基于STC15W 的水下機器人控制系統(tǒng)設計

朱萬浩，章盼梅，孔令棚，張紫凡

（1.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣東廣州 510800；2.廣州城市理工學院機械工程學院，廣東廣州 510800）

水下機器人是一種在深水極限環(huán)境工作的智能機器人，能潛入水中代替人工完成某些操作，又稱為水下無人機。目前它主要用于水下探測、水下救援等，已成為開發(fā)海洋的重要工具之一。近年來，隨著智能控制技術、水下導航定位技術、通信技術、水下探測技術的不斷進步，水下機器人得到了快速發(fā)展，應用范圍也越來越大。

當前有部分學者對水下機器人控制系統(tǒng)進行研究，以尋求穩(wěn)定性更好、可靠性更高的水下機器人，以服務于各領域。文獻[1]設計了一臺應用在漁業(yè)養(yǎng)殖領域的低成本模塊化水下觀察機器人，用于觀察水下養(yǎng)殖環(huán)境，提高漁業(yè)養(yǎng)殖的自動化水平。文獻[2]為解決水下偵察、探測等困難，開發(fā)了一款能潛水探測的智能機器人，設計了系統(tǒng)總體方案和各功能模塊，用實驗驗證了方案的可行性。文獻[3]針對當前軍用水下機器人價格昂貴、設計復雜的缺點，設計了一臺價格便宜、結構簡單的水下機器人。文獻[4]面對深海設備檢修作業(yè)時的困難，提出了水下機器人的總體模塊化設計，并用虛擬仿真技術進行仿真測試。文獻[5]為解決水下機器人傳感器經(jīng)常出現(xiàn)故障的難題，提出一種小波變換的傳感器故障檢測方法，提高了水下機器人的檢測效率。

為了解決當前水下探測、水下救援等難題，文中利用STC15W 單片機、無線通信模塊、攝像頭模塊、舵機模塊等控制技術，設計了一臺智能控制的水下機器人。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體方案設計分為硬件電路設計和軟件設計兩大部分。設計水下機器人前，首先要確定水下機器人的目標功能，然后通過對比擇優(yōu)法，選擇方案，實現(xiàn)設計目標[6-7]。

水下機器人工作原理：首先，遙控器上的單片機通過A/D 模數(shù)轉換讀取搖桿上的角度信號，經(jīng)過一系列分析轉換后，把角度信號和其他的附加指令打包成一長串數(shù)據(jù)，通過SPI 協(xié)議寫入無線模塊中；然后，遙控器的無線模塊通過一系列指令進行模塊間的通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送給水下機器人的無線模塊；接著，水下機器人在接收到數(shù)據(jù)后，一方面會對發(fā)送模塊產(chǎn)生應答，另一方面發(fā)送命令到水下機器人的中央處理器；中央處理器收到指令后，通過SPI 協(xié)議讀出該無線模塊所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，根據(jù)預先設定的程序進行運算；最后，中央處理器把陀螺儀模塊上讀取的實時姿態(tài)信號轉換成電信號，以脈沖寬度調(diào)制方式發(fā)送給電調(diào)和舵機，從而實現(xiàn)水下機器人的智能控制。系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

2 硬件電路模塊設計

水下機器人硬件電路由STC15W 單片機、攝像頭模塊、陀螺儀模塊、電機控制模塊、無線模塊、舵機模塊等組成。

2.1 STC15W單片機設計

水下機器人選用STC15W4K48S4 單片機作為中央處理器。該單片機是新一代增強型單片機，是我國自主生產(chǎn)的第一款具有國際先進水平的單片機。它具有性價比高、抗干擾性強、運行速度快，且能與MCS-51 單片機兼容等優(yōu)點，目前在市場上得到廣泛的應用[8-9]。STC15W4K48S4 單片機功能包含大容量程序存儲器、集成MAX810 專用復位電路、EEPROM Data Flash、看門狗、7 組8 位并行端口、A/D 比較器、內(nèi)置系統(tǒng)ISP 監(jiān)控程序、定時器0/1/2/3/4 超高速四串口、可當D/A 使用的8 路10 位PWM、高精度集成R/C時鐘等。除上述功能外，它還具有大容量片內(nèi)EEPROM、ISP/IAP。單片機的功能框圖如圖2 所示。

