一种水下机器人推进器及舵机一体化控制系统的制作方法

1.本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种水下机器人推进器及舵机一体化控制系统。


背景技术：

2.机器人技术的发展从单一的陆地机器人逐渐发展成海陆空三足鼎立。特别是随着世界人口的增加以及资源紧缺情况的频发，人类已经将海洋、湖泊作为生存发展的新领域，也正是随着机器人技术的大发展，水下机器人在近些年来取得了长足的发展。水下机器人的种类丰富，大小不一，最大下潜深度也不尽相同，因此在实际技术领域，水下机器人的系统差异化比较明显。
3.运动控制是水下机器人控制系统中极为重要的环节，是让“机器人”行走的中枢神经。水下机器人运动控制的执行机构包括方向舵机和推进螺旋桨，执行机构常安装在水下机器人尾段，一般二者的驱动分立安装，并且控制其作动的控制器一般集成在水下机器人管理计算机中。随着水下机器人智能化、模块化以及轻量化设计要求，若能将水下机器人运动控制部分模块化和一体化设计，将大大节省舱段的空间，并且方便替换和维修，同时也便于在不同平台之间移植和修改。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种水下机器人推进器及舵机一体化控制系统及方法，用以解决现有技术中存在的上述缺陷。
5.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
6.一种水下机器人推进器及舵机一体化控制系统，所述系统包括：至少一路推进器驱动电路及受其驱动的推进器、至少一路舵机驱动电路及受其驱动的舵机、电源电路、多路驱动控制电路、控制器；其中，
7.所述控制器用于生成互补的推进器控制信号和互补的舵机控制信号；
8.所述驱动控制电路用于处理所述互补的推进器控制信号得到互补的推进器驱动信号，还用于处理所述互补的舵机控制信号得到互补的舵机驱动信号；
9.所述推进器驱动电路基于所述互补的推进器驱动信号，驱动所述推进器驱动电路工作；所述舵机驱动电路基于所述互补的舵机驱动信号，驱动所述舵机驱动电路工作；
10.所述电源电路用于提供28v电压，并由28v电压隔离滤波生成5v电压，5v电压隔离滤波生成3.3v电压；5v电压和3.3v电压作为所述驱动控制电路的供电电压。
11.在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
12.进一步，所述驱动控制电路包括双向缓冲器、光耦开关；其中，隔离滤波得到的3.3v电压接入所述双向缓冲器的vccb端，还串联电阻后接入所述光耦开关的vf1 端；隔离滤波得到的5v电压接入所述双向缓冲器的vcca端，还接入所述光耦开关的vcc端；所述光耦开关的vcc端串联电容后接地，所述光耦开关的vo1端串联上拉电阻后接地，所述光耦开关
的vo1端还连接至所述双向缓冲器的使能端；
13.当所述双向缓冲器接收所述互补的推进器控制信号时，其输出为所述互补的推进器驱动信号；
14.当所述双向缓冲器接收所述互补的舵机控制信号时，其输出为所述互补的舵机驱动信号。
15.进一步，所述系统还包括：分别安装于电源电路总出口、所述推进器的供电母线处、舵机的供电母线处的电流传感器，多路电流检测电路和can通信电路；
16.所述电流检测电路，用于采集电源电路总电流、所述推进器的供电母线处的电流以及所述舵机的供电母线处的电流，并判断各电流是否超过其电流阈值，若某路电流超过其电流阈值，将通过所述can通信电路通知所述控制器，以便由控制器切断该路供电。
17.进一步，所述系统还包括在所述系统内部多处安装的漏水检测传感器、漏水检测电路；
18.所述漏水检测电路，用于接收所述漏水检测传感器采集到的漏水开关信号，并根据所述漏水开关信号判断是否漏水，若漏水，将通过所述can通信电路通知所述控制器，以便由控制器切断漏水部位电路的供电。
19.进一步，所述推进器还包括速度传感器、推进器伺服电机和减速器；
20.所述速度传感器用于采集推进器螺旋桨的转轴转速信号；
21.所述控制器接收并处理所述转轴转速信号，生成所述互补的推进器控制信号；
