专利名称：水下机器人传感器信号采集与显示装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水下机器人状态监控技术领域，特别涉及到水下机器人传感器信
号采集与显示装置。
背景技术：
海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第2大空间，是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地，是最有发展潜力的空间，对我国经济与社会发展产生着直接、巨大的支撑作用。作为人类探索和开发海洋的助手，水下机器人特别是无人水下机器人UUV (Unmanned UnderwaterVehicle)将在这一领域发挥重要作用。公开号为CN1709766的专利，介绍了一种浮力和推进器双驱动方式远程自治水下机器人，用于海洋水下工程技术领域。该发明包括机器人主体，一对主翼，一对推进器和垂直尾翼，机器人主体的外部是整流用的透水壳，主翼和垂直尾翼具有低流体阻力翼型，主翼设置于透水壳后部，对称分布于透水壳左右两侧，垂直尾翼设置于透水壳尾部，在透水壳的垂直对称面内。推进器设置在主翼的外侧。该发明具有推进器驱动和浮力驱动两种驱动方式，在浮力驱动模式下依靠浮力和重心的调节产生推力和控制运动方向，具有高的续航能力，在推进器驱动模式下依靠推进器产生推力，依靠左右推进器的推力差和重心调节控制运动方向，具有闻机动能力。美国专利号为US5995992的专利公开了一种用于海洋科学测量与搜索的6英尺长，直径为13英寸的自治水下机器人。介绍了它的计算机系统，I/O 口，水下浮力，回收框架，电池动力，高速串口，实时数据采集及其控制系统的设计。以上发明专利均是有关无人水下机器人装置的设计，但由于海洋深处工作环境的复杂性，不可预测性，水下机器人一旦出现故障，不仅机器人无法完成水下作业任务，而且机器人本身也难以回收，损失巨大。因此其可靠性技术研究与设计十分关键。而直接服务于水下机器人可靠性控制技术的研究几乎还是空白，特别是兼顾无缆自治水下机器人 AUV (Autonomous Underwater Vehicle)与缆控无人水下机器人 ROV (Remotely-operated Vehicle)特点的新型无人水下机器人ARV的传感器信号采集与显示装置未见任何专利公开。综上所述，针对现有技术的缺陷，特别需要一种水下机器人传感器信号采集与显示装置，以解决以上提到的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种水下机器人传感器信号采集与显示装置，兼顾了无缆自治水下机器人和缆控无人水下机器人的特点，从而实现本发明的目的。本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现水下机器人传感器信号采集与显示装置，包括传感器系统、单片机系统、光端机及水面监视器，其特征在于，[0010]所述传感器系统设置于水下机器人上，包括用于测量水下机器人在水中的深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号的深度传感器；用于测量水下机器人的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号的速度传感器；用于测量水下机器人的水下姿态，并将测得的方向数据转变为姿态电压信号的姿态传感器；用于测量水下机器人前视环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的声纳传感器；用于测量水下机器人周围环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的光学成像传感器；用于测量水下机器人电池组状态，并将电池组状态数据转变为电压信号电池监控传感器；用于测量水下机器人推进器转速，并将推进器转速数据转变为电压信号的推进器监控传感器；所述单片机系统设置在水下机器人上，单片机系统的信号输入端与所述上述传感器信号的输出端连接，以接收上述传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、电池状态电压信号和推进器状态电压信号；所述单片机系统设有用以驱动传感器信号传输任务的通信模块；所述光端机有一对(两个)，分别位于水面母船和水下机器人上，两个光端机之间通过光纤连接，通过RS-485串口通信实现数据传输；水下机器人上的光端机的输入端与单片机系统的输出端连接，水面母船上的光端机的输出端与水面监视器连接，保证水下传感器信息传输到水面监视器；所述水面监视器设置在水面母船上，水面监视器内部设有传感器信号传输任务的通信模块、利用传感器历史数据进行图表生成的数据处理模块，传感器信号超限的报警模块。在本实用新型的一个实施例中，所述单片机系统包括信号放大滤波模块、A/D转换器、多路开关模块、串行通信口、微处理器和LCD液晶显示模块；所述多路开关模块的输入端与深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器连接，多路开关模块的输出端与信号放大滤波模块电路的输入端连接， A/D转换器的信号输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接,所述微处理器与A/D转换器信号的输出端连接，并与串行通信口连接。在本实用新型的一个实施例中，所述单片机系统硬件电路接口模块，包括单片机系统电源电路、时钟与复位电路、通信接口电路。在本实用新型的一个实施例中，所述水面监视器包括数据通信模块、数据存贮模块、数据处理与显示模块。本实用新型的有益效果在于弥补了有关水下机器人数据采集与显示的空白，提供了一种能有效的水下机器人状态检测与显示装置。
