微型水下机器人电机控制装置及控制方法

1.一种微型水下机器人电机控制装置，其特征在于包括：
CAN收发器(U4)，通过光纤(1)与上位计算机相连；
微控制器(U1)与CAN收发器(U4)相连，实现CAN通讯的连接配置，并获得上位计算机的控制信号；还通过内置的PWM控制器将PWM电机控制信号输送给电机的电压输入接口，控制电机的正反转及转速；
电机，通过电压输出接口将电机的实际输出电压通过U1内部的AD采样接口(U7)传送至微控制器(U1)，并通过微控制器(U1)将上位计算机的控制信号与电机的实际输出电压作比较，形成闭环控制。
2.按照权利要求1所述微型水下机器人电机控制装置，其特征在于：微控制器(U1)配置有时钟电路(U5)和复位电路(U6)。
3.按照权利要求1所述微型水下机器人电机控制装置，其特征在于：微控制器(U1)与CAN收发器(U4)之间通过第一～二光电隔离器(U2～U3)相连。
4.一种使用权利要求1所述微型水下机器人电机控制装置的控制方法，其特征在于：
首先启动系统，对微控制器进行初始化；系统进行CAN功能初始化，等待接收CAN数据，进行CAN数据处理；
CAN数据处理分为数据发送、数据接收两步骤，其中：
数据发送步骤：首先判断发送缓冲是否空闲，若发送缓冲空闲，则写入发送数据，启动发送，将数据发送到上位计算机进行处理；若发送缓冲没有空闲，则报告出错，进行异常处理；
数据接收步骤：首先判断接收缓冲区是否空闲，若接收缓冲区空闲，则读出有效数据，接着读出电机此刻的实际电压数据，将有效数据与电机此刻的实际电压数据进行比较；若控制信号超前，则形成与控制信号同向的控制量；若控制信号落后，则形成与控制信号反向的控制量，最后将控制量形成PWM控制信号，输出到电机上；
若接收缓冲区没有空闲，则报告出错，进行异常处理。

微型水下机器人电机控制装置及控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明公开一种基于微控制器和CAN总线的微型水下机器人电机控制装置及控制方法，适合微型水下机器人电机控制技术及应用。\n[0002] 技术背景\n[0003] 目前，我国正在大力发展载人潜水器(HOV，Human Occupied Vehicle)、深海空间站等水下装备。这些装备可以将操作员和科学家带到海底亲临作业现场进行观察和采样，使海洋开发作业范围得到极大扩展。微型ROV自带能源，运动灵巧，携有微型摄像机和传感器，可以扩展载人潜水器的观测范围，能深入载人潜水器不便或不敢进入的狭小复杂区域进行工作，避免危险，增加了载人潜水器的安全性；它可以从艇外拍摄载人潜水器的作业情况，对深海热液等局部区域的精细观测和作业具有重要意义；它可以预先检查载人潜水器在未知水域的坐底区域，也能进行推进器和艇体外部故障的检查；紧急情况下，它能够开启载人潜水器应急抛载机构的触发装置，帮助潜水器脱离险境。\n[0004] 电机是微型水下机器人的动力来源，电机控制技术对于微型水下机器人的运动控制、作业质量都有着直接的关键的影响。\n[0005] 微型水下机器人往往自带能源，其功耗是指标对于微型水下机器人的作业时间、作业半径等关键指标来说显得尤为重要。这就对微型水下机器人的控制器选择提出了新的要求。目前微型控制器主要有单片机、DSP、微控制器(ARM)等，ARM是RISC领域为控制器的主流，ARM具有功能强大、功耗低、集成性高等特性点，适合水下机器人领域的应用。\n[0006] 微型水下机器人和上位机控制器的通讯是微型水下机器人的重要技术。目前主要的通讯的手段有RS232、RS485、CAN、GPRS等等。现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。自80年代以来，有几种现场总线技术已逐渐形成，在一些特定的应用领域显示了各自的优势，CAN总线是其中比较有代表性的一种。CAN总线采用事件触发方式，它不直接支持时间确定性，而是采用了随机载波监听方式。CAN采用了ISO/OSI的3层模型：物理层、数据链路层和应用层。CAN支持的拓扑结构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为1Mbp s/40m，50kbp s/10km，节点数可达110个。CAN的通信介质访问方式为带优先级的CS-MA/CA。采用多主竞争式结构，不分主从。\n即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送信息时，运用逐位仲裁规则，借助帧中开始部分的标识符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。例如，规定0的优先级高，A、B、C、D 4个节点同时发送信息，最后优先级高的节点D有权发送信息，其它节点主动停止发送数据。\n[0007] 然而，采用基于微控制器的CAN总线通讯方式的微型水下机器人电机控制方法目前还尚未见报道。\n发明内容\n[0008] 本发明公开公开一种微型水下机器人的电机控制装置及控制方法，针对微型水下机器人的电机控制，提出了基于微控制器和CAN总线控制的技术路线。\n[0009] 为了实现上述目的，本发明技术解决方案如下：\n[0010] 微型水下机器人的电机控制装置包括：\n[0011] CAN收发器，通过光纤与上位计算机相连；\n[0012] 微控制器，输入端与CAN收发器相连，实现CAN通讯的连接配置，并获得上位计算机的控制信号；还通过内置的PWM控制器将PWM电机控制信号输送给电机的电压输入接口，控制电机的正反转及转速；\n[0013] 电机，通过电压输出接口将电机的实际输出电压传送至微控制器，并通过微控制器将上位计算机的控制信号与电机的实际输出电压作比较，形成闭环控制；\n[0014] 微控制器配置有时钟电路和复位电路；微控制器与CAN收发器之间通过第一～二光电隔离器相连。