專利名稱：水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及水下機器人狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到水下機器人傳感器信
號采集與顯示裝置。
背景技術(shù)：
海洋是人類發(fā)展的四大戰(zhàn)略空間(陸、海、空、天)中繼陸地之后的第2大空間，是生物資源、能源、水資源和金屬資源的戰(zhàn)略性開發(fā)基地，是最有發(fā)展?jié)摿Φ目臻g，對我國經(jīng)濟與社會發(fā)展產(chǎn)生著直接、巨大的支撐作用。作為人類探索和開發(fā)海洋的助手，水下機器人特別是無人水下機器人UUV (Unmanned UnderwaterVehicle)將在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。公開號為CN1709766的專利，介紹了一種浮力和推進器雙驅(qū)動方式遠程自治水下機器人，用于海洋水下工程技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明包括機器人主體，一對主翼，一對推進器和垂直尾翼，機器人主體的外部是整流用的透水殼，主翼和垂直尾翼具有低流體阻力翼型，主翼設(shè)置于透水殼后部，對稱分布于透水殼左右兩側(cè)，垂直尾翼設(shè)置于透水殼尾部，在透水殼的垂直對稱面內(nèi)。推進器設(shè)置在主翼的外側(cè)。該發(fā)明具有推進器驅(qū)動和浮力驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，在浮力驅(qū)動模式下依靠浮力和重心的調(diào)節(jié)產(chǎn)生推力和控制運動方向，具有高的續(xù)航能力，在推進器驅(qū)動模式下依靠推進器產(chǎn)生推力，依靠左右推進器的推力差和重心調(diào)節(jié)控制運動方向，具有聞機動能力。美國專利號為US5995992的專利公開了一種用于海洋科學測量與搜索的6英尺長，直徑為13英寸的自治水下機器人。介紹了它的計算機系統(tǒng)，I/O 口，水下浮力，回收框架，電池動力，高速串口，實時數(shù)據(jù)采集及其控制系統(tǒng)的設(shè)計。以上發(fā)明專利均是有關(guān)無人水下機器人裝置的設(shè)計，但由于海洋深處工作環(huán)境的復雜性，不可預測性，水下機器人一旦出現(xiàn)故障，不僅機器人無法完成水下作業(yè)任務(wù)，而且機器人本身也難以回收，損失巨大。因此其可靠性技術(shù)研究與設(shè)計十分關(guān)鍵。而直接服務(wù)于水下機器人可靠性控制技術(shù)的研究幾乎還是空白，特別是兼顧無纜自治水下機器人 AUV (Autonomous Underwater Vehicle)與纜控無人水下機器人 ROV (Remotely-operated Vehicle)特點的新型無人水下機器人ARV的傳感器信號采集與顯示裝置未見任何專利公開。綜上所述，針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，特別需要一種水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，以解決以上提到的問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，兼顧了無纜自治水下機器人和纜控無人水下機器人的特點，從而實現(xiàn)本發(fā)明的目的。本實用新型所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，包括傳感器系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、光端機及水面監(jiān)視器，其特征在于，[0010]所述傳感器系統(tǒng)設(shè)置于水下機器人上，包括用于測量水下機器人在水中的深度，并將測得的深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃入妷盒盘柕纳疃葌鞲衅?；用于測量水下機器人的航行速度，并將測得的航行速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣入妷盒盘柕乃俣葌鞲衅?；用于測量水下機器人的水下姿態(tài)，并將測得的方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)電壓信號的姿態(tài)傳感器；用于測量水下機器人前視環(huán)境，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕穆暭{傳感器；用于測量水下機器人周圍環(huán)境，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕墓鈱W成像傳感器；用于測量水下機器人電池組狀態(tài)，并將電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栯姵乇O(jiān)控傳感器；用于測量水下機器人推進器轉(zhuǎn)速，并將推進器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕耐七M器監(jiān)控傳感器；所述單片機系統(tǒng)設(shè)置在水下機器人上，單片機系統(tǒng)的信號輸入端與所述上述傳感器信號的輸出端連接，以接收上述傳感器發(fā)送過來