专利名称：用于海参养殖观察的水下机器人的制作方法
技术领域：
本发明是一种新型水下机器人的研制技术，具体说是一种用于海参养殖观察的水下机器人。
背景技术：
我国有广阔的水面进行水产养殖，比如海参、鲍鱼等的养殖。在海参的生长过程中，要经常观察海参的生长情况，根据海参在海底的分布情况，及时进行海参苗的补充。根据观察水底饲料的多少投放饵料，避免浪费。在海参的成熟期，观察海参，确定最佳的海参收获期。目前上述对于海参的观察都是靠潜水员肉眼观察判断，潜水员观察的范围有限，并且由于他们不是海参养殖专业人员，不能给海参养殖专家非常准确的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以把水下的图像直接传送到水面，并且图像可以储存，供养殖专家分析使用的水下观察的水下机器人。
为了实现上述目的，本发明的设计出发点用于海参观察的水下机器人有特殊的要求，如体积小，重量轻，安全可靠，成本低廉，用电功率低，能够确定机器人在海中的位置。本发明旨在满足上述海参观察的主要要求，尽量减少水下机器人的传感器数量。具体方案是由水上水下两部分组成，通过电缆连接；水上部分包括动力单元、控制单元、显示单元三部分，动力单元由发电机及稳压电源组成，为水上、水下提供交流和直流电源；控制单元由相互连接的控制单杆、控制电路组成；显示单元以视频监视器为核心，连接有字符叠加器、视频录放机；水下部分是水下机器人本体，由推进器、摄像机、指北针、照明灯、电缆、防护架、浮力仓、支架组成，水平方向安装左水平推进器、右水平推进器，在浮力仓后部，垂直方向安装垂直推进器，在浮力仓中部，并于支架上，防护架与浮力仓安装在一起；在浮力仓前部安装摄像机、照明灯，摄像机通过屏蔽电缆至水上显示部分中的监视器；在防护架上安装有指北针；其中摄像机和照明灯安装方式与水平夹角成40～50度；其中指北针安装于摄像机斜下方位置，以保证在显示单元中视频监视器屏幕中有指北针的图像显示为准；其中浮力仓前部是透明的有机玻璃罩；其中摄像机可以选择暗光型水下用摄像机，或普通的CCD摄像机；其中在支架上可以加设配重；其中所述电缆上串有浮力球；其中控制单元中控制电路包括水平方向的控制电路及垂直方向的控制电路，其中
水平方向的控制电路接收进退、转向的单杆控制信号，首先通过信号调整匹配电路进行信号的调整匹配，再经信号限幅电路至信号变换，同时进行极性判断，极性判断电路的控制信号给功率级，功率级输出至水下机器人推进器的电机；垂直方向的控制电路接收垂直的单杆控制信号，首先经调整匹配电路进行信号的调整匹配，然后经信号限幅至信号变换电路，同时进行极性判断，极性判断电路的控制信号给功率级，功率级输出至水下机器人推进器的电机。
本发明具有如下优点1、本发明特点主要表现在简单可靠，体积小，成本低。根据海参养殖观察的实际使用要求，它去掉了一些可以节省的传感器。指示方向的不是需要电的罗盘，而是水密封的指北针。指北针的信号通过电视图像观察，减少电缆导线的芯数。
2、本发明所述水下机器人的本体无电子线路板，增加了可靠性并减少了维护需求。
3、本发明辅助设备少，所以水下机器人本体设计的体积小，重量轻，便于携带和使用。
4、成本低廉，适合批量生产。
5、本发明也可用于其它水产品养殖。
图1为本发明结构框图。
图2为图1中控制盒结构图。
图3为图1中视频监视器显示示意图。
图4为图1中水下机器人本体机械结构示意图。
图5为本发明水平方向的控制电路的原理框图。
图6为本发明水平方向的控制电路原理图。
图7为本发明垂直方向的控制电路的原理框图。
图8为本发明垂直方向的控制电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明是一种有缆水下观察用水下机器人。由水上水下两部分组成(图1)，通过电缆连接；水上部分包括，动力单元、控制单元、显示单元三部分。动力单元可由柴油发电机或汽油发电机及稳压电源组成，为水上、水下提供交流和直流电源，交流电源给显示单元供电。控制单元由控制单杆、控制电路组成，操作员扳动单杆就可以控制水下机器人的前进、后退、左转、右转、上升、下降等运动。控制单杆安装在控制盒里，与控制电路相连，如图2所示(图中84为左右水平推进器单杆，85为垂直推进器单杆，9为摄像机开关，10为背带)。显示单元以视频监视器为核心，连接有字符叠加器、视频录放机，在视频监视器上可以实时的看到水下的情况，并由视频录放机记录视频图像，供以后的分析使用。视频监视器可以选用最简单的9英寸的黑白电视，更清楚的画面可以通过录放机回放观察；通过字符叠加器，可以由人工随时输入目前的船的位置，限制水下机器人电缆的长度，水下机器人和母船在水平面的相对距离不大的情况下，母船的位置就可以认为是机器人的位置。
