专利名称：水下测距跟踪用接近觉传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于传感技术，涉及一种针对水下作业目标的水下接近觉传感器。
背景技术：
水下机器人、水下工程机械和其它水下装备在越来越多的领域发挥着越来越重大 的作用。例如在海洋勘探方面，需要利用水下机器人进行采样作业；在救生及安全保障领 域，需要排除障碍物或剪切电线、缠绕物等作业等等。在上述这些对水下目标进行抓取、剪 切等作业过程中，需要对目标进行跟踪及定位，这是对目标进行各种水下作业的一个重要 步骤环节。目前水下目标跟踪定位常采用的方法有光视觉，通常的包括单目视觉、双目视 觉；激光测距与视觉传感器信息融合方法；利用前视声纳或侧扫声纳以及采用声纳相控阵 等方法。上述传感器及跟踪定位方法在水下作业环境中存在的问题是视觉传感器虽然具 有较高的分辨率，但由于需要另配照明用光源，对搭载能力及能源有限的水下作业设备而 言是一个较大的局限；前视声纳或侧扫声纳的主要问题在于分辨率低，而高分辨率的3D成 像声纳价格昂贵且体积、重量多不适合中小型水下作业设备采用。上述方法的另一个问题 在于，目标的定位主要是基于光成像或声成像分析，因而其实时性能受图像处理速度的限 制。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种水下测距跟踪用 接近觉传感器，该传感器成本低，体积小，重量轻，适用于各型水下装置、定位精度高且实时 性好的水下目标定位跟踪。本实用新型提供的一种水下测距跟踪用接近觉传感器，其特征在于该接近觉传 感器包括接近觉阵列、发射电路、接收电路、辅助电路和主控电路；辅助电路分别与发射电路、接收电路和主控电路相连，为它们提供工作电压，并为 接近觉传感器提供通讯接口；接近觉阵列由三个超声探头构成，各超声探头的轴线之间的夹角为10° 15° ；发射电路与接近觉阵列的信号输入端相连，接近觉阵列的信号输出端与接收电路 的输入端相连，接收电路的输出端与主控电路相连；主控电路分别与发射电路、接收电路和辅助电路相连，对它们进行控制；发射电路产生正弦信号经接近觉阵列发射；接近觉阵列接收的经目标物体反射的 正弦回波信号提供给接收电路，接收电路对正弦回波信号进行阻抗匹配、信号放大和幅值 及时间滤波后产生中断信号提供给主控电路，主控电路对对中断信号进行处理，得到目标 物体的距离信息和方位信息。本实用新型将发射电路、接收电路、辅助电路和主控电路集成在一起，使得接近觉 传感器整体尺寸小、重量轻，适用于各型水下机器人及作业工具；由三个超声探头构成的接近觉阵列，通过轮流收发，可以获得其扇形覆盖工作区内目标物体的方位信息；通过中断信 号的时间间隔换算，得到目标的距离信息；通过通讯接口将上述得到的目标物体距离信息 和方位信息传递给水下作业工具，从而定位跟踪目标。
图1是水下测距跟踪用接近觉传感器的电路方框图；图2是接近觉阵列的布置示意图；图3是本实用新型一种实施例的示意图；图4是目标方位的判定示意图；图5是水下接近觉装置工作流程图。
具体实施方式
下面通过借助实施例更加详细地说明本实用新型，但以下实施例仅是说明性的， 本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。如图1所示，本实用新型提供的水下测距跟踪用接近觉传感器包括接近觉阵列 1、发射电路2、接收电路3、辅助电路4和主控电路5。如图2所示，接近觉阵列1由三个收发探头组成，其覆盖区域有部分重叠，整个波 束覆盖面呈扇形；并且与第一、第二通道选择电路24、31连接，其功能是将超声波束发射和 将回波接收。发射电路2包括信号发生电路21、发射控制电路22、探头谐振电路23和通道选择 电路24。信号发生电路21依次通过发射控制电路22、探头谐振电路23和第一通道选择电 路24相连。