CN104914226A - 基于dsp的水上智能机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于水质监测与水体采样领域，提供一种基于DSP的水上智能机器人，用于完成恶劣天气下，浅滩、沼泽等复杂危险水域的水质环境监测任务。本发明包括：用于在水中行驶的船体；超声波避障模块，用于检测阻碍机器人行驶的障碍物；数据采集模块，用于实时采集环境数据、以及待测水域水质样本；图像采集模块，用于实时采集图像数据；快速反应模块，用于为机器人躲避障碍物提供快速反应动力；天线传输模块，用于完成机器人与控制终端的数据传输；三相电机控制模块，用于为机器人水中行驶提供动力及方向控制；电源管理模块，用于为机器人提供工作电源；DSP核心控制器模块，用于作为机器人中央处理单元。

Description

基于DSP的水上智能机器人

技术领域

本发明属于水质监测与水体采样领域，涉及用于水质环境监测的水上智能机器人，具体为基于DSP的水上智能机器人。

背景技术

水是生命之源，然而，地球上可用的淡水资源却又是十分有限。随着我国城镇化、工业化的迅猛发展，水资源日益紧缺，水污染日益加重，这极大的威胁到人们的身体健康，制约经济的发展，甚至威胁到国家的长治久安。水资源保护与合理利用变得尤为重要。

水质监测被称为水资源保护的“眼睛”，是水资源保护和管理必不可少的组成部分，可为水环境研究、治理、污染控制等提供重要、直接的科学依据。通过对水环境中污染物及污染因素进行监测，评价污染物产生的原因及污染途径，对水污染问题进行鉴别和评估，为污染防治提供技术支持。

目前我国的水质监测主要有实验室监测、自动监测站监测和移动监测这三种形式。

实验室监测是通过设置某些断面定时定点瞬时取样，然后将样品带回实验室进行仪器分析，分析精度高，能够反映渐变性的水质污染情况，但监测周期长，劳动强度大，数据采集和传输的速度慢，难以保证所测数据的准确性和时效性，对突发性污染难以实现实时监测。

自动监测站是设立在河流、湖泊、水库、饮用水源地、地下水观测点、近岸海域等流域内的现场水质自动监测实验室，可用于连续自动监测被测水体的水质变化情况，客观地记录水质状况，及时发现水质异常变化，为水环境管理部门提供技术服务的目的，但建设一个自动监测站成本较高，需要建造专门的厂房，同时在线水质分析仪器价格也昂贵，因而在同一水源中所建的自动监测站数量少，而且由于监测站位置固定，所以监测范围也较小，不能全面反映水质状况。

移动监测主要用于发生突发性污染后的应急监测和平时周期性的水质巡检，通常有两种方式：一是工作人员以移动水质监测车或者移动水质监测船为工具，到达现场进行水样采集和分析。二是遥控搭载水质检测传感器的移动平台到指定水域对水质进行采样并分析。移动监测具有成本低、灵活性好、测量及时、覆盖范围广等优点。

由于近年来，我国环境污染严重，对一些复杂恶劣的特殊自然环境的观察和测量就显得尤为重要，如含有丰富水草和水面植物的低洼沼泽地。目前国内外对此领域的研究比较多，但实际应用却有很大发展空间。现在的测量船测量水域主要集中在湖泊、河流和海洋，行驶过程中避开障碍物都是通过人为控制，依靠传统的航舵改变方向和驱动船体不能通过低洼及长有水生植物的水域，传统的船体在1m/s的航速下避开障碍物的时间需要6s左右，停船时间需要11s以上，特别在有雾能见度差的水域几乎不能使用。因此，在有雾等恶劣天气下，浅滩、沼泽等复杂危险水域，传统监测形式无法完成，研究新的监测方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP的水上智能机器人，用于完成恶劣天气下，浅滩、沼泽等复杂危险水域的水质环境监测任务。本发明的技术方案为：