22.利用所述互补的推进器驱动信号的差值的绝对值，确定驱动所述推进器驱动电路工作的占空比，利用所述互补的推进器驱动信号的差值的正负号，确定驱动所述推进器伺服电机转动的方向，通过所述推进器驱动电路控制所述推进器伺服电机转动，所述推进器伺服电机通过所述减速器驱动所述推进器螺旋桨的转轴转动。
23.进一步，所述控制器通过执行以下操作生成所述互补的推进器控制信号：
24.所述控制器将接收到的所述转轴转速信号与推进器转轴转速控制指令信号进行比较，经模糊pid控制算法处理得到期望转轴转速信号和期望转轴转向，基于所述期望转轴转速信号和期望转轴转向，生成所述互补的推进器控制信号；
25.所述互补的推进器控制信号的差值的绝对值为所述期望转速信号归一化后的结果；所述互补的推进器控制信号的差值的正负号对应于所述期望转轴转向。
26.进一步，所述舵机还包括角度位移传感器、舵机伺服电机和谐波减速器；
27.所述角度位移传感器用于采集舵机的位置信号；
28.所述控制器接收并处理所述舵机的位置信号，生成所述互补的舵机控制信号；
29.利用所述互补的舵机驱动信号的差值的绝对值，确定驱动所述舵机驱动电路工作的占空比，利用所述互补的舵机驱动信号的差值的正负号，确定驱动所述舵机伺服电机转动的方向，通过所述舵机驱动电路控制所述舵机伺服电机转动，所述舵机伺服电机通过所述谐波减速器驱动控制舵机偏转。
30.进一步，所述控制器通过执行以下操作得到所述互补的舵机控制信号：
31.所述控制器将接收到的所述位置信号与舵机位置控制指令信号进行比较，经模糊pid控制算法处理得到所述期望位置信号和期望舵机转向，基于所述期望位置信号和期望舵机转向，生成所述互补的舵机控制信号；
32.所述互补的舵机控制信号的差值的绝对值为所述期望位置信号归一化后的结果；所述互补的推进器控制信号的差值的正负号对应于所述期望舵机转向。
33.进一步，所述系统还包括第一ad采样电路，用于将所述转轴转速信号转化成相应的数字信号后经由所述can通信控制电路发送至所述控制器。
34.进一步，所述系统还包括和第二ad采样电路，用于将所述位置信号转化成相应的数字信号后经由所述can通信控制电路发送至所述控制器。
35.本发明有益效果如下：
36.与现有技术相比，本实施例提供的水下机器人推进器及舵机一体化控制系统能够实现推进器及舵机的一体化控制，各模块独立性较强，可根据需要设计推进器驱动电路及受其驱动的推进器、舵机驱动电路及受其驱动的舵机的数量，电路可移植性强、可维修性强、可替换性强，能够满足推进器及舵机的一体化控制需求。
37.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
38.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
39.图1为本发明实施例中的水下机器人推进器及舵机一体化控制系统功能结构示意图；
40.图2为本发明实施例中的驱动控制电路示意图；
41.图3为本发明实施例中的另一水下机器人推进器及舵机一体化控制系统实际设计结构示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
43.本发明实施例公开了一种水下机器人推进器及舵机一体化控制系统，功能结构示意图如图1所示，所述系统包括：至少一路推进器驱动电路及受其驱动的推进器、至少一路舵机驱动电路及受其驱动的舵机、电源电路、多路驱动控制电路、控制器；其中，所述控制器用于生成互补的推进器控制信号和互补的舵机控制信号；所述驱动控制电路用于处理所述互补的推进器控制信号得到互补的推进器驱动信号，还用于处理所述互补的舵机控制信号得到互补的舵机驱动信号；所述推进器驱动电路基于所述互补的推进器驱动信号，驱动所述推进器驱动电路工作；所述舵机驱动电路基于所述互补的舵机驱动信号，驱动所述舵机驱动电路工作；所述电源电路用于提供28v电压，并由28v电压隔离滤波生成5v电压，5v电压隔离滤波生成3.3v电压；5v电压和3.3v电压作为所述驱动控制电路的供电电压。
