水下監控機器人簡易控制系統的設計

朱莉莉等

摘 要：該文介紹了一款適用于水深100 m以內的水下監控機器人，以9S12XS64單片機為控制器核心設計了水下監控機器人的簡易控制系統。詳細介紹了其控制系統的組成、硬件電路與軟件程序的設計，在此基礎上完成了原理樣機的開發。實驗證明該控制系統簡單可靠、操作方便、成本低廉。

關鍵詞：水下監控機器人 控制系統 9S12XS64單片機

中圖分類號：TH138 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年來，我國海洋石油天然氣工業發展迅速，世界上石油天然氣能源的開發趨勢正由陸地轉向海洋，而根據我國國情，我國擁有廣大的海洋國土面積，而且蘊藏豐富的油氣資源。開發藍色國土，增加能源資源供給成為我國不斷追求的目標。為了更好的了解水下環境和海洋石油開采平臺導管架的水下狀況及水下設備的運行狀態，監控產品也越來越多的應用到海洋石油天然氣工業中，而傳統的人工潛水監控和固定式水下監控設備監控范圍有限，大規模的使用無疑受到環境和運行成本的限制。針對這一情況，本文設計研發了一款適用于水深100米以內的水下監控機器人的原理樣機，該水下監控機器人性能穩定，操作方便，成本低廉。

1 結構簡介

該水下監控機器人的結構主要包括浮力艙、推進器、攝像頭、LED燈、水密接頭、臍帶纜等。水下監控機器人的結構效果圖如圖1所示。

浮力艙的功能一是為了給水下監控機器人提供浮力，使其在水下實現零浮力的狀態，二是安放水下監控機器人的控制電路板。三是可以正反轉的水下推進器實現了水下監控機器人3個自由度的運動，其中兩個推進器完成水平方向的運動，包括前進、后退、左轉和右轉；一個推進器完成垂直方向的運動，包括上浮和下潛。浮力艙的前艙中安裝一個高清攝像頭，其運動由云臺控制，可以拍攝的范圍為水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情況下，機器人兩側的LED燈可開啟，提高照度水平。

2 系統組成

水下監控機器人的系統硬件結構框圖如圖2所示。水上控制箱里集成了單片機控制模塊、顯示器、運動控制和云臺控制的操縱桿、按鍵及電源。臍帶纜中包含有電源線、通訊線及視頻線。水下監控機器人集成了單片機控制模塊、電機驅動模塊、穩壓電源轉換模塊、攝像頭、LED、推進器及云臺等。

工作人員根據需要操縱控制箱中的操縱桿或者按鍵來進行水下監控機器人的運動控制和云臺控制。控制箱里的單片機模塊將采集到的操縱桿或者按鍵信號經過處理，通過臍帶纜傳送到水下監控機器人的單片機模塊，后者對信息進行分析處理，控制推進器、云臺或者LED燈的工作狀態。水下機器人的攝像頭模塊將采集到的視頻信號經臍帶纜傳送到水上控制箱進行顯示和存儲。

3 硬件電路設計

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位單片機MC9212XS64MCU，其內部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以滿足系統控制的需要而無需外部擴展存儲器；XS64采用的封裝有64引腳和80引腳兩種，I/O資源豐富。MCU可以使用較小頻率的外部晶振，而通過內部的鎖相環使總線工作頻率達到20 MHz，滿足系統實時性控制的要求。MCU支持BDM（單線背景調試）模式[1]，可以在線設置硬件斷點并且可以方便查看任意存儲器中的數值，方便初期的設計工作。

水上控制箱的硬件電路結構框圖如圖3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引腳的單片機。晶振、電源及仿真下載器構成單片機的最小系統，提供單片機正常工作的必備條件。運動控制操縱桿為三維操縱桿，可以實現水下監控機器人3自由度的運動；云臺控制操縱桿為二維操縱桿；操縱桿的5路模擬信號接入單片機的A/D轉換模塊的PAD00～PAD04引腳。由PA0～PA5組成4×2矩陣按鍵，其功能與操縱桿類似。通訊則采用RS485通訊方式，其具有穩定性好、抗干擾能力強等特點。

