專利名稱：一種微型水下機(jī)器人電機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型公開(kāi)一種基于微控制器和CAN總線的微型水下機(jī)器人電機(jī) 控制裝置，適合微型水下機(jī)器人電機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用。 技術(shù)背景
目前，我國(guó)正在大力發(fā)展載人潛水器(HOV， Human Occupied Vehicle)、
深?？臻g站等水下裝備。這些裝備可以將操作員和科學(xué)家?guī)У胶５子H臨作 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察和采樣，使海洋開(kāi)發(fā)作業(yè)范圍得到極大擴(kuò)展。微型ROV自 帶能源，運(yùn)動(dòng)靈巧，攜有微型攝像機(jī)和傳感器，可以擴(kuò)展載人潛水器的觀 測(cè)范圍，能深入載人潛水器不便或不敢進(jìn)入的狹小復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行工作，避 免危險(xiǎn)，增加了載人潛水器的安全性；它可以從艇外拍攝載人潛水器的作 業(yè)情況，對(duì)深海熱液等局部區(qū)域的精細(xì)觀測(cè)和作業(yè)具有重要意義；它可以 預(yù)先檢査載人潛水器在未知水域的坐底區(qū)域，也能進(jìn)行推進(jìn)器和艇體外部 故障的檢査；緊急情況下，它能夠開(kāi)啟載人潛水器應(yīng)急拋載機(jī)構(gòu)的觸發(fā)裝 置，幫助潛水器脫離險(xiǎn)境。
電機(jī)是微型水下機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源，電機(jī)控制技術(shù)對(duì)于微型水下機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)控制、作業(yè)質(zhì)量都有著直接的關(guān)鍵的影響。
微型水下機(jī)器人往往自帶能源，其功耗是指標(biāo)對(duì)于微型水下機(jī)器人的 作業(yè)時(shí)間、作業(yè)半徑等關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。這就對(duì)微型水下機(jī)器 人的控制器選擇提出了新的要求。目前微型控制器主要有單片機(jī)、DSP、微 控制器(ARM)等，ARM是RISC領(lǐng)域?yàn)榭刂破鞯闹髁鳎珹RM具有功能 強(qiáng)大、功耗低、集成性高等特性點(diǎn)，適合水下機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用。
微型水下機(jī)器人和上位機(jī)控制器的通訊是微型水下機(jī)器人的重要技 術(shù)。目前主要的通訊的手段有RS232、 RS485、 CAN、 GPRS等等?，F(xiàn)場(chǎng)總
線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù) 字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。自 80年代以來(lái)，有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已逐漸形成，在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯 示了各自的優(yōu)勢(shì)，CAN總線是其中比較有代表性的一種。CAN總線采用事 件觸發(fā)方式，它不直接支持時(shí)間確定性，而是采用了隨機(jī)載波監(jiān)聽(tīng)方式。 CAN采用了 ISO /OSI的3層模型物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN 支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型。傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜和光纖等。采用 雙絞線通信時(shí)，速率為1Mbp s/40m， 50kbp s/10km，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。CAN的通信介質(zhì)訪問(wèn)方式為帶優(yōu)先級(jí)的CS- MA/CA。采用多主競(jìng)爭(zhēng)式結(jié) 構(gòu)，不分主從。即當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有權(quán)使用網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)生 沖突時(shí)，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)當(dāng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信 息時(shí)，運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則，借助幀中開(kāi)始部分的標(biāo)識(shí)符，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn) 主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息，從而 有效地避免了總線沖突，使信息和時(shí)間均無(wú)損失。例如，規(guī)定0的優(yōu)先級(jí) 高，A、 B、 C、 D 4個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，最后優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)D有權(quán)發(fā) 送信息，其它節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