圖2 STC15W4K48S4單片機的功能框圖

2.2 電調(diào)模塊設計

電調(diào)的作用是輸出三路相位相差為120°的脈沖信號，用以驅動無刷電機旋轉。電調(diào)通過檢測輸入脈沖的寬度PWM 來改變電調(diào)輸出信號的頻率，輸出到電機，最終實現(xiàn)改變無刷電機轉速的目的。當前，電調(diào)在車輛模型、航海模型、船舶模型、飛碟模型、飛盤模型等領域得到廣泛的應用。電調(diào)工作時需配合電機同步使用，它可識別單片機所傳達的控制信號，對電機進行控制驅動。通過電調(diào)驅動電機，實現(xiàn)了電調(diào)在各領域的廣泛應用[10-11]。

電調(diào)分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，設計選擇無刷電機作為水下機器人的動力源，因此需選擇無刷電調(diào)與電機搭配使用。通常情況下，電調(diào)除控制無刷電機轉向外，還需控制轉速。在實際運行中，轉速通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術進行控制。PWM 技術實質(zhì)上是通過改變高電平時間所占總周期的比例，用高頻率的PWM 方波將原來的直接導通方式替換掉，也即通過控制PWM 的實際導通時間達到控制無刷電機轉速的目的。電調(diào)輸入的是直流電，設計選用鋰電池或穩(wěn)壓電源為其供電。電調(diào)輸出的是三相脈動直流，因此可以將它與電機的三相進行連接。可以通過改變電調(diào)與電機的連接方式改變電機轉向。無刷電調(diào)的工作原理如圖3 所示。

圖3 無刷電調(diào)的原理圖

2.3 舵機模塊設計

舵機又稱為伺服電機，與其他的普通直流電機相比，舵機具有如下特點：一是舵機存在最大旋轉角度，只可控制舵機在一定角度范圍內(nèi)旋轉；二是舵機具有反饋控制系統(tǒng)，通過反饋角度信息實現(xiàn)精確控制與保持角度的目的；三是舵機控制精度并不太高、位置穩(wěn)定性偏低[12-13]。但由于舵機結構緊湊、體積小、控制原理簡單和性價比高，因此文中使用舵機控制水下機器人的攝像模塊。舵機通過速度傳感器、角位置傳感器進行反饋，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)速度傳感器和角位置傳感器的靈敏度不同，舵機作出不同精度的速度和角度反應。舵機工作時，讀取返回值的大小，并與預設值進行對比后，將其存在的偏差值回饋給系統(tǒng)，從而達到閉環(huán)控制的目的，如圖4 所示。

圖4 舵機閉環(huán)控制框圖

2.4 無線模塊設計

無線模塊NRF24L01的通信是通過SPI通信雙向協(xié)議來進行的，該模塊使用全球統(tǒng)一的通信頻段，在2.4～2.5 GHz的頻率下工作[14-15]。無線模塊NRF24L01是目前一款發(fā)展較好、功能較齊全的通信模塊，雖然內(nèi)置了調(diào)制器、解調(diào)器等器件，但工作電流損耗卻不大。當無線模塊處于接收模式時，可接收6 路來自不同信道的信號，但發(fā)送信號的頻道必須相同。發(fā)送過來的數(shù)據(jù)可同時發(fā)送給同一個正處于接收模式下的無線模塊，各個通道數(shù)據(jù)使用的地址并不相同。當無線模塊對其6 路數(shù)據(jù)進行接收、識別并記錄地址后，會向各原發(fā)送模式下的無線模塊發(fā)送應答信號，發(fā)送與接收應答的環(huán)節(jié)是通過通道0 實現(xiàn)的，如圖5 所示。

圖5 無線模塊星形網(wǎng)絡拓撲圖

3 程序設計

單片機軟件開發(fā)技術與硬件技術是相互促進、共同發(fā)展的。單片機編程方式由一開始的匯編語言到現(xiàn)在的高級語言，發(fā)展非常迅速。目前主流的單片機開發(fā)軟件有Keil MDK、Code Sourcery、GNU Tools、Green Hills 等。雖然Keil 系統(tǒng)軟件中沒有中文版本，但因為它具有強大的功能和良好的兼容性，因此受到廣大設計人員的喜愛[16]。當前許多高校的學生或科技公司的設計人員都使用Keil 軟件進行編程。對于很多初學者，只需要掌握C 語言以及Keil 的基礎操作，就可完成程序的最終編寫。