如图4所示，水下部分是水下机器人本体。本体由推进器、摄像机1、指北针2、照明灯3、电缆4、防护架5、浮力仓6、支架7组成，推进器共有三个，由配置的直流电机带动螺旋桨转动。水平方向安装左、右水平推进器81、82，安装在浮力仓6后部，控制机器人的前进、后退、左传、右转等运动。垂直方向安装垂直推进器83，安装在浮力仓6中部，于支架7上，控制机器人上升、下降运动。防护架5与浮力仓6安装在一起；在浮力仓6的左前部安装一个摄像机1，通过屏蔽电缆至水上显示部分中的监视器；在浮力仓6的右前部安装一个照明灯3；浮力仓6前部是透明的有机玻璃罩。摄像机1可以选择暗光型水下用摄像机，或普通的CCD摄像机。摄像机1和照明灯3都对准斜下方(即与水平夹角为45度)，便于观察海底的情况(这样摄像机不用安装在云台上)。在防护架5上安装一个防水密封指北针2，于摄像机1斜下方位置，保证在显示单元中视频监视器屏幕的右下角有指北针2的图像显示，可以直接看到指北针2的读数(如图3所示)，这样可以不用电缆传输信号。水下机器人不需要安装深度计，可以通过摄像机1判断水下机器人距离水底的高度，以节省传感器和电缆的芯数。水下机器人的水下本体上没有电路板，减少水下机器人损坏的可能性，减少维护工作量。
通过在支架7上捆绑铅块配重，使水下机器人本体有微小的正浮力。由于水下机器人本体的体积小，负载能力差，所以水上、水下连接的电缆采用为中性浮力的。在电缆外部串上浮力球将电缆做成中性浮力的电缆。所述电缆分别给3个推进器电机、照明灯供电，还用于给摄像机供电和传输视频信号。
本发明的水下机器人所有的控制电路全在水上，非常便于电路的维护。水上的控制电路包括，控制水下机器人在水平方向上前进、后退、左转、右转的控制电路和控制水下机器人上升、下降的控制电路。控制电路的信号经过功率级的线性功率放大，推动直流电机转动，电机带动螺旋桨的旋转，驱动机器人本体进行不同的运动。
控制单元中控制电路包括水平方向的控制电路及垂直方向的控制电路，其中参见图5，水平方向的控制电路接收进退、转向的单杆控制信号，首先通过信号调整匹配电路进行信号的调整匹配，再经信号限幅电路至信号变换，同时进行极性判断；极性判断电路的控制信号给功率级，使功率级换向，进而控制水下机器人电机的转向。水下机器人就会按照要求做相应的运动。
参见图6，水平方向的控制电路，具体由第1～2、6～7运算放大器IC1～IC2、IC6～IC7组成的电路进行信号调整匹配电路，并且实现转向功能。第1～4、8～11二极管D1～D4、D8～D11组成信号限幅电路，分别起到限幅的功能。第3～4、8～9运算放大器IC3～IC4和IC8～IC9组成的信号变换电路分别实现信号变换的功能，使控制信号变为0～5V。第5、10运算放大器IC5和IC10进行极性判断。第16～17线性功率放大器IC16～IC17组成功率级，功率级输出至水下机器人左、右水平推进器的电机。
如图7所示，垂直方向的控制电路接收垂直的单杆控制信号，首先经调整匹配电路进行信号的调整匹配，然后经信号限幅至信号变换电路，同时进行极性判断，极性判断电路的控制信号给功率级，使功率级换向，控制水下机器人电机的转向。
图8是垂直方向的控制电路，具体由第11运算放大器IC11组成的电路进行信号调整匹配，第15～18二极管D15～D18组成信号限幅电路，起到限幅的功能；第12～13运算放大器IC12～IC13组成的信号变换电路实现信号变换的功能。第14运算放大器IC14进行极性判断。第15线性功率放大器IC15构成功率级，功率级输出至水下机器人垂直推进器的电机。
本发明操作过程及结果是水下机器人本体是水下密封的，操作员通过扳动单杆控制水下机器人本体的运动。单杆水平方向的控制信号，送到IC1、IC2和IC6、IC7组成的电路进行信号调整，并且实现转向功能。D1～D4和D8～D11分别起到限幅的功能(使信号最高为5V)。IC4和IC9组成的电路分别实现信号变换的功能，使控制信号从-5V～+5V变为0～5V。IC5和IC10进行极性判断(是判断单杆信号是前进或者是后退，是左转或者是右转)。功率线性放大模块可以购买现成的产品。功率线性放大模块输出的功率信号，通过电缆送给水下机器人本体上水平方向的2个推进器电机，控制水下机器人水平方向上的运动。单杆垂直方向的控制信号，送给IC11组成的电路进行信号调整。D15～D18起到限幅的功能(使信号最高为5V)。IC13组成的电路实现信号变换的功能(把-5V～+5V的控制信号变成0～5V的控制信号)。IC14进行极性判断(判断单杆信号是上升还是下降)。功率线性放大模块可以购买现成的产品。功率线性放大模块输出的功率信号，通过电缆送给水下机器人本体上垂直方向的推进器电机，控制水下机器人垂直方向上的运动。
水下机器人本体上的摄像机，是在密封的浮力仓6中，摄到的水下图像，通过屏蔽电缆送到水上监视器，并通过录像机，可以记录摄到的内容。在监视器图像上可以看到指北针显示的机器人航向和字符叠加器标记的机器人的位置。