然而，采用基于微控制器的CAN總線通訊方式的微型水下機(jī)器人電機(jī) 控制方法目前還尚未見(jiàn)報(bào)道。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型公開(kāi)一種微型水下機(jī)器人的電機(jī)控制裝置，針對(duì)微型水 下機(jī)器人的電機(jī)控制，提出了基于微控制器和CAN總線控制的技術(shù)路線。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型技術(shù)解決方案包括 CAN收發(fā)器，通過(guò)光纖與上位計(jì)算機(jī)相連；
微控制器，輸入端與CAN收發(fā)器相連，實(shí)現(xiàn)CAN通訊的連接配置， 并獲得上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)；還通過(guò)內(nèi)置的PWM控制器將PWM電機(jī)控 制信號(hào)輸送給電機(jī)的電壓輸入接口，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速；
電機(jī)，通過(guò)電壓輸出接口將電機(jī)的實(shí)際輸出電壓傳送至微控制器，并 通過(guò)微控制器將上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)與電機(jī)的實(shí)際輸出電壓作比較，形 成閉環(huán)控制；
微控制器配置有時(shí)鐘電路和復(fù)位電路；微控制器與CAN收發(fā)器之間通 過(guò)第一 二光電隔離器相連。 本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 采用本實(shí)用新型，可以形成電機(jī)的閉環(huán)控制，提高控制指令的響應(yīng) 速度；
2. 本實(shí)用新型利用微控制器極高的計(jì)算速度，大大提高了系統(tǒng)的處理 能力；
3. 本實(shí)用新型采用光纖通訊，數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)木嚯x長(zhǎng)，傳輸速度快；
4. 本實(shí)用新型采用CAN通訊接口增加了光電隔離，降低了干擾，提 高通訊質(zhì)量；
5. 本實(shí)用新型控制器結(jié)構(gòu)輕便小巧，適合微型水下機(jī)器人體積小的特點(diǎn)。


圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖2為控制方法所采用的控制程序流程圖。圖3為圖l所示電路原理圖。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型對(duì)進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本實(shí)用新型微型水下機(jī)器人的電機(jī)控制裝置，如圖l、 2所示，上位計(jì)算機(jī)通過(guò)光纖1與CAN收發(fā)器U4 (TJA1050)相連，CAN收發(fā)器U4通過(guò)光電隔離器U2 U3 (6N137)與微控制器U1相連，實(shí)現(xiàn)CAN通訊的連接配置，并獲得上位機(jī)的控制信號(hào)。微控制器U1通過(guò)內(nèi)置的PWM控制器將PWM電機(jī)控制信號(hào)輸送給微型水下機(jī)器人用電機(jī)的電壓輸入接口，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，電機(jī)的電壓輸出接口將電機(jī)的實(shí)際輸出電壓通過(guò)控制器Ul的AD采樣接口 U7傳送至微傳送至微控制器Ul，并通過(guò)微控制器Ul將與上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)作比較，形成閉環(huán)控制。其中
微控制器Ul配置有時(shí)鐘電路U5(HT1380)和復(fù)位電路U6(MAX811);微控制器Ul與CAN收發(fā)器U4之間通過(guò)第一 二光電隔離器U2 U3(6N137)相連。
本實(shí)用新型水下機(jī)器人的電機(jī)控制過(guò)程通過(guò)存貯于微控制器中的控制程序?qū)崿F(xiàn)，具體流程參見(jiàn)圖2。
首先啟動(dòng)系統(tǒng)，微控制器進(jìn)行初始化；系統(tǒng)進(jìn)行CAN功能初始化，等待接收CAN數(shù)據(jù)，進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)處理。
CAN數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收兩歩驟，其中
數(shù)據(jù)發(fā)送步驟首先判斷發(fā)送緩沖是否空閑，若發(fā)送緩沖空閑，則寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)，啟動(dòng)發(fā)送，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；若發(fā)送緩沖沒(méi)有空閑，則報(bào)告出錯(cuò)，進(jìn)行異常處理。
數(shù)據(jù)接收步驟首先判斷接收緩沖去是否空閑，若接收緩沖區(qū)空閑，則讀出有效數(shù)據(jù)，接著讀出電機(jī)此刻的實(shí)際電壓數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)與電機(jī)此刻的實(shí)際電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；若控制信號(hào)超前，則形成與控制信號(hào)同向的控制量；若控制信號(hào)落后，則形成與控制信號(hào)反向的控制量，最后將控制量形成PWM控制信號(hào)，輸出到電機(jī)上。