图I为本实用新型所述水下机器人传感器信号采集与显示装置的结构框图。图2为本实用新型所述单片机系统的基准电压电路的原理图。图3为本实用新型所述通信接口电路的原理图。图4为本实用新型所述液晶显示接口电路原理图。图5为本实用新型所述传感器信号采集与显示装置的工作流程图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述本实用新型。如图I所示，本实用新型所述的由水下机器人传感器系统I、单片机系统2、光端机
3、水面监视器4连接而成。水下机器人传感器系统I包括有深度传感器11、速度传感器12、 姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17 及信号传输线；深度传感器11、速度传感器12、姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17与嵌入式控制器2的信号输入端通过信号传输线连接。单片机系统2的信号输出端与光端机31 (水下部分)连接，光端机31输出端与光端机32 (水面部分)连接，光端机31与光端机32之间通过485串行光纤通讯线连接； 光端机32的输出端与水面监视器4的信号输入端连接。单片机系统2 密封于 ARV (Autonomous Remotely-operated Vehicle)水下机器人载体中，包括有信号放大滤波模块、与信号放大滤波模块电路、A/D转换器、多路开关模块、 485串行通信口及微处理器，多路开关模块输入端与各信号传感器连接，所述多路开关模块输出端与信号放大滤波模块电路输入端连接，A/D转换器信号输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接，所述微处理器与A/D转换器信号输出端连接，并与485串行通信口连接。光端机3，包括密封于ARV水下机器人载体中的光端机31和水面母船上的光端机 32，两者通过光纤连接，采用RS-485串口通信方式传送水下机器人的传感器信号；水面监视器3，包括485串行通信模块、数据存贮模块、故障数据显示模块、报警处理模块。单片机系统2中，还包括单片机系统电源电路、时钟与复位电路、液晶显示接口电路、电压基准电路等；微处理器芯片采用美国Cygnal公司的C8051F120系列芯片；数值显示模块采用ST7920控制器驱动的点阵液晶显示模块0CM4X8C，该模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。单片机系统电压基准电路如图 2所示,RS-485通信电路分别如图3所示,液晶显示接口电路如图4所示。上述电路对于本领域技术人员来说，是熟知的，在此不做详细描述。设置于水下机器人上的深度传感器用以测量水下机器人的水中深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号；设置于水下机器人上的速度传感器用以测量水下机器人的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号；设置于水下机器人上的姿态传感器用以测量水下机器人的转首、纵倾和横摇方向，并将测得的方向数据转变为相应电压信号；设置于水下机器人上的声纳传感器用以测量水下机器人的前方图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号；设置于水下机器人上的光学成像传感器用以测量水下机器人的周围的图像，并将测得的图像数据转变为相应电压信号；设置于水下机器人上的电池监控传感器用以测量水下机器人电池组工作状态，并
5将测得的状态数据转变为相应电压信号；设置于水下机器人上的推进监控传感器用以测量水下机器人推进器的工作状态， 并将测得的状态数据转变为相应电压信号；设置在水下机器人上的单片机系统信号输入端与所述深度传感器、速度传感器、 姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进器监控传感器信号连接， 以接收所述深度传感器、速度传感器、姿态传感器、声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、电池状态电压信号、推进器状态电压信号。设置在水下机器人上的光端机31与水面母船上的光端机32通过光纤连接，采用 RS-485串口通信方式传送水下机器人的传感器信号到水面监视器；设置在水面母船上的水面监视器与水下机器人上的光端机32输出端连接，以接收嵌入式控制器发送过来的各种信号，并进行水下机器人状态显示与报警。