小型水下机器人电力推进系统设计(附件)【字数：15048】
水下机器人是一种人们用于在水下作业的机器人，它可以在水下运动，通过人工遥控或依靠自主操作的方式进行水下的作业任务。水下机器人系统除了搭载运动，操控，电力等设备，依照实际使用情况，可以利用机械手、摄像头、传感器等不同种类的装备来完成任务。水下机器人用途广泛，使用方式也在不断创新和改变，运动控制系统是最为关键的一部分，运动控制性能从根本上决定了水下机器人的整体性能。本课题的目的是设计小型水下机器人的电力推进系统，设计的内容包括小型水下机器人电机推进器的布置，系统硬件电路的设计和系统软件的设计。推进器的方案设计采用四推进器方式，进退和转向两个，潜浮两个。系统硬件电路主要分为5个模块单片机AT89C52，显示电路模块，电机驱动芯片模块，独立键盘模块，转速测量模块。单片机模块采用AT89C52芯片，用于数据处理和控制。显示数据模块采用LCD1602液晶显示屏，用于设定的转速和电机实时测量的转速显示。电机驱动采用L298N芯片，用于控制直流电机驱动推进器。独立键盘模块用于电机启动停止，正反转，加减速的控制，实现水下机器人三维机动能力。系统软件主要分为主程序，LCD显示程序，独立按键程序，延时程序和中断服务程序。关键词水下机器人；直流电机；AT89C52；脉冲宽度调制（PWM）；PID
Keywords: underwater robot; direct current machine; AT89C52; Pulse Width Modulation (PWM); PID 目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究目的和意义 1
1.2国内外发展及研究现状 2
1.3未来的发展 3
第二章 系统总体方案设计及硬件选型 5
2.1设计过程及其要求 5
2.2设计总体方案说明及结构图 5
2.2.1推进器的安装方式 5
2.2.2推进器的布置原则 5
2.2.3推进器的设计说明 6
2.2.4潜浮运动控制方案 7
2.2.5进退及转向运动控制方案 7
2.2.6设计方案结构图 8
2.3 硬件选型 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.4 AT89C52单片机 9
2.4.1 AT89C52单片机介绍 9
2.4.2最小系统 10
2.4.3 AT89C52管脚说明 11
2.5 L298N电机驱动芯片 12
2.6 独立键盘 14
2.7 LCD1602液晶显示屏 15
第三章 硬件结构设计 16
3.1键盘功能及其接口 16
3.2液晶屏显示及其接口 17
3.3电机驱动电路 18
3.4电机测速方法 19
第四章 系统软件设计 20
4.1主程序流程图 21
4.2 PID算法子程序 21
4.3 PWM信号产生 24
4.4离散量PID输出信号的转换 25
4.5键盘扫描程序 26
4.6显示模块的显示 28
4.7中断服务子程序 29
第五章 软硬件电路调试和仿真 30
5.1PROTEUS仿真 30
5.2进退及转向运动控制仿真结果 31
5.3潜浮运动控制仿真结果 36
5.4仿真结果总结 39
总结与展望 40
致谢 41
参考文献 42
附录 44
第一章 绪论
1.1课题研究目的和意义
由于全球水资源的紧缺，水资源的可持续发展是一个重要课题，海洋能源的探测，水下环境的监控，水下打捞和搜救等工作任务的增加，我们对水下安全问题更加看重，在环境复杂，有风险的浅水中的活动增多。以前都需要专业的潜水员潜入水下完成这些工作，但是潜水员一次成本高，而且往往有未知的风险，因此现在逐渐转向用水下机器人来替代人工完成工作。目前水下机器人是人们进行水下任务最重要且有效的装备。水下机器人技术是典型的军民两用技术，其技术也逐渐成为研究的热点，目前许多国家都在开发用于各种用途的水下机器人。许多研究机构和高等院校对水下机器人有巨大的兴趣并着手于它的技术研究，而且不断开发制造出了多型号的样机。