本发明水上部分给水下部分送控制和驱动信号，控制水下机器人本体上升、下降、前进、后退、左传、右转等运动。水上部分的视频监视器接收水下部分摄像机1的视频信号，观察水下海参的生长情况。
本发明同时适用于其它海或淡水养殖的水产品。
本发明体积小(长40厘米，宽30厘米)，在水下运动时，对海参的影响小。重量轻方便搬运和使用。安全可靠，使用方便也是本发明的一项重要指标。养殖专家对于高科技的产品不熟悉，也没有维修能力，为了使水下机器人的性能可靠，本发明最大限度的减少水下机器人的传感器，但是要完全满足海参观察的要求。尽量减少在水下的电子设备，做到无水下电路板。这些设计可以大大的提高水下机器人的可靠性。用于观察海参的船都是小舢板，在舢板上只能安装一台小功率柴油发电机，水下机器人的功率低，所用的柴油发电机的体积就小。由于功率小，也可以使用蓄电池作为动力源。
权利要求
1.一种用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于由水上水下两部分组成，通过电缆连接；水上部分包括动力单元、控制单元、显示单元三部分，动力单元由发电机及稳压电源组成，为水上、水下提供交流和直流电源；控制单元由相互连接的控制单杆、控制电路组成；显示单元以视频监视器为核心，连接有字符叠加器、视频录放机；水下部分是水下机器人本体，由推进器、摄像机(1)、指北针(2)、照明灯(3)、电缆(4)、防护架(5)、浮力仓(6)、支架(7)组成，水平方向安装左水平推进器(81)、右水平推进器(82)，在浮力仓(6)后部，垂直方向安装垂直推进器(83)，在浮力仓(6)中部，并于支架(7)上，防护架(5)与浮力仓(6)安装在一起；在浮力仓(6)前部安装摄像机(1)、照明灯(3)，摄像机(1)通过屏蔽电缆至水上显示部分中的监视器；在防护架(5)上安装有指北针(2)。
2.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中摄像机和照明灯安装方式与水平夹角成40～50度。
3.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中指北针(2)安装于摄像机斜下方位置，以保证在显示单元中视频监视器屏幕中有指北针(2)的图像显示为准。
4.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中浮力仓(6)前部是透明的有机玻璃罩。
5.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中摄像机(1)可以选择暗光型水下用摄像机，或普通的CCD摄像机。
6.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中在支架(7)上可以加设配重。
7.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中所述电缆上串有浮力球。
8.按照权利要求1所述用于海参养殖观察的水下机器人，其特征在于其中控制单元中控制电路包括水平方向的控制电路及垂直方向的控制电路，其中水平方向的控制电路接收进退、转向的单杆控制信号，首先通过信号调整匹配电路进行信号的调整匹配，再经信号限幅电路至信号变换，同时进行极性判断，极性判断电路的控制信号给功率级，功率级输出至水下机器人推进器的电机；垂直方向的控制电路接收垂直的单杆控制信号，首先经调整匹配电路进行信号的调整匹配，然后经信号限幅至信号变换电路，同时进行极性判断，极性判断电路的控制信号给功率级，功率级输出至水下机器人推进器的电机。
全文摘要
本发明公开一种用于海参养殖观察的水下机器人，由包括动力单元、控制单元、显示单元的水上部分和水下机器人本体为核心的水下部分组成，其中控制单元由相互连接的控制单杆、控制电路组成；显示单元以视频监视器为核心，连接有字符叠加器、视频录放机；水下机器人本体由推进器、摄像机、指北针、照明灯、电缆、防护架、浮力仓、支架组成，水平方向安装左水平推进器、右水平推进器，在浮力仓后部，垂直方向安装垂直推进器，防护架与浮力仓安装在一起；在浮力仓前部安装摄像机、照明灯，摄像机通过屏蔽电缆至水上显示部分中的监视器；在防护架上安装有指北针。采用本发明可以把水下的图像直接传送到水面，并且图像可以储存，供养殖专家分析使用。
文档编号B25J19/04GK1778530SQ20041008756
公开日2006年5月31日 申请日期2004年11月17日 优先权日2004年11月17日
发明者于开洋 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所