\n[0015] 本发明控制方法如下：\n[0016] 首先启动系统，对微控制器进行初始化；系统进行CAN功能初始化，等待接收CAN数据，进行CAN数据处理；\n[0017] CAN数据处理分为数据发送、数据接收两步骤，其中：\n[0018] 数据发送步骤：首先判断发送缓冲是否空闲，若发送缓冲空闲，则写入发送数据，启动发送，将数据发送到上位计算机进行处理；若发送缓冲没有空闲，则报告出错，进行异常处理；\n[0019] 数据接收步骤：首先判断接收缓冲去是否空闲，若接收缓冲区空闲，则读出有效数据，接着读出电机此刻的实际电压数据，将有效数据与电机此刻的实际电压数据进行比较；\n若控制信号超前，则形成与控制信号同向的控制量；若控制信号落后，则形成与控制信号反向的控制量，最后将控制量形成PWM控制信号，输出到电机上。\n[0020] 本发明具有如下优点：\n[0021] 1.采用本发明，可以形成电机的闭环控制，提高控制指令的响应速度；\n[0022] 2.本发明利用微控制器极高的计算速度，大大提高了系统的处理能力；\n[0023] 3.本发明采用光纤通讯，数据有效传输的距离长，传输速度快；\n[0024] 4.本发明采用CAN通讯接口增加了光电隔离，降低了干扰，提高通讯质量；\n[0025] 5.本发明控制器结构轻便小巧，适合微型水下机器人体积小的特点。\n附图说明\n[0026] 图1为本发明装置的结构图。\n[0027] 图2为控制方法所采用的控制程序流程图。\n[0028] 图3为图1所示电路原理图。\n具体实施方式\n[0029] 下面结合实施例及附图对本发明对进一步详细说明。\n[0030] 本发明微型水下机器人的电机控制装置，如图1、2所示，上位计算机通过光纤1与CAN收发器U4(TJA1050)相连，CAN收发器U4通过光电隔离器U2～U3(6N137)与微控制器U1相连，实现CAN通讯的连接配置，并获得上位机的控制信号。微控制器U1通过内置的PWM控制器将PWM电机控制信号输送给微型水下机器人用电机的电压输入接口，控制电机的正反转及转速，电机的电压输出接口将电机的实际输出电压传送至微控制器U1的AD采样接口U7，并通过微控制器U1将与上位计算机的控制信号作比较，形成闭环控制。其中：\n[0031] 微控制器U1配置有时钟电路U5(HT1380)和复位电路U6(MAX811)；\n[0032] 本发明水下机器人的电机控制方法通过存贮于微控制器中的控制程序实现，具体流程参见图2。\n[0033] 首先启动系统，微控制器进行初始化；系统进行CAN功能初始化，等待接收CAN数据，进行CAN数据处理。\n[0034] CAN数据处理分为数据发送、数据接收两步骤，其中：\n[0035] 数据发送步骤：首先判断发送缓冲是否空闲，若发送缓冲空闲，则写入发送数据，启动发送，将数据发送到上位计算机进行处理；若发送缓冲没有空闲，则报告出错，进行异常处理。\n[0036] 数据接收步骤：首先判断接收缓冲去是否空闲，若接收缓冲区空闲，则读出有效数据，接着读出电机此刻的实际电压数据，将有效数据与电机此刻的实际电压数据进行比较；\n若控制信号超前，则形成与控制信号同向的控制量；若控制信号落后，则形成与控制信号反向的控制量，最后将控制量形成PWM控制信号，输出到电机上。\n[0037] 本实施例微控制器芯片选用PHILIPS公司的LPC2290，属ARM7系列芯片。ARM7系列是具有ARM7TDMI内核的32位嵌入式微处理器，是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。\n该系列芯片体积小、功耗低、成本低，高性能与灵活性相结合，有较多的寄存器，提供了扩充的增强的固定长的16/32位双指令集。此芯片自带两路CAN控制器。用16位的Thumb指令可以节省高达35％的空间。另外它还实行注水线作业，提供嵌入式ICE2RT逻辑，支持片上断点和调试点支持，具有先进的软件开发和调试环境。又因为此处理器芯片自带CAN控制器，符合CAN规范CAN2.0B，ISO11989-1标准：总线数据波特度均可达1Mbps；可访问32位的寄存器和RAM；全局验收过滤器可识别几乎所有总线的11位和29位Rx标识符；验收过滤器为选择的标准标识符提供了FullCAN模式自动接收功能。所以使用LPC2290省去了CAN控制器外围电路的设计，同时也减少了干扰。每一个CAN控制器都与独立CAN控制器SJA1000有着相似的寄存器结构，只是器件的寄存器访问由原来的8bit字节访问转变为了32bit的双字访问，其主要的区别在于标识符接收过滤的编程操作上。CAN收发器采用PHILIPS公司的TJA1050高速CAN收发器。收发器是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。它最初是应用在波特率范围在60k波特到1M波特的高速自动化应用中。TJA1050可以为总线提供不同的发送性能，为CAN控制器提供不同的接收性能。而且它与“ISO11898”标准完全兼容。TJA1050提供两种模式供用户使用。用过引脚S可以选择高速模式或静音模式。高速模式就是普通的工作模式，将引脚S接地可以进入这种模式。如果引脚S没有连接，高速模式就是默认的工作模式。在静音模式中，发送器是禁止的。但其他功能可以继续使用。将S引脚连接到Vcc可以进入这个模式。静音模式可以防止在CAN控制器不受控制时对网络通讯造成堵塞。本设计要实现发送和接收，所以将S接地进入普通模式。CAN有多种传输方式，考虑到传输距离好传输质量及稳定性等因素，采用光纤作为传输介质。