的深度電壓信號、速度電壓信號、姿態(tài)電壓信號、聲納電壓信號、光學電壓信號、電池狀態(tài)電壓信號和推進器狀態(tài)電壓信號；所述單片機系統(tǒng)設(shè)有用以驅(qū)動傳感器信號傳輸任務(wù)的通信模塊；所述光端機有一對(兩個)，分別位于水面母船和水下機器人上，兩個光端機之間通過光纖連接，通過RS-485串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；水下機器人上的光端機的輸入端與單片機系統(tǒng)的輸出端連接，水面母船上的光端機的輸出端與水面監(jiān)視器連接，保證水下傳感器信息傳輸?shù)剿姹O(jiān)視器；所述水面監(jiān)視器設(shè)置在水面母船上，水面監(jiān)視器內(nèi)部設(shè)有傳感器信號傳輸任務(wù)的通信模塊、利用傳感器歷史數(shù)據(jù)進行圖表生成的數(shù)據(jù)處理模塊，傳感器信號超限的報警模塊。在本實用新型的一個實施例中，所述單片機系統(tǒng)包括信號放大濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)模塊、串行通信口、微處理器和LCD液晶顯示模塊；所述多路開關(guān)模塊的輸入端與深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān)控傳感器、推進監(jiān)控傳感器連接，多路開關(guān)模塊的輸出端與信號放大濾波模塊電路的輸入端連接， A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接,所述微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器信號的輸出端連接，并與串行通信口連接。在本實用新型的一個實施例中，所述單片機系統(tǒng)硬件電路接口模塊，包括單片機系統(tǒng)電源電路、時鐘與復位電路、通信接口電路。在本實用新型的一個實施例中，所述水面監(jiān)視器包括數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。本實用新型的有益效果在于彌補了有關(guān)水下機器人數(shù)據(jù)采集與顯示的空白，提供了一種能有效的水下機器人狀態(tài)檢測與顯示裝置。

圖I為本實用新型所述水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實用新型所述單片機系統(tǒng)的基準電壓電路的原理圖。圖3為本實用新型所述通信接口電路的原理圖。圖4為本實用新型所述液晶顯示接口電路原理圖。圖5為本實用新型所述傳感器信號采集與顯示裝置的工作流程圖。
具體實施方式
為使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式
，進一步闡述本實用新型。如圖I所示，本實用新型所述的由水下機器人傳感器系統(tǒng)I、單片機系統(tǒng)2、光端機
3、水面監(jiān)視器4連接而成。水下機器人傳感器系統(tǒng)I包括有深度傳感器11、速度傳感器12、 姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17 及信號傳輸線；深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17與嵌入式控制器2的信號輸入端通過信號傳輸線連接。單片機系統(tǒng)2的信號輸出端與光端機31 (水下部分)連接，光端機31輸出端與光端機32 (水面部分)連接，光端機31與光端機32之間通過485串行光纖通訊線連接； 光端機32的輸出端與水面監(jiān)視器4的信號輸入端連接。單片機系統(tǒng)2 密封于 ARV (Autonomous Remotely-operated Vehicle)水下機器人載體中，包括有信號放大濾波模塊、與信號放大濾波模塊電路、A/D轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)模塊、 485串行通信口及微處理器，多路開關(guān)模塊輸入端與各信號傳感器連接，所述多路開關(guān)模塊輸出端與信號放大濾波模塊電路輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接，所述微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器信號輸出端連接，并與485串行通信口連接。光端機3，包括密封于ARV水下機器人載體中的光端機31和水面母船上的光端機 32，兩者通過光纖連接，采用RS-485串口通信方式傳送水下機器人的傳感器信號；水面監(jiān)視器3，包括485串行通信模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、故障數(shù)據(jù)顯示模塊、報警處理模塊。單片機系統(tǒng)2中，還包括單片機系統(tǒng)電源電路、時鐘與復位電路、液晶顯示接口電路、電壓基準電路等；微處理器芯片采用美國Cygnal公司的C8051F120系列芯片；數(shù)值顯示模塊采用ST7920控制器驅(qū)動的點陣液晶顯示模塊0CM4X8C，該模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。單片機系統(tǒng)電壓基準電路如圖 2所示,RS-485通信電路分別如圖3所示,液晶顯示接口電路如圖4所示。