本實(shí)施例所述微控制器芯片選用PHILIPS公司的LPC2290，屬ARM7系列芯片。ARM7系列是具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器，是目前應(yīng)用很廣的嵌入式RISC處理器。該系列芯片體積小、功耗低、成本低，高性能與靈活性相結(jié)合，有較多的寄存器，提供了擴(kuò)充的增強(qiáng)的固定長(zhǎng)的16/32位雙指令集。此芯片自帶兩路CAN控制器。用16位的Thumb指令可以節(jié)省高達(dá)35%的空間。另外它還實(shí)行注水線作業(yè)，提供嵌入式ICE2RT邏輯，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持，具有先進(jìn)的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境。又因?yàn)榇颂幚砥餍酒詭AN控制器，符合CAN規(guī)范CAN2.0B，IS011989- l標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)波特度均可達(dá)1Mbps;可訪問(wèn)32位的寄存器和RAM;全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符;驗(yàn)收過(guò)濾器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了 FullCAN模式自動(dòng)接收功能。所以使用LPC2290省去了 CAN控制器外圍電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也減少了干擾。每一個(gè)CAN控制器都與獨(dú)立CAN控制器SJA1000有著相似的寄存器結(jié)構(gòu)，只是器件的寄存器訪問(wèn)由原來(lái)的8bit字節(jié)訪問(wèn)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?32bit的雙字訪問(wèn)，其主要的區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符接收過(guò)濾的編程操作上。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司的TJA1050高速CAN收發(fā)器。收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口 。它最初是應(yīng)用在波特率范圍在60k波特到1M波特的高速自動(dòng)化應(yīng)用中。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。而且它與"IS011898"標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。TJA1050提供兩種模式供用戶使用。用過(guò)引腳S可以選擇高速模式或靜音模式。高速模式就是普通的工作模式，將引腳S接地可以進(jìn)入這種模式。如果引腳S沒(méi)有連接，高速模式就是默認(rèn)的工作模式。在靜音模式中，發(fā)送器是禁止的。但其他功能可以繼續(xù)使用。將S引腳連接到Vcc可以進(jìn)入這個(gè)模式。靜音模式可以防止在CAN控制器不受控制時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊造成堵塞。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收，所以將S接地進(jìn)入普通模式。CAN有多種傳輸方式，考慮到傳輸距離好傳輸質(zhì)量及穩(wěn)定性等因素，采用光纖作為傳輸介質(zhì)。
權(quán)利要求1. 一種微型水下機(jī)器人電機(jī)控制裝置，其特征在于包括CAN收發(fā)器(U4)，通過(guò)光纖(1)與上位計(jì)算機(jī)相連；微控制器(U1)與CAN收發(fā)器(U4)相連，接收上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)；還通過(guò)內(nèi)置的PWM控制器將PWM電機(jī)控制信號(hào)輸送給電機(jī)的電壓輸入接口；電機(jī)，通過(guò)電壓輸出接口將電機(jī)的實(shí)際輸出電壓通過(guò)U1內(nèi)部的AD采樣接口(U7)傳送至微控制器(U1)，并通過(guò)微控制器(U1)將上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)與電機(jī)的實(shí)際輸出電壓作比較，形成閉環(huán)控制。
2. 按照權(quán)利要求1所述微型水下機(jī)器人電機(jī)控制裝置，其特征在于 微控制器(Ul)配置有時(shí)鐘電路(U5)和復(fù)位電路(U6)。
3. 按照權(quán)利要求l所述微型水下機(jī)器人電機(jī)控制裝置，其特征在于 微控制器(Ul)與CAN收發(fā)器(U4)之間通過(guò)第一 二光電隔離器(U2 U3) 相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種微型水下機(jī)器人電機(jī)控制裝置，包括CAN收發(fā)器，通過(guò)光纖與上位計(jì)算機(jī)相連；與收發(fā)器相連的微控制器，實(shí)現(xiàn)CAN通訊的連接配置，并獲得上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)，還通過(guò)內(nèi)置的PWM控制器將PWM電機(jī)控制信號(hào)輸送給電機(jī)的電壓輸入接口，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速；還包括電機(jī)，通過(guò)電壓輸出接口將電機(jī)的實(shí)際輸出電壓傳送至微控制器，并通過(guò)微控制器將上位計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)與電機(jī)的實(shí)際輸出電壓作比較，形成閉環(huán)控制。采用本實(shí)用新型可以提高控制指令的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的處理能力；加之其結(jié)構(gòu)輕便小巧，特別適合微型水下機(jī)器人應(yīng)用。
文檔編號(hào)G05B19/418GK201315021SQ200820231588
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者凱 孫, 李智剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所