44.与现有技术相比，本实施例提供的水下机器人推进器及舵机一体化控制系统能够实现推进器及舵机的一体化控制，各模块独立性较强，可根据需要设计推进器驱动电路及
受其驱动的推进器、舵机驱动电路及受其驱动的舵机的数量，电路可移植性强、可维修性强、可替换性强，能够满足推进器及舵机的一体化控制需求。
45.需要说明的是，在本实施例中，需要为每一路推进器驱动电路配置驱动控制电路，还需要为每一路舵机驱动电路配置驱动控制电路，因此，本实施例中驱动控制电路的数量为推进器驱动电路和舵机驱动电路数量之和。
46.优选地，所述系统还包括：分别安装于电源电路总出口、所述推进器的供电母线处、舵机的供电母线处的电流传感器，多路电流检测电路和can通信电路；所述电流检测电路，用于采集电源电路总电流、所述推进器的供电母线处的电流以及所述舵机的供电母线处的电流，并判断各电流是否超过其电流阈值，若某路电流超过其电流阈值，将通过所述can通信电路通知所述控制器，以便由控制器切断该路供电。该设计能够实现过流保护，尤其当尾端在水中遇到缠绕等状况导致推进螺旋桨或舵叶卡滞时，本电路将检测到电流异常状态，及时进行保护操作，一般功耗在连续1s大于2倍额定功耗时认为进入保护操作范围。
47.优选地，所述系统还包括在所述系统内部多处安装的漏水检测传感器、漏水检测电路；所述漏水检测电路，用于接收所述漏水检测传感器采集到的漏水开关信号(高电平漏水，低电平不漏水)，并根据所述漏水开关信号判断是否漏水，若漏水，将通过所述can通信电路通知所述控制器，以便由控制器切断漏水部位电路的供电。尾段对水密性要求极高，特别是转动或者封盖的部位，因此为监控这些地方的水密状况，常在这些地方周围布置一些漏水检测装置。
48.优选地，所述推进器还包括速度传感器、推进器伺服电机和减速器；所述速度传感器用于采集推进器螺旋桨的转轴转速信号；所述控制器接收并处理所述转轴转速信号，生成所述互补的推进器控制信号；利用所述互补的推进器驱动信号的差值的绝对值，确定驱动所述推进器驱动电路工作的占空比，利用所述互补的推进器驱动信号的差值的正负号，确定驱动所述推进器伺服电机转动的方向，通过所述推进器驱动电路控制所述推进器伺服电机转动，所述推进器伺服电机通过所述减速器驱动所述推进器螺旋桨的转轴转动。
49.示例性地，推进器驱动电路或舵机驱动电路可以根据以下规则确定驱动电路的占空比以及电机转动的方向：
50.互补的驱动信号的差值的绝对值不为零，则根据该绝对值确定驱动驱动电路工作的pwm波的占空比；若绝对值为零，则驱动电路不工作；若所述互补的推进器驱动信号的差值为正，则按照前者的推进器驱动信号的方向驱动电机转动，若所述互补的推进器驱动信号的差值为负，则按照后者的推进器驱动信号的方向驱动电机转动。
51.优选地，所述控制器通过执行以下操作生成所述互补的推进器控制信号：所述控制器将接收到的所述转轴转速信号与推进器转轴转速控制指令信号进行比较，经模糊pid控制算法处理得到期望转轴转速信号和期望转轴转向，基于所述期望转轴转速信号和期望转轴转向，生成所述互补的推进器控制信号；所述互补的推进器控制信号的差值的绝对值为所述期望转速信号归一化后的结果；所述互补的推进器控制信号的差值的正负号对应于所述期望转轴转向。
52.优选地，所述舵机还包括角度位移传感器、舵机伺服电机和谐波减速器；其中，所述角度位移传感器用于采集舵机的位置信号；所述控制器接收并处理所述舵机的位置信号，生成所述互补的舵机控制信号；利用所述互补的舵机驱动信号的差值的绝对值，确定驱
动所述舵机驱动电路工作的占空比，利用所述互补的舵机驱动信号的差值的正负号，确定驱动所述舵机伺服电机转动的方向，通过所述舵机驱动电路控制所述舵机伺服电机转动，所述舵机伺服电机通过所述谐波减速器驱动控制舵机偏转。
53.优选地，所述控制器通过执行以下操作得到所述互补的舵机控制信号：所述控制器将接收到的所述位置信号与舵机位置控制指令信号进行比较，经模糊pid控制算法处理得到所述期望位置信号和期望舵机转向，基于所述期望位置信号和期望舵机转向，生成所述互补的舵机控制信号；所述互补的舵机控制信号的差值的绝对值为所述期望位置信号归一化后的结果；所述互补的推进器控制信号的差值的正负号对应于所述期望舵机转向。
