具体实施方式

以下结合附图1-9对本发明的具体实施方式作出详细说明。

本发明提供一种基于RS485总线的八推进器水下机器人控制系统。

实施例一。

本发明提供的基于RS485总线的八推进器水下机器人控制系统的整体技术方案

4.1水下机器人的控制系统组成

控制系统由RS485控制总线、综合控制计算机、水下推进器、传感器单元、供电单元、照明和图像采集单元组成。其中水下推进器由综合控制计算机发出的PWM信号控制，其余单元设备均由RS485通信总线控制。综合控制计算机是整个控制系统的核心，综合控制计算机采用ARM嵌入式系统，负责推进器PWM信号输出、RS485总线控制指令的发出、传感器单元状态数据的接收、继电器信号的输出、图像数据传输等。水下机器人控制系统组成如附图1所示。

4.2水下机器人的控制系统原理

水下机器人控制系统的作用就是通过综合控制计算机发出PWM信号,控制 8个推进器的旋转方向和旋转速度。同时，通过传感器单元感知多种外部信息,将这些传感信息封装成RS 485总线通信的格式，构成控制反馈信号。综合控制计算机接收来自RS 485总线的多种控制反馈信号加以分析、判断和处理，修正控制规律，使整个水下机器人按照期望的方向和速度来运动，并在整个控制系统工作的过程中显示各个单元的工作状态，用于监控。

水下机器人的运动通过推进器实现，水下机器人共有8个推进器，4个顶部推进器和4个矢量推进器，8个推进器共同或者部分工作，完成智能机器人平台的6自由度运动。推进器在机器人中的安装位置如图2所示。

4.2.1水下机器人的姿态稳定

4个顶部推进器安装在机器人的顶部，嵌入在浮体材料中间，对称分布。完成上升、下降、俯仰、滚动功能，顶部推进器的安装位置如图3所示。

矢量推进器的运转，会对水下机器人形成反作用力矩，常常会引起机器人打转或者翻滚，水下智能机器人对定位精度要求很高，为了避免出现机器人翻滚，常采取多个推进器对称布置方式。对称布置的推进器在工作时各个推力应当汇聚于一点，这点最好能靠近水下机器人的水平方向重心，可以提高推进器的效率，避免出现运动中不稳定的现象。

在水下机器人上升、下降或者悬停的过程中，姿态测量单元会通过传感器实时测量当前机器人的姿态方位角，综合控制计算机通过RS485总线来读取姿态传感器的姿态角信息。在复杂洋流的情况下，如果悬停过车中出现姿态角变化，综合控制计算机就会自动控制顶部推进器修改转速，保持水下机器人的运动姿态平稳。

4.2.2水下机器人的定向航行

为了使水下机器人在运动过程中容易实现前后左右四个方向运动，4个水平推进器在采用矢量对称布置方式，也称为矢量推进器。矢量推进器的安装位置如图4所示。

水下机器人在水下运动的过程中，由于前进和后退的运动次数要远高于左移和右移移动的次数，所以前向和侧向相比，需要推进器提供更大的推力。所以矢量推进器安装的角度与航向的夹角为60°，与侧向的夹角为30°，以达到最好的推动效率。

从矢量推进器安装位置图分析水下机器人的运动方式其实很直观，当推进器1,2,3,4按照一定速度正转或反转时，水下机器人可实现向前移动或者向后移动；当这四个推进器转速相同，而推进器1、3与推进器2、4转动方向相反时，水下机器人底盘即可实现左右移动。

当推进器1、3速度与方向相同而推进器2、4不动或者推进器2、4速度与方向相同而推进器1、3不动时，水下机器人可实现斜45度方向移动；当4个推进器速度相同，而推进器1、4与推进器2、3方向相反时，水下机器人会做原地旋转运动。

4.2.3定速航行

综合控制计算机通过把PWM波发送给电调来控制推进器的旋转，在电调中设有脉冲返回信号，脉冲返回信号与推进器的实际转速成正比，比值为1:7。在机器人以一定速度向着特定方向运动的过程中，速度测量单元会一直监控推进器的脉冲反馈信号，在复杂洋流的情况下，如果在航行过程中脉冲反馈信号出现波动说明当前时刻速度出现变化，综合控制计算机就会自动控制矢量推进器修改转速，保持水下机器人航行速度的稳定。

4.2.4定深航行

在水下机器人控制系统中包含深度压力传感器，综合控制计算机设定水下机器人的定深航行的过程中，综合控制计算机通过485总线实施采集深度压力传感器的深度信息，在复杂洋流的情况下，如果在航行过程中深度出现变化，综合控制计算机会自动控制顶部推进器修改转速，保持水下机器人航行在稳定深度。

4.3综合控制计算机

综合控制计算机采用意法半导体的STM32F4系列，STM32F407系列面向需要在小至10×10mm的封装内实现高集成度、高性能、嵌入式存储器和外设的医疗、工业与消费类应用。STM32F407提供了工作频率为168MHz的 Cortex-M4内核的性能，STM32F407具备以下的丰富接口，通过这些接口可以方便的完成对水下机器人的控制，控制系统中占用的处理器接口如表1所示。

