水中机器人电控方案设计
一、机器人三视图
二、电控方案
2.1 识别及控制设计思路
| 功能 | 设计思路 |
|---|---|
| 水中姿态稳定： | 采用陀螺仪实时检测当前姿态信息，输入到主控单片机，经过PID算法，输出到四路电调控制电机，维持姿态稳定。 |
| 水深高度控制： | 使用水深传感器，检测水压，输入到主控单片机，PID算法处理后，叠加输出到姿态电机之上，维持水深在目标值。 |
| 推进控制： | STM32单片机主控，输出PWM到电调控制电机转动，进而控制机器人前进方向。 |
| 管道路线识别： | 使用视觉处理器，二值化处理水下画面，识别管道位置，反馈角度环以及水平偏移位置环，通过串口发送到主控单片机，通过PID算法，使机器人沿管道平稳前进。 |
| 障碍块识别： | 使用视觉处理器，运行检测算法，发送识别结果到主控单片机，点亮相应LED灯。 |
| 调试及用户交互： | 使用蓝牙模块用于调试与启动，同时搭载一个OLED屏幕用于进行数据显示。 |
2.2 器件选择及实施方案
| 模块 | 方案 |
|---|---|
| 陀螺仪： | 使用MPU6050模块，采用互补滤波对原始数据进行处理，计算出当前的ROLL轴和PITCH轴数据。 |
| 水深传感器： | 使用MS5837-60BA水深传感器，使用IIC读取数据，该模块数据精度高，水下检测稳定性高，适合本场景使用。 |
| 电调与电机： | 使用ZTW水冷双向无刷电调，以及正反桨电机，该电调适用于极端环境使用，具备双向推进，性能良好，搭配正反桨，两者相互抵消运行过程中电机的转动惯量。 |
| 视觉处理器： | 使用OPENMV模块，模块性能稳定，适合一般场景下的视觉识别，识别水下管道以及障碍物精确度高，通过Python编程，编程难度低。 |
| 主控单片机： | 使用STM32F103C8T6芯片，该芯片存储器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB， 37个通用I/O口，4个定时器，2IIC，2SPI，3*USART，系统时钟频率最高可到72MHz。 |
| 蓝牙模块： | 使用HC-05模块，成本低廉，可替换性高。 |
| OLED模块： | 使用7脚12864模块，通过SPI通信，传输速率快，成本低，编程简易。 |
| 报警灯： | 使用WS2812 RGB彩灯模块，单总线编程，程序简单，灯光效果好。 |
三、程序设计
水中机器人的程序设计基于uC/OS-Ⅲ实时操作系统进行开发，左边为程序的整体流程图，程序流程中，我们使用UCOS创建了5个主要任务，具体任务的功能如下：
- 串口任务：串口任务中串口二用于与OpenMV通信，接收识别的水管位置信息以及障碍物的形状信息，同时串口一外接了蓝牙用于启动整体系统。
- RGB任务：RGB任务使用了 WS2812彩灯模块，采用单总线的方式编程，任务中通过传递的不同信号量进行不同颜色点灯操作。
- OLED任务：接收其他任务需要显示的消息，将其显示在OLED上。
- 电机控制任务： 读取陀螺仪当前的角度数据，带入角度环输出到电调上，维持机器人的平衡，同时通过上位机传过来的角度数据，维持机器人前进方向，读取水压数据，带入PID算法，维持水深。
- 水压检测任务： 通过IIC读取水压传感器数据，将压强数据发送给其他任务。
程序流程图如下：
四、硬件设计
电路原理图如下图所示，团队考虑水下机器人的主板容易损坏，设计思路为设计一块底板，预留接口，连接其他模块，方便替换，图中预留的接口分别为STM32F103C8T6最小系统板接口，上位机通信接口，水深传感器接口，OLED显示模块接口，6050模块接口，蓝牙模块接口，开关，以及舵机PWM接口，电源供电方式采用电调自身降压到5V给单片机进行供电。以下为各部分模块的介绍：
- STM32F103C8T6模块：两路排母接口，连接C8T6最小系统板， 引出各个IO口通过底部PCB连接到各个模块，进行控制。
- 上位机通信串口，采用4脚排针，引出串口二的VCC、GND、RX、TX与OpenMV连接。
- OLED排针接口，与主控板上硬件SPI相连接。
- MPU6050陀螺仪模块，使用模拟IIC与开发板连接。
- 蓝牙模块通信串口，使用排母将单片机串口二的RX、TX与蓝牙连接在一起。
- 六路PWM输出接口，信号端与C8T6主控TIM1和TIM3的PWM输出连接。
电路原理图：
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