据传输。
内部结构如图所示。
第三层为工具盒层:
工具盒用于收纳线缆及必要的维护工具。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.1电源模块设计,水下机器人控制系统需要不同等级的直流电压,并且电压功率也不相同,所以需要设计电源模块电路。
通过脐带缆输出的电压为400V,水下控制系统有水下灯、云台摄像头、控制板、推进器、光电转换器和传感器等各个模块需要供电,因此电压等级分为13.8V、12V、5V。
其中控制板上集成了电源模块,因此只需13.8V输入;各传感器的电压也从控制板上直接获取。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.1电源模块设计
(1)13.8V功率电源模块水下机器人主要的功率消耗都是来自ROV的动力推进装置推进器。
水下安全检测机器人虽然体积小,但是它的功率却很大,这要求电源模块体积小的同时,还要保证其输出功率。
由于单个推进器在输入电压为13.8V时,功率达不到250W(约为240W),并且两个推进器不会同时满功率运行,因此使用一个500W的电源模块可以供两个推进器(垂向一个,尾部一个)工作。
本控制系统采用美国VICOR公司的DCM300稳压电源模块,它具有较宽的电压输入范围,输出功率高达500W,最高效率可达到93.2%,具体参数如表所示。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.1电源模块设计
(1)13.8V功率电源模块,电源模块输入端有保护电路、一阶LC滤波电路;输出端使用ACS723电流检测电路采集输出电流,实时监测电流大小;为了检测电源输出电压,利用精密电阻进行分压,从而获取电压值并进行转换;DS1820温度采集芯片贴在电源模块侧面来检测电源模块的温度。
3.3.1电源模块设计
(2)5V、12V电源模块水下机器人水下控制系统还需要稳定的5V与12V直流电,5V电压为光电转换器供电,12V电压为云台摄像机供电。
由于光电转换器的功率较小,约为4W,并且防止输入电压功率过大引起电源电压不稳,因此选择金升阳的隔离电源模块URB2405YMD-6WR3,其输入电压为9-36VDC,输出功率为6W;云台摄像机的功率小于24W,同样选择金升阳电源模块URB2412LD-30WR3,输入电压范围也为9-36VDC,输出功率可达到30W。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.2主控制板设计主控制板不仅要完成与水下从控制板的通信,还要完成与水面控制系统的远距离通信,它是整个系统通信的桥梁。
主控制板还用于对深度计模块、惯性导航模块的数据采集,主控制板的系统结构如图所示。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.2主控制板设计主控制器选择以飞思卡尔公司基于ARM9内核的处理器EPC287,这款处理器的主频为454MHz,并且其支持二代内存条和NANDFlash,并提供多达6路UART、1路I2C、1路SPI、3路12bitADC、2路10/100M以太网接口、1路SDIO、1路I2S接口、1路USBOTG接口、1路USBHost接口、拥有电阻式触摸屏接口、可支持TFT显示屏。
主控制板可使用Linux操作系统,且公司向客户开放两种操作系统开发包。
主控制主板如图所示。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.2主控制板设计,扩展板实物图,主控制主板定义了标准的堆叠接口,使用标准的2.54间距的双排排母作为连接器,方便模块的上下堆叠。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.3从控制板设计从控制板的主要功能是:
通过CAN通信将接收到的数据转换为指令,从而来控制水下灯、推进器及电源模块等。
从控制器还要实时采集舱内温湿度信息、漏水信息、电源模块的电压、电流和温度信息等,并将这些信息通过CAN通信的方式发送给主控制器。
从控板采用恩智浦公司的ARMCortex-M0控制芯片,它内部集成了CAN收发器,而且所用管脚模块完全满足设计需求,并且使用CAN通信方便以后添加功能模块。
从控制板结构框图从控制板采用LPC11C24芯片,外围模块包括:
电源模块、最小系统及CAN通信模块、功率电源电压电流温度采集模块、水下灯控制模块、舱内温湿度采集模块和推进器控制模块。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.3从控制板设计,3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.3从控制板设计从控板的5V电源也使用金升阳的隔离电源模块,避免控制板的电源干扰;LM1117为从控制芯片提供稳定3.3V电压。
水下灯的控制信号经过光耦隔离,输出使用12V电源直接驱动水下灯的控制信号,这样使得控制信号拥有更高的稳定性;为避免舱内温度过高及湿度过大对控制系统的影响,舱内采用了DHT11传感器,实时检测舱内温湿度信息。