水下机器人根据使用的方法大致分成三种：自主水下机器人AUV、有缆遥控机器人ROV和载人潜水器HOV[1]。载人潜水器可载人下水，就相当于小的潜水艇。载人潜水器一般都体积大、成本高、危险系数高，运动控制也不灵活，因此实际中较少，大多数的载人潜水器应用于科学研究方面的工作。自主水下机器人AUV没有与水面连接的缆绳，依靠本身携带的动力和控制系统来自我控制，能灵活自主地完成各种水下作业任务。AUV体积小、运动控制灵活、活动范围广、不需要水面支持，因此这类水下机器人成为水下机器人技术的研究和发展方向。但AUV本身体积小，负载和续航能力有限，目前只能用于一些短程和轻载的任务。有缆遥控机器人ROV需要控制人员远程控制ROV进行水下作业，但它控制灵活，安全性高，用途广泛，是现在人们使用的最多的水下机器人。最早的ROV是用于军事任务，但随着水下机器人应用领域的拓宽，现在也逐渐进入民用领域。
例如警用水下机器人是一个重要应用方向，在水下安保作业中，蛙人们在水中执行最多的任务就是排除、搜索水中可疑物品。警用水下机器人应用于水下刑事证物的搜寻、涉案水下现场调查，水下打捞、摄像、救援等领域[2]。可通过螺旋桨推进器来控制机器人在水中进行运动，利用摄像机观测水下情况，用机械手进行操作。因为警用水下机器人的任务往往要花大量时间进行观测，搜寻作业,而且机身搭载的多种设备与水上控制台之间会有大量数据传输和交换,因此警用水下机器人都会设计成小型缆控水下机器人的形式。小型水下机器人的应用范围十分广泛，随着水下机器人的应用范围更广，开发一种小型水下机器人来替代人们完成各种水下的复杂工作非常必要。因此，本文研究旨在研究小型水下机器人的电力推进系统，设计一种运动控制方案，实现水下机器人在前进、后退、转向、潜浮三维机动能力。
1.2国内外发展及研究现状
加拿大ISE公司将水下机器人的发展过程简单分为四个阶段，前三个阶段也称三次革命：第一次是在20世纪 60 年代，以潜水员潜水和载人潜水器为主要标志,第二次在 20世纪70 年代，主要是遥控式水下机器人ROV的技术进步，整个产业慢慢成熟为标志,第三次在20世纪90 年代，自主水下机器人AUV的发展为主要标志[3]。而现在已经成为混合型水下机器人的时代。任何一种水下机器人都有相对其他类型的局限性，为了应对目前人们越来越多的复杂应用需求，把多种类型组合成新系统以适应需求，是当前水下机器人技术的主要发展方向。美国、日本、德国、挪威等国家拥有发达的水下机器人技术，已经研制出了不少智能化的水下机器人[4]。虽然大部分主要用于试验目的，但随着各种高端技术的发展和人们应用需求的不断提高，用于各种工作条件和适应复杂需求的智能水下机器人不断出现。
Keywords: underwater robot; direct current machine; AT89C52; Pulse Width Modulation (PWM); PID 目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究目的和意义 1
1.2国内外发展及研究现状 2
1.3未来的发展 3
第二章 系统总体方案设计及硬件选型 5
2.1设计过程及其要求 5
2.2设计总体方案说明及结构图 5
2.2.1推进器的安装方式 5
2.2.2推进器的布置原则 5
2.2.3推进器的设计说明 6
2.2.4潜浮运动控制方案 7
2.2.5进退及转向运动控制方案 7
2.2.6设计方案结构图 8
2.3 硬件选型 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.4 AT89C52单片机 9
2.4.1 AT89C52单片机介绍 9
2.4.2最小系统 10
2.4.3 AT89C52管脚说明 11
2.5 L298N电机驱动芯片 12
2.6 独立键盘 14
2.7 LCD1602液晶显示屏 15
第三章 硬件结构设计 16
3.1键盘功能及其接口 16
3.2液晶屏显示及其接口 17
3.3电机驱动电路 18
3.4电机测速方法 19
第四章 系统软件设计 20