水下監控機器人硬件電路結構框圖如圖4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引腳單片機，由晶振、電源及仿真下載構成其最小系統。單片機輸出的推進器PWM控制信號經6N137隔離電路與BTS7960電機驅動模塊來控制推進器的轉速。驅動模塊的過電流信號則輸入到單片機的A/D轉換模塊進行處理。控制云臺的步進電機由ULN2003驅動，可實現正反轉；PB7為LED的控制信號，經繼電器來控制LED供電電源的通斷。

6N137隔離電路與BTS7960驅動電路原理圖如圖5所示，由兩塊BTS7960模塊構成推進器的H橋驅動，以實現推進器的正反轉工作狀態。其INH引腳接高電平，驅動芯片處于使能狀態，IS輸出的電流信號經電阻轉換為電壓信號接入單片機的A/D轉換模塊，單片機輸出兩路PWM信號分別經6N137至BTS7960的IN引腳，通過調整PWM的占空比來改變推進器兩端的供電電壓，從而改變推進器的轉速。BTS7960工作時的輸入電壓為6 V～27 V，最大電流為43 A，滿足水下推進器最大功率40 W，最大電流7 A，電壓6 V的要求。

4 軟件設計

水下監控機器人控制系統的軟件程序由各子程序組成。水上控制箱單片機的子程序主要包括A/D轉換中斷子程序、按鍵中斷子程序、串口通訊子程序等。水下監控機器人單片機的子程序主要包括串口通訊子程序、運動控制子程序、云臺控制子程序等。在串口通訊中為保證字符串發送的正確性，在字符串的末位加入CRC校驗字符。

水下監控機器人單片機的串口接收中斷軟件流程圖如圖6所示，只有在接收字符串完整及CRC碼校驗正確的情況下才對接收字符串進行保存。

水下監控機器人單片機的主程序軟件流程圖如圖7所示，接收到正確的字符串后對其進行判斷，分別進入運動控制子程序或者云臺控制子程序。

5 結語

該設計開發了水下監控機器人的原理樣機，以Freescale公司推出的16位單片機9S12XS64為控制器核心設計了水下監控機器人的簡易控制系統。在水下進行了多次樣機實驗，可以實現其視頻通信、3個自由度的運動及云臺控制等基本功能。經驗證，本系統簡單可靠、操作方便、成本低廉。

參考文獻

[1] 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統—— 使用HCS12微控制器的設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 周凱，易杏普.水下機器人概述和發展應用前景[J].電子科技，2010（24）：283-284.

[3] 張文瑤，裘達夫，胡曉棠.水下機器人的發展、軍事應用及啟事[J].中國修船，2006（10）：37-39.endprint

摘 要：該文介紹了一款適用于水深100 m以內的水下監控機器人，以9S12XS64單片機為控制器核心設計了水下監控機器人的簡易控制系統。詳細介紹了其控制系統的組成、硬件電路與軟件程序的設計，在此基礎上完成了原理樣機的開發。實驗證明該控制系統簡單可靠、操作方便、成本低廉。

關鍵詞：水下監控機器人 控制系統 9S12XS64單片機

中圖分類號：TH138 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年來，我國海洋石油天然氣工業發展迅速，世界上石油天然氣能源的開發趨勢正由陸地轉向海洋，而根據我國國情，我國擁有廣大的海洋國土面積，而且蘊藏豐富的油氣資源。開發藍色國土，增加能源資源供給成為我國不斷追求的目標。為了更好的了解水下環境和海洋石油開采平臺導管架的水下狀況及水下設備的運行狀態，監控產品也越來越多的應用到海洋石油天然氣工業中，而傳統的人工潛水監控和固定式水下監控設備監控范圍有限，大規模的使用無疑受到環境和運行成本的限制。針對這一情況，本文設計研發了一款適用于水深100米以內的水下監控機器人的原理樣機，該水下監控機器人性能穩定，操作方便，成本低廉。

