水下监控机器人简易控制系统的设计

摘 要：该文介绍了一款适用于水深100 m以内的水下监控机器人，以9S12XS64单片机为控制器核心设计了水下监控机器人的简易控制系统。详细介绍了其控制系统的组成、硬件电路与软件程序的设计，在此基础上完成了原理样机的开发。实验证明该控制系统简单可靠、操作方便、成本低廉。

关键词：水下监控机器人 控制系统 9S12XS64单片机

中图分类号：TH138 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年来，我国海洋石油天然气工业发展迅速，世界上石油天然气能源的开发趋势正由陆地转向海洋，而根据我国国情，我国拥有广大的海洋国土面积，而且蕴藏丰富的油气资源。开发蓝色国土，增加能源资源供给成为我国不断追求的目标。为了更好的了解水下环境和海洋石油开采平台导管架的水下状况及水下设备的运行状态，监控产品也越来越多的应用到海洋石油天然气工业中，而传统的人工潜水监控和固定式水下监控设备监控范围有限，大规模的使用无疑受到环境和运行成本的限制。针对这一情况，本文设计研发了一款适用于水深100米以内的水下监控机器人的原理样机，该水下监控机器人性能稳定，操作方便，成本低廉。

1 结构简介

该水下监控机器人的结构主要包括浮力舱、推进器、摄像头、LED灯、水密接头、脐带缆等。水下监控机器人的结构效果图如图1所示。

浮力舱的功能一是为了给水下监控机器人提供浮力，使其在水下实现零浮力的状态，二是安放水下监控机器人的控制电路板。三是可以正反转的水下推进器实现了水下监控机器人3个自由度的运动，其中两个推进器完成水平方向的运动，包括前进、后退、左转和右转；一个推进器完成垂直方向的运动，包括上浮和下潜。浮力舱的前舱中安装一个高清摄像头，其运动由云台控制，可以拍摄的范围为水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情况下，机器人两侧的LED灯可开启，提高照度水平。

2 系统组成

水下监控机器人的系统硬件结构框图如图2所示。水上控制箱里集成了单片机控制模块、显示器、运动控制和云台控制的操纵杆、按键及电源。脐带缆中包含有电源线、通讯线及视频线。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、LED、推进器及云台等。

工作人员根据需要操纵控制箱中的操纵杆或者按键来进行水下监控机器人的运动控制和云台控制。控制箱里的单片机模块将采集到的操纵杆或者按键信号经过处理，通过脐带缆传送到水下监控机器人的单片机模块，后者对信息进行分析处理，控制推进器、云台或者LED灯的工作状态。水下机器人的摄像头模块将采集到的视频信号经脐带缆传送到水上控制箱进行显示和存储。

3 硬件电路设计

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位单片机MC9212XS64MCU，其内部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以满足系统控制的需要而无需外部扩展存储器；XS64采用的封装有64引脚和80引脚两种，I/O资源丰富。MCU可以使用较小频率的外部晶振，而通过内部的锁相环使总线工作频率达到20 MHz，满足系统实时性控制的要求。MCU支持BDM（单线背景调试）模式[1]，可以在线设置硬件断点并且可以方便查看任意存储器中的数值，方便初期的设计工作。

水上控制箱的硬件电路结构框图如图3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引脚的单片机。晶振、电源及仿真下载器构成单片机的最小系统，提供单片机正常工作的必备条件。运动控制操纵杆为三维操纵杆，可以实现水下监控机器人3自由度的运动；云台控制操纵杆为二维操纵杆；操纵杆的5路模拟信号接入单片机的A/D转换模块的PAD00～PAD04引脚。由PA0～PA5组成4×2矩阵按键，其功能与操纵杆类似。通讯则采用RS485通讯方式，其具有稳定性好、抗干扰能力强等特点。

水下监控机器人硬件电路结构框图如图4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引脚单片机，由晶振、电源及仿真下载构成其最小系统。单片机输出的推进器PWM控制信号经6N137隔离电路与BTS7960电机驱动模块来控制推进器的转速。驱动模块的过电流信号则输入到单片机的A/D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为LED的控制信号，经继电器来控制LED供电电源的通断。

6N137隔离电路与BTS7960驱动电路原理图如图5所示，由两块BTS7960模块构成推进器的H桥驱动，以实现推进器的正反转工作状态。其INH引脚接高电平，驱动芯片处于使能状态，IS输出的电流信号经电阻转换为电压信号接入单片机的A/D转换模块，单片机输出两路PWM信号分别经6N137至BTS7960的IN引脚，通过调整PWM的占空比来改变推进器两端的供电电压，从而改变推进器的转速。BTS7960工作时的输入电压为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各子程序组成。水上控制箱单片机的子程序主要包括A/D转换中断子程序、按键中断子程序、串口通讯子程序等。水下监控机器人单片机的子程序主要包括串口通讯子程序、运动控制子程序、云台控制子程序等。在串口通讯中为保证字符串发送的正确性，在字符串的末位加入CRC校验字符。

水下监控机器人单片机的串口接收中断软件流程图如图6所示，只有在接收字符串完整及CRC码校验正确的情况下才对接收字符串进行保存。

水下监控机器人单片机的主程序软件流程图如图7所示，接收到正确的字符串后对其进行判断，分别进入运动控制子程序或者云台控制子程序。

5 结语

该设计开发了水下监控机器人的原理样机，以Freescale公司推出的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。在水下进行了多次样机实验，可以实现其视频通信、3个自由度的运动及云台控制等基本功能。经验证，本系统简单可靠、操作方便、成本低廉。

参考文献

[1] 王宜怀，刘晓升.嵌入式系统―― 使用HCS12微控制器的设计与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2] 周凯，易杏普.水下机器人概述和发展应用前景[J].电子科技，2010（24）：283-284.

[3] 张文瑶，裘达夫，胡晓棠.水下机器人的发展、军事应用及启事[J].中国修船，2006（10）：37-39.