4.1主程序流程图 21
4.2 PID算法子程序 21
4.3 PWM信号产生 24
4.4离散量PID输出信号的转换 25
4.5键盘扫描程序 26
4.6显示模块的显示 28
4.7中断服务子程序 29
第五章 软硬件电路调试和仿真 30
5.1PROTEUS仿真 30
5.2进退及转向运动控制仿真结果 31
5.3潜浮运动控制仿真结果 36
5.4仿真结果总结 39
总结与展望 40
致谢 41
参考文献 42
附录 44
第一章 绪论
1.1课题研究目的和意义
由于全球水资源的紧缺，水资源的可持续发展是一个重要课题，海洋能源的探测，水下环境的监控，水下打捞和搜救等工作任务的增加，我们对水下安全问题更加看重，在环境复杂，有风险的浅水中的活动增多。以前都需要专业的潜水员潜入水下完成这些工作，但是潜水员一次成本高，而且往往有未知的风险，因此现在逐渐转向用水下机器人来替代人工完成工作。目前水下机器人是人们进行水下任务最重要且有效的装备。水下机器人技术是典型的军民两用技术，其技术也逐渐成为研究的热点，目前许多国家都在开发用于各种用途的水下机器人。许多研究机构和高等院校对水下机器人有巨大的兴趣并着手于它的技术研究，而且不断开发制造出了多型号的样机。
水下机器人根据使用的方法大致分成三种：自主水下机器人AUV、有缆遥控机器人ROV和载人潜水器HOV[1]。载人潜水器可载人下水，就相当于小的潜水艇。载人潜水器一般都体积大、成本高、危险系数高，运动控制也不灵活，因此实际中较少，大多数的载人潜水器应用于科学研究方面的工作。自主水下机器人AUV没有与水面连接的缆绳，依靠本身携带的动力和控制系统来自我控制，能灵活自主地完成各种水下作业任务。AUV体积小、运动控制灵活、活动范围广、不需要水面支持，因此这类水下机器人成为水下机器人技术的研究和发展方向。但AUV本身体积小，负载和续航能力有限，目前只能用于一些短程和轻载的任务。有缆遥控机器人ROV需要控制人员远程控制ROV进行水下作业，但它控制灵活，安全性高，用途广泛，是现在人们使用的最多的水下机器人。最早的ROV是用于军事任务，但随着水下机器人应用领域的拓宽，现在也逐渐进入民用领域。
例如警用水下机器人是一个重要应用方向，在水下安保作业中，蛙人们在水中执行最多的任务就是排除、搜索水中可疑物品。警用水下机器人应用于水下刑事证物的搜寻、涉案水下现场调查，水下打捞、摄像、救援等领域[2]。可通过螺旋桨推进器来控制机器人在水中进行运动，利用摄像机观测水下情况，用机械手进行操作。因为警用水下机器人的任务往往要花大量时间进行观测，搜寻作业,而且机身搭载的多种设备与水上控制台之间会有大量数据传输和交换,因此警用水下机器人都会设计成小型缆控水下机器人的形式。小型水下机器人的应用范围十分广泛，随着水下机器人的应用范围更广，开发一种小型水下机器人来替代人们完成各种水下的复杂工作非常必要。因此，本文研究旨在研究小型水下机器人的电力推进系统，设计一种运动控制方案，实现水下机器人在前进、后退、转向、潜浮三维机动能力。
1.2国内外发展及研究现状
加拿大ISE公司将水下机器人的发展过程简单分为四个阶段，前三个阶段也称三次革命：第一次是在20世纪 60 年代，以潜水员潜水和载人潜水器为主要标志,第二次在 20世纪70 年代，主要是遥控式水下机器人ROV的技术进步，整个产业慢慢成熟为标志,第三次在20世纪90 年代，自主水下机器人AUV的发展为主要标志[3]。而现在已经成为混合型水下机器人的时代。任何一种水下机器人都有相对其他类型的局限性，为了应对目前人们越来越多的复杂应用需求，把多种类型组合成新系统以适应需求，是当前水下机器人技术的主要发展方向。美国、日本、德国、挪威等国家拥有发达的水下机器人技术，已经研制出了不少智能化的水下机器人[4]。虽然大部分主要用于试验目的，但随着各种高端技术的发展和人们应用需求的不断提高，用于各种工作条件和适应复杂需求的智能水下机器人不断出现。
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