上述電路對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，是熟知的，在此不做詳細描述。設(shè)置于水下機器人上的深度傳感器用以測量水下機器人的水中深度，并將測得的深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃入妷盒盘枺辉O(shè)置于水下機器人上的速度傳感器用以測量水下機器人的航行速度，并將測得的航行速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣入妷盒盘?；設(shè)置于水下機器人上的姿態(tài)傳感器用以測量水下機器人的轉(zhuǎn)首、縱傾和橫搖方向，并將測得的方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；設(shè)置于水下機器人上的聲納傳感器用以測量水下機器人的前方圖像，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；設(shè)置于水下機器人上的光學成像傳感器用以測量水下機器人的周圍的圖像，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；設(shè)置于水下機器人上的電池監(jiān)控傳感器用以測量水下機器人電池組工作狀態(tài)，并
5將測得的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；設(shè)置于水下機器人上的推進監(jiān)控傳感器用以測量水下機器人推進器的工作狀態(tài)， 并將測得的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電壓信號；設(shè)置在水下機器人上的單片機系統(tǒng)信號輸入端與所述深度傳感器、速度傳感器、 姿態(tài)傳感器、聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān)控傳感器、推進器監(jiān)控傳感器信號連接， 以接收所述深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān)控傳感器、推進監(jiān)控傳感器發(fā)送過來的深度電壓信號、速度電壓信號、姿態(tài)電壓信號、聲納電壓信號、光學電壓信號、電池狀態(tài)電壓信號、推進器狀態(tài)電壓信號。設(shè)置在水下機器人上的光端機31與水面母船上的光端機32通過光纖連接，采用 RS-485串口通信方式傳送水下機器人的傳感器信號到水面監(jiān)視器；設(shè)置在水面母船上的水面監(jiān)視器與水下機器人上的光端機32輸出端連接，以接收嵌入式控制器發(fā)送過來的各種信號，并進行水下機器人狀態(tài)顯示與報警。整個實用新型工作時如圖5所示深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、 聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17及信號傳輸線； 深度傳感器11、速度傳感器12、姿態(tài)傳感器13、聲納傳感器14、光學成像傳感器15、電池監(jiān)控傳感器16、推進監(jiān)控傳感器17分別輸出與各個信號對應(yīng)的電壓信號，并接入單片機系統(tǒng) 2 ;單片機系統(tǒng)2中，對電壓信號進行放大、濾波預處理及A/D轉(zhuǎn)換，通過光端機3的485串行接口送入水下機器人水面監(jiān)視器4 ;在水面監(jiān)視器4中，對來單片機系統(tǒng)2的不同時間系列的傳感器電壓信號進行數(shù)據(jù)保存與處理，恢復各個傳感器工作數(shù)據(jù)，即深度、速度、姿態(tài)、 聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控數(shù)值，最后在液晶顯示屏IXD上顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)。本實用新型的工作過程新型水下機器人ARV，是本實用新型的實驗載體，七種傳感器(深度、速度、姿態(tài)、聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控)安裝在ARV水下載體上，按照圖 I結(jié)構(gòu)連接各個設(shè)備，再按圖5的數(shù)據(jù)采集與顯示流程進行水下機器人狀態(tài)監(jiān)視處理。按下水面監(jiān)視器4薄膜面板的"信號采樣"按鈕，則水面監(jiān)視器4啟動通信程序驅(qū)動水下機器人單片機系統(tǒng)2，通過光端機3的串行接口將傳感器正常時的深度、速度、姿態(tài)、聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控的電壓信號送入水面監(jiān)視器4并保存；按下水面監(jiān)視器4薄膜面板的"數(shù)據(jù)處理"按鈕，則水面監(jiān)視器4啟動數(shù)據(jù)處理程序，用采集的深度、速度、姿態(tài)、聲納、光學、電池監(jiān)控、推進監(jiān)控的歷史信號進行表格和圖形處理，并在LCD上顯示傳感器狀態(tài)息。