表1 STM32F407接口使用说明

4.4水下机器人的传感器单元

4.4.1深度温度测量单元

深度温度测量单元采用MS5837-30BA传感器，其外形结构如附图5所示，包括防水胶和防磁不锈钢圈使得传感器可防水。MS5837-30BA是新一代的高分辨率I²C接口压力传感器，传感器模块基于先进的MEMS技术，水深测量分辨率高达2mm。传感器模块包括高线性度的压力传感元件和超低功耗的24位AD 采集功能模块。MS5803-30BA提供高精度的24位压力和温度数字输出，高分辨率的温度输出可以同时实现温度计的功能。标准MS5837-30BA传感器使用I²C 接口，在深度温度测量单元中通过数字信号转换把I²C通信协议转换成RS485 通信协议，方便总线对传感器数据进行读取。

4.4.2姿态测量单元

姿态测量模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。

采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度静态0.05度，动态0.1度，稳定性极高。姿态测量单元具备GPS连接能力。可接受符合NMEA-0183标准的串口GPS数据，形成GPS-IMU组合导航单元。姿态测量模块支持RS485通信接口，在RS485 总线上综合控制计算机可以方便的对姿态传感器数据进行读取，对机器人进行控制。

4.4.3速度测量单元

综合控制计算机通过把PWM波发送给电调来控制推进器的旋转，在电调中设有脉冲返回信号，脉冲返回信号与推进器的实际转速成正比，比值为1:7。在水下机器人的控制系统中包含脉冲信号计数传感器，用来采集电调的脉冲信号计数反馈，根据脉冲信号传感器采集到的脉冲数按照比例换算成推进器的实际转速，构成了水下机器控制系统的速度测量单元。速度测量单元的图如附图6 所示。

速度测量单元包括信号隔离，脉冲信号捕捉，信号转换和RS485串行通信。速度测量单元是基于单片机的智能采集系统，状态信息存储在EEPROM里，信号输出/输出之间隔离，可以同时采集8路脉冲计数信号。

4.4.4电能监控单元

整个控制系统的电能监测采用光纤传感器，电能监控单元的系统框图如附图7所示。和磁电式电流检测相比，光纤电流传感器具有绝缘性能好、测量准确度高、抗干扰能力强、安全性高、体积小等优点。电能监测单元主要由光纤电流传感器、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。

当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度d的乘积成正比，即ψ＝VBd，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。上述现象称为法拉第磁光效应。

根据安培环路定律，电流产生的磁场磁场强度H沿任意闭合曲线的积分等于闭合曲线所包围的所有电流的代数和，

光纤电流传感器基于安培环路定律与法拉第磁光效应进行设计。

4.4.5漏水监测单元

漏水检测的原理图如附图8所示，漏水检测主板的电路原理如附图9所示。

漏水状态监测模块：电子密封舱采用磁耦合旋转密封方式的防水处理，但是防水效果无法控制，智能机器人在工作时采用300V高压电，如果在工作过程中密封电子舱漏水，会造成机器人用电设备短路甚至会损坏机器人。在电子密封舱中增加漏水状态监测传感器，如果检测到电子密封舱漏水，立刻对水下机器人断电，停止工作，保证水下机器人安全。

漏水检测单元采用BlueROV套件，当漏水探针遇水时，漏水警示灯亮起红色，通过漏水检测电路拉高漏水信号线黄色至高电平，促使漏水检测单元主控板的GPIO端口产生高电平中断。同时漏水检测单元通过数字信号转换单元把 GPIO信号转换成RS485通信协议，方便总线对漏水检测传感器数据进行读取。

4.5供电单元

供电单元选用华为R4850G6直流电源模块，华为R4850G6是一款高效率、高功率密度的数字化整流模块，功率2500W。输入电压85～300VAC，额定输出电压48VDC，额定输出电流50A。最具有软启动、完善的输入和输出保护、低噪音、可并联使用等优点。采用最新电源监控技术，实现整流模块及负载的实时监控、通过后台调节输出电压的功能。

4.6照明和图像传输模块

在操作人员对水下机器人进行控制过程中，在水底由于礁石、泥沙等复杂环境导致水下机器人不能按照预定的控制指令产生预定的运动结果，或者由于洋流等不确定因素的影响，传感器单元反馈的机器人姿态可能与实际状态有一定的误差。

在水下机器中还安装了照明和摄像组合单元，以获得水下目标的实时视频信息，水下摄像机通过以太网进行数据传输，由于水下光线比较昏暗，在摄像机拍摄的过程中，需用通过辅助光源照明已达到更好的拍摄效果；照明单元的亮度控制使用RS485总线进行控制，通过总线可以设置照明灯的不同亮度。通过照明和水下摄像机提供给操作人员水下实时的外部环境信息，可以使操作人员更加方便对水下机器人进行作业控制。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。