信号发生电路21产生方波信号经放大分频后得到合适的频率及幅值、且经谐振 电路变换波形并升压，再通过第一通道选择电路传送至接近觉阵列1，由接近觉阵列1发 射。接收电路3包括依次相连的第二通道选择电路31、阻抗变换电路32、中频放大电 路33、信号谐振电路34和滤波电路35。第二通道选择电路31将接近觉阵列1接收到的回波信号提供给阻抗变换电路32， 进行阻抗匹配后再经信号放大，幅值和时间滤波后产生可供处理器识别的中断信号，并提 供给微处理器51。辅助电路4包括电源41、IXD42和通信接口电路43 ；电源41分别与主控电路5、发 射电路2、接收电路3各芯片相应引脚连接，其功能是提供各部分所要求电压。主控电路5包括微控制器51和外部高频晶振52。外部高频晶振52为微控制器 51提供高频时钟源，微控制器51分别与发射控制电路22、第一通道选择电路24、第二通道 选择电路31和滤波电路35连接，并与辅助电路的电源41、通信接口电路43及IXD42相连。 微控制器51的功能是发出指令，使各部分按一定时序得以执行，并接收外部中断、计算回 波时间并转换为目标的距离值。本实用新型的工作原理为(1)信号发生电路21产生方波信号，经发射控制电路22放大分频后得到合适的频率及幅值，经探头谐振电路23变换波形并升压，通过第一选择发射通道24，最后由接近觉 阵列1发射。(2)接近觉阵列1的三个探头轮流收发一次称为一个工作周期，其一个工作周期 的目标测距值不仅提供了目标距离信息，而且包含了目标相对于三探头的方位信息。(3)在水下工作时，接近觉阵列1接收到的信号很微弱，噪声信号又比较强，因此， 接近觉阵列1接收的回波信号经第二通道选择电路31返回后，采用阻抗变换电路32 (如场 效应管)进行阻抗变换，再由中频放大电路33进行放大，放大后的信号中仍然夹杂其他频 率的噪声，故在中频放大输出端接信号谐振电路34对信号进行降噪放大；然后再一次经滤 波电路35进行幅值与时间滤波后产生可供微处理器51识别的中断信号，该中断信号包括 目标距离信息和方位信息。(4)微处理器51控制发射控制电路22的发射的周波数，第一、第二通道选择电路 的通道选择，以及滤波电路35的幅值与时间滤波电路中关门信号。微处理器51对中断信 号进行处理，目标距离信息由中断信号的时间间隔计算得到、方位信息由中断信号产生的 通道选择标志位判断获取。(5)目标信息通过通信接口电路43传给水下工具，使之能实时跟踪作业目标。下面举一典型的采用水下接近觉传感器进行目标定位跟踪的实例如图3所示，对于水下作业机械手100而言接近觉传感器200安装在腕部，传感器 所发射的超声波成扇形覆盖工作区。传感器三个探头轮流收发一次称为一个工作周期，当 目标物体300在某个探头的工作覆盖区时，其探测到的目标距离值由超声波在水中的传播 时间计算得到；当没有回波返回时，表明目标不在此工作覆盖区。因此，接近觉传感器不仅 根据回波时间测得目标距离值，而且根据一周期内三探头值的有无也可判断出目标相对传 感器探头的方向，如图4所示，其中0表示无回波信号、1表示有回波。本发明的工作流程如图5所示1.启动程序初始化完毕。2.为节省功耗，在等待时，控制器应运行在低功耗模式。3.在接收到上位机通过串口传输过来的命令，经确认启动或停止探头工作，并置 相应标志位；4.如是停止工作，则进入低功耗模式，等待；如果是开始工作，则选择发射通道， 相应接近觉发射；5.打开相应接收通道，接收回波；如有回波，计算距离并置相应标志位1，否则距 离为空，相应标志位为0;6.发射控制测量程序。一次测量结束后，程序应判断是否收到新的上位机传输的 命令；无，继续执行探测任务；有，且是停止探测的任务，则进入低功耗模式暂停探测任务， 等待下一次新命令出现时，执行新的命令。