1 結構簡介

該水下監控機器人的結構主要包括浮力艙、推進器、攝像頭、LED燈、水密接頭、臍帶纜等。水下監控機器人的結構效果圖如圖1所示。

浮力艙的功能一是為了給水下監控機器人提供浮力，使其在水下實現零浮力的狀態，二是安放水下監控機器人的控制電路板。三是可以正反轉的水下推進器實現了水下監控機器人3個自由度的運動，其中兩個推進器完成水平方向的運動，包括前進、后退、左轉和右轉；一個推進器完成垂直方向的運動，包括上浮和下潛。浮力艙的前艙中安裝一個高清攝像頭，其運動由云臺控制，可以拍攝的范圍為水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情況下，機器人兩側的LED燈可開啟，提高照度水平。

2 系統組成

水下監控機器人的系統硬件結構框圖如圖2所示。水上控制箱里集成了單片機控制模塊、顯示器、運動控制和云臺控制的操縱桿、按鍵及電源。臍帶纜中包含有電源線、通訊線及視頻線。水下監控機器人集成了單片機控制模塊、電機驅動模塊、穩壓電源轉換模塊、攝像頭、LED、推進器及云臺等。

工作人員根據需要操縱控制箱中的操縱桿或者按鍵來進行水下監控機器人的運動控制和云臺控制。控制箱里的單片機模塊將采集到的操縱桿或者按鍵信號經過處理，通過臍帶纜傳送到水下監控機器人的單片機模塊，后者對信息進行分析處理，控制推進器、云臺或者LED燈的工作狀態。水下機器人的攝像頭模塊將采集到的視頻信號經臍帶纜傳送到水上控制箱進行顯示和存儲。

3 硬件電路設計

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位單片機MC9212XS64MCU，其內部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以滿足系統控制的需要而無需外部擴展存儲器；XS64采用的封裝有64引腳和80引腳兩種，I/O資源豐富。MCU可以使用較小頻率的外部晶振，而通過內部的鎖相環使總線工作頻率達到20 MHz，滿足系統實時性控制的要求。MCU支持BDM（單線背景調試）模式[1]，可以在線設置硬件斷點并且可以方便查看任意存儲器中的數值，方便初期的設計工作。

水上控制箱的硬件電路結構框圖如圖3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引腳的單片機。晶振、電源及仿真下載器構成單片機的最小系統，提供單片機正常工作的必備條件。運動控制操縱桿為三維操縱桿，可以實現水下監控機器人3自由度的運動；云臺控制操縱桿為二維操縱桿；操縱桿的5路模擬信號接入單片機的A/D轉換模塊的PAD00～PAD04引腳。由PA0～PA5組成4×2矩陣按鍵，其功能與操縱桿類似。通訊則采用RS485通訊方式，其具有穩定性好、抗干擾能力強等特點。

水下監控機器人硬件電路結構框圖如圖4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引腳單片機，由晶振、電源及仿真下載構成其最小系統。單片機輸出的推進器PWM控制信號經6N137隔離電路與BTS7960電機驅動模塊來控制推進器的轉速。驅動模塊的過電流信號則輸入到單片機的A/D轉換模塊進行處理。控制云臺的步進電機由ULN2003驅動，可實現正反轉；PB7為LED的控制信號，經繼電器來控制LED供電電源的通斷。

6N137隔離電路與BTS7960驅動電路原理圖如圖5所示，由兩塊BTS7960模塊構成推進器的H橋驅動，以實現推進器的正反轉工作狀態。其INH引腳接高電平，驅動芯片處于使能狀態，IS輸出的電流信號經電阻轉換為電壓信號接入單片機的A/D轉換模塊，單片機輸出兩路PWM信號分別經6N137至BTS7960的IN引腳，通過調整PWM的占空比來改變推進器兩端的供電電壓，從而改變推進器的轉速。BTS7960工作時的輸入電壓為6 V～27 V，最大電流為43 A，滿足水下推進器最大功率40 W，最大電流7 A，電壓6 V的要求。

4 軟件設計

水下監控機器人控制系統的軟件程序由各子程序組成。水上控制箱單片機的子程序主要包括A/D轉換中斷子程序、按鍵中斷子程序、串口通訊子程序等。水下監控機器人單片機的子程序主要包括串口通訊子程序、運動控制子程序、云臺控制子程序等。在串口通訊中為保證字符串發送的正確性，在字符串的末位加入CRC校驗字符。