54.优选地，所述系统还包括第一ad采样电路，用于将所述转轴转速信号转化成相应的数字信号后经由所述can通信控制电路发送至所述控制器。所述系统还包括和第二ad采样电路，用于将所述位置信号转化成相应的数字信号后经由所述can通信控制电路发送至所述控制器
55.优选地，所述驱动控制电路如图2所示，包括双向缓冲器、光耦开关；其中，隔离滤波得到的3.3v电压接入所述双向缓冲器的vccb端，还串联电阻后接入所述光耦开关的vf1 端；隔离滤波得到的5v电压接入所述双向缓冲器的vcca端，还接入所述光耦开关的vcc端；所述光耦开关的vcc端串联电容后接地，所述光耦开关的vo1端串联上拉电阻后接地，所述光耦开关的vo1端还连接至所述双向缓冲器的使能端；当所述双向缓冲器接收所述互补的推进器控制信号时，其输出为所述互补的推进器驱动信号；当所述双向缓冲器接收所述互补的舵机控制信号时，其输出为所述互补的舵机驱动信号。
56.需要强调的是，本实施例中的驱动控制电路，是考虑到实际过程中存在的以下缺陷适应性设置的：
57.在本实施例中，为实现系统的小型化设置，因此，电源电路仅提供28v电压，需要由28v电压隔离滤波生成5v电压(还可以根据供电需要生成
±
12v电压)，5v电压隔离滤波再生成3.3v电压；因此，与以往采用多种电压同时供电的方式不同的是，本实施例中的实现方式要考虑以下问题：在上电后若干时间内，dsp(将dsp作为控制器)控制输出引脚可能存在空白时间，因为dsp输出处理后的信号即为推进器或舵机驱动电路输入(pwm信号)，而空白时间的存在会使得此时作用于推进器或舵机驱动电路的pwm信号并不确定，相应地，执行机构装置(推进器或舵机)的电机也会因此有一段不受控时间。这段空白时间包含两个阶段：第一阶段是28v电压隔离滤波生成3.3v电压的过程，这段时间内dsp没有供电尚不能正常运转，其输出引脚状态未知；第二段是dsp初始化阶段，这段时间内dsp输出引脚不受控，一般恒为高。
58.为了避免推进器或舵机驱动电路的pwm信号并不确定造成的不利影响，设计了上述驱动控制电路，在该电路中，一方面加入了保护逻辑，驱动控制电路接收的两路pwm信号严格按照互补逻辑设置，只有其满足互补逻辑时，才能保证其输出的pwm信号驱动电机发生转动；另一方面，在驱动控制电路输入端加入双向缓冲器和默认上拉电路，并且双向缓冲器的使能端前加入光耦开关，光耦开关的输入端是3.3v，这样做的意义在于，当处于第一阶段不受控阶段时，3.3v未产生，则光耦开关未打开，缓冲器使能端下拉为低电平，缓冲器输出三态高阻状态，驱动控制电路无输出，无法驱动推进器或舵机驱动电路工作，此时执行机构装置的电机不转；当处于第二段不受控状态时，因dsp初始化阶段其输出引脚为高电平，则
缓冲器两路输出都是高电平，由于驱动推进器或舵机驱动电路接收到的两路输入都是高电平时，因此，驱动控制电路无输出，相应的执行机构装置电机不转。从而能够有效保证水下机器人推进器及舵机一体化控制系统设计过程中可能造成的推进器或舵机不受控的情况，减少意外事件的发生。
59.示例性地，图3示出了本发明实施例中的另一水下机器人推进器及舵机一体化控制系统实际设计结构示意图；包含一个控制器盒(圆盒状)，执行机构装置(四个操舵装置，四个舵叶、一个推进装置、一个推进螺旋桨)、多个漏水检测装置、内部电缆若干、外部供电电缆、can通讯电缆，执行机构是以电机为核心的带减速器传动机构，控制器盒中集成有电源电路、can通讯控制电路、推进驱动电路、舵机驱动电路、电流检测电路、漏水检测电路。控制器可以根据需求灵活增减操舵或推进路数，可移植性性、可维修性、可替换性较强，其较之于执行机构装置解耦性强。在具备基础功能(通讯，供电转换，漏水检测、电流检测)的前提下，若要增加或减少执行机构装置的数目，只需要对增加或减少相应驱动电路部分的路数即可。
60.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
61.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。