基于STM32的水下机器人对接装置控制系统设计

0引言

海洋是地球上最大的资源宝库与战略空间。随着深海勘探、能源开发、环境监测、国防安全等领域需求的日益迫切,具备自主作业能力的水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicles,AUVs)技术得到了飞速发展。在水下机器人执行复杂作业任务的过程中,精准、可靠的 自主对接是达成能量补给、数据传输、载荷更换或返回母船平台等操作的关键环节[1—3]。水下对接过程面临着海流扰动复杂多变、能见度低、通信受限等恶劣环境挑战,对对接装置的姿态控制精度、动作序列协调性以及抗干扰能力提出了极高要求[4—5]。

现有水下对接控制系统多采用工业计算机或通用控制器,存在实时性不足、功耗偏高、体积庞大等问题,难以适应复杂海洋流场扰动下的高精度运动控制需求。随着微控制器性能的提升,基于STM32系列嵌入式芯片的方案凭借其卓越的实时处理能力、丰富的外设资源、低功耗特性及紧凑的布局,为高可靠性水下对接控制系统设计提供了理想平台[6]。

针对水下机器人对接装置液压控制系统高精度、高可靠性与强实时性的控制需求,本文提出-种基于STM32微控制器的嵌入式控制系统设计方法,构建-套能精准、协调、可靠地控制液压执行机构(包括液压缸、驱动电机、电磁阀等)完成复杂对接动作序列的控制系统,有效提升了水下自主对接作业的成功率与效率。

1水下对接装置结构

水下机器人对接装置的三维模型如图1所示,主要包括导向罩、对接筒等固定部件以及锁紧模块、充电模块、调平模块等运动部件,运动部件均由液压缸进行驱动。对接装置坐落于海底,当水下机器人靠近对接装置时,能够在导向罩的引导下进入对接筒。当水下机器人到达预定位置后,锁紧模块开始向上运动,实现对水下机器人的锁紧,使其固定;继而充电模块开始向上运动,与水下机器人的底部接触后进行充电和数据交换。为适应海底崎岖不平的地形,还设计了调平模块,能够调整对接装置的横滚角和俯仰角,使对接筒和导向罩始终保持水平位置,保证与水下机器人对接的成功率。

2控制系统硬件电路总体设计

图2所示为控制系统硬件电路总体设计原理图,主控芯片为STM32F103VCT6。锁紧模块、充电模块、调平模块等运动部件共需4个液压缸进行驱动,为了检测液压缸活塞杆位置是否到位,在液压缸行程的起止位置分别安装有接近开关。同时,为监测液压系统总回路的工作压力,在总回路中安装有压力继电器,当系统压力超过额定压力时,继电器发出信号到控制系统。控制系统通过I/O口输出高低电平控制继电器的开关,从而实现电磁换向阀的换向,并通过D/A输出模拟电压到电机驱动器控制液压系统电机转速。

3接近开关和压力继电器信号检测电路设计

图3为检测液压缸活塞杆位置的接近开关实物图,为适用于海水环境,接近开关的信号线集成在水密接头里,通过水密电缆进行信号传输。图4为液压系统压力传感器实物图。

控制系统采用的接近开关与压力继电器均为NPN型,当传感器处于工作状态时,其黑色信号线输出为低电平(有效时拉低电压)。由于该信号线的静态电压高达24 V,与STM32微控制器引脚的耐受电平不相兼容,因此采用光耦合器来实现电平转换,具体接口设计如图5所示。在电路连接上,光耦的输入端分别接至接近开关的电源正极和信号输出端。一旦接近开关检测到金属目标,光耦输入端将获得24 V压差,驱动其内部的发光二极管发光;该光源促使光耦接收端的光敏三极管导通,进而导致单片机I/O引脚的电平状态发生变化,从而实现信号的有效检测。

4 电机控制电路设计

电机驱动器的控制信号为0~5 V模拟量输入,为实现将微控制器的0~3.3 V输出线性转化为电机驱动器的0~5 V输入,本文采用了三个LM358集成运算放大器芯片设计信号调理电路,如图6所示。该电路由一个加法电路和一个放大电路构成,输出电压大小如下:

5控制系统硬件实物

考虑到下位机要在深海环境下工作,需要与母船上的上位机进行长距离通信,宜采用抗噪声干扰性强、传输距离长的RS485通信协议。因此,上、下位机分别采用RS485转RS232转换器、RS232转RS485转换器,并采用MAX3232芯片实现下位机TTL信号与RS232信号的转换,从而满足上、下位机进行远距离通信的需求。图7所示为本文设计的下位机主控单元的控制板实物图。

6 结论

基于对水下机器人对接装置控制系统的研究与实践,本文提出并实现了一套基于STM32微控制器的嵌入式控制方案。通过系统化的硬件设计,成功构建了包含信号检测、电机驱动及通信接口的核心电路。

1)针对海水环境,采用光耦隔离技术设计了NPN型接近开关与压力继电器的信号调理电路,解决了24 V传感器信号与STM32电平兼容性问题,确保了液压缸位置及系统压力检测的准确性与抗干扰能力。

2)利用LM358运算放大器构建信号调理电路,将STM32的DAC输出(0~3.3 V)线性转换为0~5 V模拟量,实现对液压系统驱动电机转速的精确调节。

3)研制出适用于深海环境的紧凑型下位机主控单元实物,验证了系统集成的可行性。

[参考文献]

[1]杜晓飞,顾晴.水下机器人对接装置液压系统设计及仿真[J].机床与液压,2023,51(13):95—99.

[2]杜晓飞.水下机器人对接装置液压系统及控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2014.

[3]孟令帅,李明烁,林扬,等.自主水下机器人布放回收技术综述[J].无人系统技术,2024,7(1):1—19.

[4]袁学庆,刁家宇,李卫民,等.AUV水下对接的发展与应用现状[J].舰船科学技术,2023,45(5):1—8.

[5]孙叶义,武皓微,李晔,等.智能无人水下航行器水下回收对接技术综述[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40 (1):1—11.

[6] 宋林,吴尹红.基于5TM32单片机的无人水下航行器设计[J].无线互联科技,2022,19(19):59—61.

《机电信息》2025年第18期第14篇