水下監控機器人單片機的串口接收中斷軟件流程圖如圖6所示，只有在接收字符串完整及CRC碼校驗正確的情況下才對接收字符串進行保存。

水下監控機器人單片機的主程序軟件流程圖如圖7所示，接收到正確的字符串后對其進行判斷，分別進入運動控制子程序或者云臺控制子程序。

5 結語

該設計開發了水下監控機器人的原理樣機，以Freescale公司推出的16位單片機9S12XS64為控制器核心設計了水下監控機器人的簡易控制系統。在水下進行了多次樣機實驗，可以實現其視頻通信、3個自由度的運動及云臺控制等基本功能。經驗證，本系統簡單可靠、操作方便、成本低廉。

參考文獻

[1] 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統—— 使用HCS12微控制器的設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 周凱，易杏普.水下機器人概述和發展應用前景[J].電子科技，2010（24）：283-284.

[3] 張文瑤，裘達夫，胡曉棠.水下機器人的發展、軍事應用及啟事[J].中國修船，2006（10）：37-39.endprint

摘 要：該文介紹了一款適用于水深100 m以內的水下監控機器人，以9S12XS64單片機為控制器核心設計了水下監控機器人的簡易控制系統。詳細介紹了其控制系統的組成、硬件電路與軟件程序的設計，在此基礎上完成了原理樣機的開發。實驗證明該控制系統簡單可靠、操作方便、成本低廉。

關鍵詞：水下監控機器人 控制系統 9S12XS64單片機

中圖分類號：TH138 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0045-02

近年來，我國海洋石油天然氣工業發展迅速，世界上石油天然氣能源的開發趨勢正由陸地轉向海洋，而根據我國國情，我國擁有廣大的海洋國土面積，而且蘊藏豐富的油氣資源。開發藍色國土，增加能源資源供給成為我國不斷追求的目標。為了更好的了解水下環境和海洋石油開采平臺導管架的水下狀況及水下設備的運行狀態，監控產品也越來越多的應用到海洋石油天然氣工業中，而傳統的人工潛水監控和固定式水下監控設備監控范圍有限，大規模的使用無疑受到環境和運行成本的限制。針對這一情況，本文設計研發了一款適用于水深100米以內的水下監控機器人的原理樣機，該水下監控機器人性能穩定，操作方便，成本低廉。

1 結構簡介

該水下監控機器人的結構主要包括浮力艙、推進器、攝像頭、LED燈、水密接頭、臍帶纜等。水下監控機器人的結構效果圖如圖1所示。

浮力艙的功能一是為了給水下監控機器人提供浮力，使其在水下實現零浮力的狀態，二是安放水下監控機器人的控制電路板。三是可以正反轉的水下推進器實現了水下監控機器人3個自由度的運動，其中兩個推進器完成水平方向的運動，包括前進、后退、左轉和右轉；一個推進器完成垂直方向的運動，包括上浮和下潛。浮力艙的前艙中安裝一個高清攝像頭，其運動由云臺控制，可以拍攝的范圍為水平140 °，垂直120 °。在水下照度不足的情況下，機器人兩側的LED燈可開啟，提高照度水平。

2 系統組成

水下監控機器人的系統硬件結構框圖如圖2所示。水上控制箱里集成了單片機控制模塊、顯示器、運動控制和云臺控制的操縱桿、按鍵及電源。臍帶纜中包含有電源線、通訊線及視頻線。水下監控機器人集成了單片機控制模塊、電機驅動模塊、穩壓電源轉換模塊、攝像頭、LED、推進器及云臺等。

工作人員根據需要操縱控制箱中的操縱桿或者按鍵來進行水下監控機器人的運動控制和云臺控制。控制箱里的單片機模塊將采集到的操縱桿或者按鍵信號經過處理，通過臍帶纜傳送到水下監控機器人的單片機模塊，后者對信息進行分析處理，控制推進器、云臺或者LED燈的工作狀態。水下機器人的攝像頭模塊將采集到的視頻信號經臍帶纜傳送到水上控制箱進行顯示和存儲。