ARM的最小系统包括是实现水下机器人功能的基础,其包括晶振电路、复位电路、下载电路等,其内部集成CAN收发器,因此不需要对它进行通信扩展。
功率电源模块的电压电流检测使用运放跟随形成信号隔离,使用OP07双电源运放时,当输入电压为00.7V,运放输出电压始终有0.7V的死区,而电流采集最小输出电压值为0.5V,OP07调零理论上可以实现,但是实际电路中很难做到,因此本文电路设计中使用轨对轨运放,并且MCP601只需要单电源进行供电,输入电压与跟随输出电压相等,达到设计效果。
TL431芯片是一个可控精密稳压源,内基准电压为2.495V,作为AD采样的参考电压,这样使得数据转换精度更高。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.3从控制板设计电路板设计了两个漏水检测模块,当舱内发生渗水等漏水情况时,漏水检测模块可以很快检测到舱内是否漏水,电路采用运放做了一个电压比较器,当漏水探头检测到漏水时,两端相当于短路,运放输入正端为低电平,电平信号低于负端电平,输出端电压为低电平,当运放输入正端电平高于负端电平时,输出端电压为高电平,从而达到漏水检测的效果。
推进器的控制使用了单片机的PWM模块,信号经过光耦隔离后将PWM输出幅值拉高至5V给电机驱动,通过调节PWM占空比进行推进器调速。
从控制板,3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.4推进器驱动电路设计推进器的正常工作离不开控制器的控制,无刷直流电机由于起动转矩大、响应速度快,常被应用于推进器的设计。
无刷直流电机一般使用全桥驱动,即6个MOSFET分别构成上臂和下臂,通过单片机GPIO口推挽输出控制,或者使用电机驱动专用芯片控制。
JY01A芯片是上海居逸公司的产品,控制器给电机驱动芯片控制信号,电机驱动芯片通过相位变换进行过零检测,从而判断相位,再驱动逆变电路进行推进器调速。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.4推进器驱动电路设计,推进器驱动实物图,3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计3.3.5深度计及惯性导航选型当水下机器人潜入水中后,人很难看到机器人的位置及姿态,这时需要借助传感器来获取水下机器人的下潜深度及姿态,因此深度计和惯性导航设备在水下机器人上的应用尤为重要,同时传感器的精度也决定着水下机器人的姿态运动控制精度。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.5深度计及惯性导航选型水下安全检测机器人采用了德国HELM最新技术生产的液位测量产品HM21R-C2-2-S1,它适用于测量海水水位,具有很高的抗腐蚀性;此款深度计采用了钛合金大平膜传感器,使用高精度的电子元件设计硬件电路,具有很高的精度和很长的寿命。
深度计设备如图所示。
本文设计的水下安全检测机器人选择使用分体式传感器,将深度计的电路部分放在电子舱内,将传感器探头通过穿舱件连接的方式放置在舱外。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,3.3.5深度计及惯性导航选型惯性导航传感器是获取水下机器人姿态的重要传感器,凭借它可以判断水下机器人的航向等位置姿态。
ROV控制系统选择深圳瑞芬星通公司的一块微型航姿系统AH100B,它拥有体积小、精度高的优点,传感器采用高精度陀螺仪、加速度计和磁场计组成,并且通过ARMCortexM3进行高速MCU计算,从而解算出方位角、俯仰角及翻滚角。
该航姿系统的精度高达0.5度,适用于航模系统、平衡车系统,水下机器人系统等需要稳定控制的系统。
3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,导航模块采用RS232串口通讯方式,其波特率设置为115200,应用在水下机器人上,数据传输的实时性高。
在实际应用中,控制板将采集到的航向角、横滚角、俯仰角等数据进行均值滤波,得到更加精准的导航数据,,导航模块测试,3.3.5深度计及惯性导航选型,3.3水下检测机器人ROV水下控制系统设计,AH100B惯导参数,3.3.5深度计及惯性导航选型,3.4本章小结,本章介绍了水下安全检测机器人控制系统的硬件设计,首先给出了水下机器人控制系统结构;然后阐述了水下机器人水面控制系统的硬件设计,包括水面控制台和电源柜;最后着重介绍了水下控制系统的硬件设计,包括功率电源模块、主控制板、从控制板、推进器驱动电路及舱内传感器等,思考题简述一下水面控制系统和水下控制系统的主要功能作用。
详细描述一下功率电源的工作原理。
请简述232通信,485通信,CAN通信的各自特点及他们之间的相同点和不同点。
电路板在设计时候都要考虑到什么问题?
可以采用哪些方法?
本文采取的什么办法?
简述一下此款水下机器人的推进器的驱动电路使用了PWM控制转速,请问PWM控制技术具体是什么?
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