机器人控制系统的组成(水下监控机器人简易控制系统的设计)
近年来，中国海洋油气产业发展迅速，世界油气能源的发展趋势正在从陆地向海洋转移。开发蓝色土地，增加能源供应，已成为我国不断追求的目标。然而，传统人工潜水监测和固定水下监测设备的监测范围有限，大规模使用无疑受到环境和运行成本的限制。根据对，的实际情况，设计开发了一种性能稳定、操作方便、成本低廉的水下100米以下监控机器人样机。
1结构介绍
水下监控机器人的结构主要包括浮力舱、螺旋桨、摄像头、发光二极管灯、防水接头、脐带缆等。水下监控机器人的结构效果见如图1号。
浮力模块的功能是为水下监控机器人提供浮力，使其在水下达到零浮力，另一个功能是放置水下监控机器人的控制电路板。第三，可以前后旋转的水下推进器可以实现水下监控机器人的三自由度运动，其中两个推进器完成水平运动，包括前进、后退、左转和右转；螺旋桨进行垂直运动，包括漂浮和潜水。浮力舱的前舱装有高清摄像机，其运动由云台，控制，拍摄范围可以是140水平和120垂直。在水下照明不足的情况下，可以打开机器人两侧的发光二极管灯来提高照明水平。
2系统组成
水下监控机器人的系统硬件结构框图见如图2号。水控制箱集成了单片机控制模块、显示器、操纵杆、按键和电源，用于运动控制和云台控制。脐带缆包括电源线， 通讯线和视频电缆。水下监控机器人集成了单片机控制模块、电机驱动模块、稳压电源转换模块、摄像头、发光二极管、螺旋桨和云台
工人们根据需要操作控制箱中的操纵杆或按键，以控制水下监控机器人的运动和云台。控制箱内的单片机模块对采集到的操纵杆或按键信号进行处理，并通过脐带缆传输给水下监控机器人的单片机模块，后者对对信息进行分析和处理，控制螺旋桨、云台或发光二极管灯的工作状态。水下机器人的摄像模块将采集到的视频信号通过脐带缆传输到水控制箱进行显示和存储。
3硬件电路设计
控制器采用飞思卡尔公司推出的16位单片机MC9212XS64MCU作为核心，集成了64 KB闪存、4 KB随机存储器和4 KB EEPROM，无需外部扩展存储器即可满足系统控制的需要。XS64有64针和80针两种封装，具有丰富的输入输出资源。单片机可以使用频率较小的外部晶振，通过内部锁相环，总线工作频率可以达到20兆赫，满足系统实时控制的要求。单片机支持BDM(单线后台调试)模式[1]，可以在线设置硬件断点，方便地检查任意内存中的值，方便初始设计工作。
水控制箱的硬件电路结构框图见如图3。微控制器采用带Freescale9S12 XS6464引脚的单片机。晶振、电源和模拟下载器构成了单片机的最小系统，为单片机的正常运行提供了必要的条件。运动控制操纵杆为三维操纵杆，可实现水下监控机器人3个自由度的运动；云台控制操纵杆是二维操纵杆；操纵杆的五个模拟信号连接到单片机模数转换模块的PAD00~PAD04引脚。由PA0~PA5组成的42矩阵键具有与操纵杆相似的功能。RS485通信
水下监控机器人硬件电路结构框图见如图4。微控制器采用飞思卡尔9S12 XS64 80针单片机，其最小系统由晶振、电源和模拟下载组成。单片机输出的螺旋桨脉宽调制控制信号通过6N137隔离电路和BTS7960电机驱动模块控制螺旋桨转速。驱动模块的过电流信号输入单片机的模数转换模块进行处理。控制云台的步进电机由ULN2003驱动，可实现正反转。PB7是发光二极管的控制信号，通过继电器控制发光二极管电源的通断。
6N137隔离电路和BTS7960驱动电路原理图见如图5。两个BTS7960模块构成推力器的h桥驱动，实现推力器的正反向工作状态。INH引脚连接到高电平，驱动芯片处于使能状态。输出的电流信号被转换成电压信号，并连接到单片机的模数转换模块。单片机分别向BTS7960至6N137的输入引脚输出两个脉宽调制信号。通过调节脉宽调制的占空比，改变螺旋桨两端的电源电压，从而改变螺旋桨的转速。BTS7960工作时，输入电压为6 V ~ 27 V，最大电流为43 A，满足水下推进器最大功率40 W、最大电流7 A、电压6 V的要求。
4软件设计
水下监控机器人控制系统的软件程序由子程序组成。水控制箱单片机子程序主要包括模数转换中断子程序、按键中断子程序、串口通信子程序等。水下监控机器人单片机子程序主要包括串口通信子程序、运动控制子程序、云台控制子程序等。为了确保在串口通信中发送字符串的准确性，在字符串的最后一位添加了CRC校验字符。
水下监控机器人单片机串口接收中断软件流程图见如图6。只有当接收到的字符串是完整的并且CRC码被正确验证时，对才会接收该字符串进行保存。
水下监控机器人单片机主程序软件流程图见如图7。在接收到正确的字符串后，对对其进行判断，并分别执行进入运动控制子程序或云台控制子程序。
5结论
本设计开发了水下监控机器人的原理样机，并以飞思卡尔公司引进的16位单片机9S12XS64为控制器核心，设计了水下监控机器人的简易控制系统。在水下进行了多项样机实验，实现了视频通信、三自由度运动和云台控制等基本功能。实践证明，该系统简单、可靠、操作方便、成本低廉。
黑曼巴 