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，包括傳感器系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、光端機及水面監(jiān)視器，其特征在于所述傳感器系統(tǒng)設(shè)置于水下機器人上，包括用于測量水下機器人在水中的深度，并將測得的深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃入妷盒盘柕纳疃葌鞲衅?；用于測量水下機器人的航行速度，并將測得的航行速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣入妷盒盘柕乃俣葌鞲衅?；用于測量水下機器人的水下姿態(tài)，并將測得的方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)電壓信號的姿態(tài)傳感器；用于測量水下機器人前視環(huán)境，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕穆暭{傳感器；用于測量水下機器人周圍環(huán)境，并將測得的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕墓鈱W成像傳感器；用于測量水下機器人電池組狀態(tài)，并將電池組狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栯姵乇O(jiān)控傳感器；用于測量水下機器人推進器轉(zhuǎn)速，并將推進器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕耐七M器監(jiān)控傳感器；所述單片機系統(tǒng)設(shè)置在水下機器人上，單片機系統(tǒng)的信號輸入端與所述上述傳感器信號的輸出端連接，以接收上述傳感器發(fā)送過來的深度電壓信號、速度電壓信號、姿態(tài)電壓信號、聲納電壓信號、光學電壓信號、電池狀態(tài)電壓信號和推進器狀態(tài)電壓信號；上述單片機系統(tǒng)設(shè)有用以驅(qū)動傳感器信號傳輸任務(wù)的通信模塊；所述光端機有一對(兩個)，分別位于水面母船和水下機器人上，兩個光端機之間通過光纖連接，通過RS-485串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；水下機器人上的光端機的輸入端與單片機系統(tǒng)的輸出端連接，水面母船上的光端機的輸出端與水面監(jiān)視器連接，保證水下傳感器信息傳輸?shù)剿姹O(jiān)視器；所述水面監(jiān)視器設(shè)置在水面母船上，水面監(jiān)視器內(nèi)部設(shè)有傳感器信號傳輸任務(wù)的通信模塊、利用傳感器歷史數(shù)據(jù)進行圖表生成的數(shù)據(jù)處理模塊，傳感器信號超限的報警模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I上述的水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，其特征在于，所述單片機系統(tǒng)包括信號放大濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)模塊、串行通信口、微處理器和 LCD液晶顯示模塊；所述多路開關(guān)模塊的輸入端與深度傳感器、速度傳感器、姿態(tài)傳感器、 聲納傳感器、光學成像傳感器、電池監(jiān)控傳感器、推進監(jiān)控傳感器連接，多路開關(guān)模塊的輸出端與信號放大濾波模塊電路的輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入端與信號放大濾波模塊電路的輸出端連接，所述微處理器與A/D轉(zhuǎn)換器信號的輸出端連接，并并與串行通信口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I上述的水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，其特征在于，所述單片機系統(tǒng)硬件電路接口模塊，包括單片機系統(tǒng)電源電路、時鐘與復位電路、通信接口電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求I上述的水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，其特征在于，所述水面監(jiān)視器包括數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存貯模塊、數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種水下機器人傳感器信號采集與顯示裝置，由傳感器系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、光端機及水面監(jiān)視器連接而成；傳感器系統(tǒng)中的各傳感器與單片機系統(tǒng)的信號輸入端通過信號傳輸線連接，單片機系統(tǒng)通過光纖與光端機的信號輸入端連接，光端機的輸出端與水面監(jiān)視器連接。本實用新型彌補了有關(guān)水下機器人數(shù)據(jù)采集與顯示的空白，提供了一種能有效的水下機器人狀態(tài)檢測與顯示裝置。
文檔編號B63C11/52GK202350833SQ20112052300
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者劉續(xù)普, 孫兵, 朱大奇, 白樺, 袁芳, 鄧志剛, 顏明重, 馬巍 申請人:上海海事大學