3 硬件電路設計

控制器的核心采用Freescale公司推出的16位單片機MC9212XS64MCU，其內部集成了64 KB的Flash EEPROM、4KB的RAM和4 KB的EEPROM，可以滿足系統控制的需要而無需外部擴展存儲器；XS64采用的封裝有64引腳和80引腳兩種，I/O資源豐富。MCU可以使用較小頻率的外部晶振，而通過內部的鎖相環使總線工作頻率達到20 MHz，滿足系統實時性控制的要求。MCU支持BDM（單線背景調試）模式[1]，可以在線設置硬件斷點并且可以方便查看任意存儲器中的數值，方便初期的設計工作。

水上控制箱的硬件電路結構框圖如圖3所示。微控制器采用Freescale9S12 XS6464引腳的單片機。晶振、電源及仿真下載器構成單片機的最小系統，提供單片機正常工作的必備條件。運動控制操縱桿為三維操縱桿，可以實現水下監控機器人3自由度的運動；云臺控制操縱桿為二維操縱桿；操縱桿的5路模擬信號接入單片機的A/D轉換模塊的PAD00～PAD04引腳。由PA0～PA5組成4×2矩陣按鍵，其功能與操縱桿類似。通訊則采用RS485通訊方式，其具有穩定性好、抗干擾能力強等特點。

水下監控機器人硬件電路結構框圖如圖4所示。微控制器采用Freescale 9S12 XS64 80引腳單片機，由晶振、電源及仿真下載構成其最小系統。單片機輸出的推進器PWM控制信號經6N137隔離電路與BTS7960電機驅動模塊來控制推進器的轉速。驅動模塊的過電流信號則輸入到單片機的A/D轉換模塊進行處理。控制云臺的步進電機由ULN2003驅動，可實現正反轉；PB7為LED的控制信號，經繼電器來控制LED供電電源的通斷。

6N137隔離電路與BTS7960驅動電路原理圖如圖5所示，由兩塊BTS7960模塊構成推進器的H橋驅動，以實現推進器的正反轉工作狀態。其INH引腳接高電平，驅動芯片處于使能狀態，IS輸出的電流信號經電阻轉換為電壓信號接入單片機的A/D轉換模塊，單片機輸出兩路PWM信號分別經6N137至BTS7960的IN引腳，通過調整PWM的占空比來改變推進器兩端的供電電壓，從而改變推進器的轉速。BTS7960工作時的輸入電壓為6 V～27 V，最大電流為43 A，滿足水下推進器最大功率40 W，最大電流7 A，電壓6 V的要求。

4 軟件設計

水下監控機器人控制系統的軟件程序由各子程序組成。水上控制箱單片機的子程序主要包括A/D轉換中斷子程序、按鍵中斷子程序、串口通訊子程序等。水下監控機器人單片機的子程序主要包括串口通訊子程序、運動控制子程序、云臺控制子程序等。在串口通訊中為保證字符串發送的正確性，在字符串的末位加入CRC校驗字符。

水下監控機器人單片機的串口接收中斷軟件流程圖如圖6所示，只有在接收字符串完整及CRC碼校驗正確的情況下才對接收字符串進行保存。

水下監控機器人單片機的主程序軟件流程圖如圖7所示，接收到正確的字符串后對其進行判斷，分別進入運動控制子程序或者云臺控制子程序。

5 結語

該設計開發了水下監控機器人的原理樣機，以Freescale公司推出的16位單片機9S12XS64為控制器核心設計了水下監控機器人的簡易控制系統。在水下進行了多次樣機實驗，可以實現其視頻通信、3個自由度的運動及云臺控制等基本功能。經驗證，本系統簡單可靠、操作方便、成本低廉。

參考文獻

[1] 王宜懷，劉曉升.嵌入式系統—— 使用HCS12微控制器的設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2] 周凱，易杏普.水下機器人概述和發展應用前景[J].電子科技，2010（24）：283-284.

[3] 張文瑤，裘達夫，胡曉棠.水下機器人的發展、軍事應用及啟事[J].中國修船，2006（10）：37-39.endprint