权利要求一种水下测距跟踪用接近觉传感器，其特征在于该接近觉传感器包括接近觉阵列(1)、发射电路(2)、接收电路(3)、辅助电路(4)和主控电路(5)；辅助电路(4)分别与发射电路(2)、接收电路(3)和主控电路(5)相连，为它们提供工作电压，并为接近觉传感器提供通讯接口；接近觉阵列(1)由三个超声探头构成，各超声探头的轴线之间的夹角为10°～15°；发射电路(2)与接近觉阵列(1)的信号输入端相连，接近觉阵列(1)的信号输出端与接收电路(3)的输入端相连，接收电路(3)的输出端与主控电路(5)相连；主控电路(5)分别与发射电路(2)、接收电路(3)和辅助电路(4)相连，对它们进行控制；发射电路(2)产生正弦信号经接近觉阵列(1)发射；接近觉阵列(1)接收的经目标物体反射的正弦回波信号提供给接收电路(3)，接收电路(3)对正弦回波信号进行阻抗匹配、信号放大和幅值及时间滤波后产生中断信号提供给主控电路，主控电路对对中断信号进行处理，得到目标物体的距离信息和方位信息。
2.根据权利要求1所述的水下测距跟踪用接近觉传感器，其特征在于发射电路(2) 包括信号发生电路(21)、发射控制电路(22)、探头谐振电路(23)和通道选择电路(24)，信 号发生电路(21)依次通过发射控制电路(22)、探头谐振电路(23)和第一通道选择电路 (24)相连；信号发生电路(21)产生方波信号经放大分频后得到合适的频率及幅值、且经谐振电 路变换波形并升压，再通过第一通道选择电路传送至接近觉阵列(1)，由接近觉阵列(1)发射。
3.根据权利要求1或2所述的水下测距跟踪用接近觉传感器，其特征在于接收电路 (3)包括依次相连的第二通道选择电路(31)、阻抗变换电路(32)、中频放大电路(33)、信号 谐振电路(34)和滤波电路(35)；第二通道选择电路(31)将接近觉阵列(1)接收到的回波信号提供给阻抗变换电路 (32)，进行阻抗匹配后经信号放大，再经幅值和时间滤波后产生中断信号，并提供给微处理 器(51)。
4.根据权利要求3所述的水下测距跟踪用接近觉传感器，其特征在于主控电路(5) 包括微控制器(51)和外部高频晶振(52)，外部高频晶振(52)为微控制器(51)提供高频时 钟源给微控制器(51)，微控制器(51)分别与发射控制电路(22)、第一通道选择电路(24)、 第二通道选择电路(31)和滤波电路(35)连接。
5.根据权利要求4所述的水下测距跟踪用接近觉传感器，其特征在于辅助电路(4) 包括电源(41)、液晶显示器(42)和通信接口电路(43)；电源(41)分别与主控电路(5)、发 射电路⑵和接收电路⑶各芯片相应引脚连接，液晶显示器(42)和通信接口电路(43) 均与微处理器(51)相连；信号发生电路(21)产生方波信号经放大分频后得到合适的频率及幅值、且经谐振电 路变换波形并升压，再通过第一通道选择电路传送至接近觉阵列(1)，由接近觉阵列(1)发 射。
专利摘要本实用新型公开了一种水下测距跟踪用接近觉传感器，包括接近觉阵列、发射电路、接收电路、辅助电路和主控电路。接近觉阵列由三个超声探头构成，各超声探头的轴线之间的夹角为10°～15°；发射电路产生正弦信号经接近觉阵列发射；接近觉阵列接收的经目标物体反射的正弦回波信号提供给接收电路，接收电路对正弦回波信号进行阻抗匹配、信号放大和幅值及时间滤波后产生中断信号提供给主控电路，主控电路对对中断信号进行处理，得到目标物体的距离信息和方位信息。接近觉传感器的三超声探头轮流发射超声波脉冲并接收回波，根据回波时间测得目标距离值，同时通过一个周期内三通道值的有无判断出目标相对探头的方向，据此实时跟踪定位作业目标。
文档编号B63C11/00GK201673255SQ20102019028
公开日2010年12月15日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者余琨, 唐国元, 徐国华, 徐筱龙, 曾志林, 辛宇 申请人:华中科技大学