3.1 主程序設計

水下機器人的主程序設計步驟：單片機由外置電源上電后，內(nèi)部系統(tǒng)進行初始化，單片機I/O 口呈高阻態(tài)。單片機將所有I/O 口初始化為準雙向口，初始化無線模塊、清除狀態(tài)寄存器緩存等。無線模塊初始化后將其設置成接收模式，設置狀態(tài)寄存器接收數(shù)據(jù)的地址，接著判斷NRF24L01 無線模塊是否接收到數(shù)據(jù)，若接收到數(shù)據(jù)，則讀取狀態(tài)寄存器一個字節(jié)；若沒有接收到數(shù)據(jù)，則返回。然后程序判斷是否接收到正確的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)正確，則從RX FIFO 將數(shù)據(jù)讀出傳遞給單片機，由單片機根據(jù)數(shù)據(jù)對三相直流無刷電機正轉、反轉等進行控制；若數(shù)據(jù)不正確，則返回，如圖6 所示。

圖6 水下機器人主程序流程圖

3.2 無線模塊程序設計

無線模塊的程序設計步驟：NRF24L01 無線模塊在接收到數(shù)據(jù)后，引腳RX_RD 置1，同時拉低IRQ 的電平，此時單片機進入外部中斷狀態(tài)。單片機讀取狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)，將讀取的數(shù)據(jù)放入sta 中，判斷中斷標志位RX_RD 是否成功讀取數(shù)據(jù)。若讀取數(shù)據(jù)成功，則調(diào)用SPI_Read_Buf 函數(shù)，確定讀取的寄存器、地址、數(shù)組以及位數(shù)，并將數(shù)據(jù)存取至RX_BUF；若讀取數(shù)據(jù)成失敗，則返回重新讀取數(shù)據(jù)。然后，程序將最初讀取狀態(tài)寄存器的數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)寄存器中，完成中斷復位操作并跳出外部中斷，恢復進入外部中斷程序前的現(xiàn)場，繼續(xù)向下執(zhí)行其他程序，如圖7所示。

圖7 無線模塊設計流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是設計的最后一個環(huán)節(jié)，是保證水下機器人穩(wěn)定可靠運行的關鍵。在水下機器人軟件系統(tǒng)設計完成之后，進行系統(tǒng)測試。測試前首先要進行硬件電路的檢測和組裝，然后再進行軟件程序調(diào)試[17]。

4.1 硬件電路測試

硬件電路測試時，首先逐個檢查無線通信模塊、電機模塊、陀螺儀模塊、遙控器模塊等外觀是否完好、電路板有無虛焊；然后通電測試能否正常工作。各個模塊測試通過后，把它們組裝成一個整體進行工作，檢測能否正常開機、電機等模塊能否正常工作；最后把水下機器人投入水中，檢查有無漏水等情況。水下機器人實物模型如圖8 所示。

圖8 水下機器人實物模型

4.2 程序調(diào)試

開啟水下機器人和遙控器的電源，把水下機器人投入水中，進行程序調(diào)試。旋轉遙控器的“向左”和“向右”手柄，水下機器人向左和向右運行；旋轉“向前”和“向后”手柄，水下機器人做出前進和后退動作；點擊“攝像頭開關”，可在手機屏幕上實時監(jiān)控水中環(huán)境[18]。水下機器人遙控手柄實物如圖9 所示。

圖9 水下機器人遙控手柄

5 結束語

基于STC15W 單片機的水下機器人控制系統(tǒng)搭載了攝像頭模塊、無線通信模塊、陀螺儀模塊等，實現(xiàn)了水下環(huán)境的實時監(jiān)控，解決了水下探測、水下救援的困難。水下機器人自試運行以來，系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性好，沒有發(fā)生漏水和無法控制等情況。

該文的亮點是利用單片機和嵌入式技術設計了一臺水下機器人，為技術人員開發(fā)水下機器人和學生學習單片機、嵌入式系統(tǒng)等技術提供參考。