Robocup之水下技术报告

中国机器人大赛暨RoboCup公开赛-1-水下机器人（ROV）大赛技术报告2015年8月26日中国机器人大赛暨RoboCup公开赛-2-摘要：无人遥控水下机器人（ROV），也称为水下机器人。一种工作与水下极限作业机器人，能潜入水中替代人完成水下操作。水下环境恶劣且危险，人的潜水深度有限因此水下机器人已成为开发海洋的重要工具。它的工作方式是由木船的工作人员，通过连接潜水器的脐带缆提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声纳等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业。通过水下机器人ROV能够对海底水文情况、洋流流向、海底矿藏进行数据采集。本次比赛参赛的水下机器人以STM32作为主控芯片进行操作控制和任务控制；采用四只防水电机作为驱动单元，为其提供前进、后退、悬浮、漂移等动作的动力；采用摄像头配合光端机通过光纤传输到操作者的显示屏上以提供水下视野；同时该机器人装配了水压测深传感器，可以准确检测所处的深度。该机器人能够完成水下作业，水下对抗，水中巡游等任务，具体可以实现找寻目标，圈定目标，对目标采取相应操作（如撞击，抓取，推动等）。经过测试和训练能够在短时间内精确完成相应任务，智能性好，反应速度快。关键词：水下机器人、水下作业、STM32、防水电机中国机器人大赛暨RoboCup公开赛-3-目录1系统方案设计...................................................................................................-4-1.1题目设计任务.............................................................................................-4-1.1.1任务一..............................................................................................-4-1.1.2任务二..............................................................................................-4-1.1.3任务三..............................................................................................-4-1.2方案论证.....................................................................................................-4-1.2.1系统方案的选择..............................................................................-4-1.2.2控制芯片选型.................................................................................-5-1.2.3驱动电机选择.................................................................................-5-1.2.4操纵杆选择......................................................................................-5-1.2.5其余硬件设计比较..........................................................................-6-2硬件和软件设计...............................................................................................-6-2.1硬件总体设计............................................................................................-6-2.2部分硬件分析............................................................................................-6-2.1.1供电系统..........................................................................................-6-2.2.2主控制器部份..................................................................................-7-2.3软件设计流程.............................................................................................-8-4系统开发与调试...............................................................................................-8-4.1硬件调试.....................................................................................................-8-5总结与体会.......................................................................................................-9-5.1总结............................................................................................................-9-5.2心得体会....................................................................................................-9-附录1：.............................................................................................................-10-附录2.................................................................................................................-11-附录3.................................................................................................................-12-中国机器人大赛暨RoboCup公开赛-4-1系统方案设计1.1题目设计任务水下机器人比赛分为水下作业、水下对抗、水中巡游等类型，主要任务可分为以下三个：1.1.1任务一机器人在水池一侧下水后寻找目标物，并向目标物行进，撞击指定颜色目标物。首先机器人自动下潜至全部没入水中，然后开启摄像头自动寻找目标，发现目标后应在监视器上有明显的目标识别过程，圈定目标，自动撞击目标。除脐带缆之外的任何部位接触到目标物，都判断为一次撞击。1.1.2任务二大赛工作人员预先利用“电梯”，将水听器和线缆插头运送到水下，水听器利用栓子固定于电梯上。参赛队员操控ROV取下栓子，从电梯上释放水听器并将其放置水听器安装处。然后打开海底探测仪器连接箱对应的接口并将线缆插头插入接口。具体任务包括：（1）移除栓子，从电梯上释放水听器；（2）将水听器取下；（3）安装水听器到水听器安装处；（4）移除探测仪器连接箱的上盖；（5）从电梯上取下插头；（6）将电缆插头插入到海底探测仪器的接口上。1.1.3任务三参赛队操作机器人寻找矿石标本，并采集5块矿石标本送到电梯上。收集矿石的个数为比赛结束时电梯上最终的矿石个数。1.2方案论证1.2.1系统方案的选择本次比赛参赛的水下机器人以STM32作为主控芯片进行操作控制和任务控制；采用四只防水电机作为驱动单元，为其提供前进、后退、悬浮、漂移等动作的动力；采用摄像头配合光端机通过光纤传输到操作者的显示屏上以提供水下视野；同时该机器人装配了水压测深传感器，可以准确检测所处的深度，从而确定当前位置，采取相应操作。机械结构部分采用聚丙烯PP中国机器人大赛暨RoboCup公开赛-5-板搭建框架前方配有机械手或钩子，以完成相应的撞击，抓取，推动任务。1.2.2控制芯片选型方案一：采用51单片机。STC89C51单片机价格便宜，应用广泛，但是内部资源较少，功能单一，在对系统的控制中有较大劣势，由于51单片机需要UART或SPI进行异步或同步串行通信，必须用软件模拟UART或SPI，既占用了单片机的资源，又增加了系统的不稳定因素。同时51单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。方案二：采用MSP430单片机。MSP430F5438单片机采用先进的RISC结构的S12内核，片内有较大容量非易失性的程序和数据存储器，丰富的片内集成接口，最大特点是低功耗，但其运行速度仍无法满足本题的要求。方案三：采用STM32单片机。STM32F103RCT6[2]单片机基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。12位ADC操作，6通道DMA，以及强大灵活的特定控制接口，使其控制和计算功能强大。STM32虽然价格较高，但其功能强大，运算速度高的优势十分明显。因此，根据题目要求和系统设计需求，我们最终选用STM32F103RCT6单片机作为主控芯片。1.2.3驱动电机选择鉴于任务的特殊性，故必须采用防水电机作为驱动电机，对于电机的选择，采用大功率直流有刷减速电机。电机额定电压12V，工作电流为10A，足够提供所需的动力。采用防水高压有刷电调驱动电机，通过控制不同的PWM值控制不同的转速，从而提供不同的速度。1.2.4操纵杆选择操纵机构由两个摇杆结构构成，其中一个一维摇杆负责电机的转速，模拟油门，推拉该摇杆能够控制机器人的运动速度；另一个为四维摇杆，控制机器人的水平方向，竖直方向，水平旋转方向三个自由维度的运动，另加一个按钮可以控制机器人的抓取状态。操纵杆的内部构造为可变电位器，在电位器的两端加一电压，测量引出公共端的电压值，通过A/D转化即可得出操纵杆的各自由度方向上的具体位置。中国机器人大赛暨RoboCup公开赛-6-1.2.5其余硬件设计比较关于电机位置的摆放有两种方案：方案一：四个防水电机两两摆放在水平与竖直方向上，通过令不同的电机工作实现前进，后退，悬浮状体的维持。该种方案能够提供最大的推拉力，较易操作和控制，但功能单一，只能实现基础的部分。方案二：四个电机的放置位置为水平方向上两个，竖直方向上两个电机采取倾斜45度的放置方法，这样就有了空间上三个维度的动力。该种方案