整个实用新型工作时如图5所示深度传感器11、速度传感器12、姿态传感器13、 声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17及信号传输线； 深度传感器11、速度传感器12、姿态传感器13、声纳传感器14、光学成像传感器15、电池监控传感器16、推进监控传感器17分别输出与各个信号对应的电压信号，并接入单片机系统 2 ;单片机系统2中，对电压信号进行放大、滤波预处理及A/D转换，通过光端机3的485串行接口送入水下机器人水面监视器4 ;在水面监视器4中，对来单片机系统2的不同时间系列的传感器电压信号进行数据保存与处理，恢复各个传感器工作数据，即深度、速度、姿态、 声纳、光学、电池监控、推进监控数值，最后在液晶显示屏IXD上显示状态数据。本实用新型的工作过程新型水下机器人ARV，是本实用新型的实验载体，七种传感器(深度、速度、姿态、声纳、光学、电池监控、推进监控)安装在ARV水下载体上，按照图 I结构连接各个设备，再按图5的数据采集与显示流程进行水下机器人状态监视处理。按下水面监视器4薄膜面板的"信号采样"按钮，则水面监视器4启动通信程序驱动水下机器人单片机系统2，通过光端机3的串行接口将传感器正常时的深度、速度、姿态、声纳、光学、电池监控、推进监控的电压信号送入水面监视器4并保存；按下水面监视器4薄膜面板的"数据处理"按钮，则水面监视器4启动数据处理程序，用采集的深度、速度、姿态、声纳、光学、电池监控、推进监控的历史信号进行表格和图形处理，并在LCD上显示传感器状态息。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.水下机器人传感器信号采集与显示装置，包括传感器系统、单片机系统、光端机及水面监视器，其特征在于所述传感器系统设置于水下机器人上，包括用于测量水下机器人在水中的深度，并将测得的深度数据转变为深度电压信号的深度传感器；用于测量水下机器人的航行速度，并将测得的航行速度数据转变为速度电压信号的速度传感器；用于测量水下机器人的水下姿态，并将测得的方向数据转变为姿态电压信号的姿态传感器；用于测量水下机器人前视环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的声纳传感器；用于测量水下机器人周围环境，并将测得的图像数据转变为电压信号的光学成像传感器；用于测量水下机器人电池组状态，并将电池组状态数据转变为电压信号电池监控传感器；用于测量水下机器人推进器转速，并将推进器转速数据转变为电压信号的推进器监控传感器；所述单片机系统设置在水下机器人上，单片机系统的信号输入端与所述上述传感器信号的输出端连接，以接收上述传感器发送过来的深度电压信号、速度电压信号、姿态电压信号、声纳电压信号、光学电压信号、电池状态电压信号和推进器状态电压信号；上述单片机系统设有用以驱动传感器信号传输任务的通信模块；所述光端机有一对(两个)，分别位于水面母船和水下机器人上，两个光端机之间通过光纤连接，通过RS-485串口通信实现数据传输；水下机器人上的光端机的输入端与单片机系统的输出端连接，水面母船上的光端机的输出端与水面监视器连接，保证水下传感器信息传输到水面监视器；所述水面监视器设置在水面母船上，水面监视器内部设有传感器信号传输任务的通信模块、利用传感器历史数据进行图表生成的数据处理模块，传感器信号超限的报警模块。
2.根据权利要求I上述的水下机器人传感器信号采集与显示装置，其特征在于，所述单片机系统包括信号放大滤波模块、A/D转换器、多路开关模块、串行通信口、微处理器和 LCD液晶显示模块；所述多路开关模块的输入端与深度传感器、速度传感器、姿态传感器、 声纳传感器、光学成像传感器、电池监控传感器、推进监控传感器连接，多路开关模块的输出端与信号放大滤波模块电路的输入端连接，A/D转换器的信号输入端与信号放大滤波模块电路的输出端连接，所述微处理器与A/D转换器信号的输出端连接，并并与串行通信口连接。
3.根据权利要求I上述的水下机器人传感器信号采集与显示装置，其特征在于，所述单片机系统硬件电路接口模块，包括单片机系统电源电路、时钟与复位电路、通信接口电路。
4.根据权利要求I上述的水下机器人传感器信号采集与显示装置，其特征在于，所述水面监视器包括数据通信模块、数据存贮模块、数据处理与显示模块。
专利摘要本实用新型公开了一种水下机器人传感器信号采集与显示装置，由传感器系统、单片机系统、光端机及水面监视器连接而成；传感器系统中的各传感器与单片机系统的信号输入端通过信号传输线连接，单片机系统通过光纤与光端机的信号输入端连接，光端机的输出端与水面监视器连接。本实用新型弥补了有关水下机器人数据采集与显示的空白，提供了一种能有效的水下机器人状态检测与显示装置。
文档编号B63C11/52GK202350833SQ20112052300
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘续普, 孙兵, 朱大奇, 白桦, 袁芳, 邓志刚, 颜明重, 马巍 申请人:上海海事大学