基于DSP的水上智能机器人，其特征在于包括：用于在水中行驶的船体；

超声波避障模块，用于检测阻碍机器人行驶的障碍物；

数据采集模块，用于实时采集环境数据、以及待测水域水质样本；

图像采集模块，用于实时采集图像数据；

快速反应模块，用于为机器人躲避障碍物提供快速反应动力；

天线传输模块，用于完成机器人与控制终端的数据传输；

三相电机控制模块，用于为机器人水中行驶提供动力及方向控制；

电源管理模块，用于为机器人提供工作电源；

DSP核心控制器模块，用于作为机器人中央处理单元；

上述所有模块均安装在船体上，所述超声波避障模块、数据采集模块、图像采集模块、快速反应模块、天线传输模块、三相电机控制模块、电源管理模块均与DSP核心控制器模块相连接，但各模块之间相互独立，所述DSP核心控制器模块用于各模块的控制调度和各模块采集数据处理，保证机器人的稳定工作。

本发明中，所述超声波避障模块包括发送通道和接收通道；由DSP核心控制器模块产生矩形脉冲信号，发送通道将脉冲信号功率放大后驱动超声波发生器发送超声波；接收通道接收反射回来超声波，经过前置放大滤波后，经过检波器，得到接收信号传输给DSP核心控制器模块，由DSP核心控制器模块根据接收信号计算确定障碍物方位和距离。

所述快速反应模块包括两个快速反应控制器，分别部署在船头部位的船舷两侧；每个快速反应控制器由大功率驱动电路和直流电机组成，由DSP核心控制器模块根据障碍物方位和距离产生对应控制量，控制快速反应模块的直流电机转速工作，产生不同的转矩，从而实现机器人躲避障碍物。

所述数据采集模块由多采集通道、模拟开关、低通滤波器和增益网络组成，每个采集通道采集一种数据，不同时刻由DSP核心控制器模块产生通道地址信号控制模拟开关选择不同数据的采集，经过低通滤波器和增益网络后，采集数据回传DSP核心控制器模块。

所述图像采集模块通过CMOS摄像头实时采集图像数据，传输至DSP核心控制器模块进行数据处理。

所述三相电机控制模块采用检测线圈电流的方式作为控制三相电机的反馈量，将电流转换为电压后传送给DSP核心控制器模块，同时由DSP核心控制器模块根据反馈电信号控制驱动其三相逆变电路，实现机器人的方向控制和稳定行驶。

发明的有益效果为：

本发明采用DSP核心控制器完成机器人的各模块控制以及数据采集处理功能，集成度，兼容性好，同时各个功能模块之间相互独立，抗干扰能力突出，易于维护及后期升级；快速反应模块的引入，使本发明具有灵活性特点，能够使机器人在行驶过程中快速完成障碍物躲避；同时，本发明中采用三相电机控制模块，能够将动力***(三相电机)结构放置在船体上面，依靠驱动空气的方式产生前行动力，克服了传统水中测量器不能通过低洼、沼泽等复杂水域的缺陷；与现有水中测量工具相比本发明具有成本低、智能化程度高、易于维护等优点。

附图说明

图1为本发明智能机器人结构示意图。

图2为本发明智能机器人示意框图。

图3为本发明DSP核心控制器模块示意框图。

图4为超声波避障模块示意框图。

图5为数据采集模块示意框图。

图6为三相电机控制模块示意框图。

图7为快速反应控制模块示意框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例中，基于DSP的水上智能机器人，其结构如图1、图2所示：

以DSP控制器为中央处理单元，由超声波避障模块、数据采集模块、图像采集模块、快速反应模块、天线传输模块、三相电机控制模块以及电源管理模块共同组成，所有模块都与中央处理器相连接，但各模块之间相互独立。所述的超声波避障模块用于检测机器人行驶过程中遇到的障碍物，所述的数据采集模块可以实时采集空气中CO₂浓度，湿度以及采集待测水域中的水质样本，所述快速反应模块用于在机器人遇到障碍物时提供快速反应动力，及时避开障碍物，所述图像采集模块用于实时采集机载摄像头采集的图像数据，所述天线传输模块用于将采集数据及图像数据传输到控制终端，实时观察机器人周围情况，所述三相电机控制模块用于为整个机器人在水中行驶提供强劲的动力，所述的电源管理模块为整个机器人提供稳定的工作电源。

上述水中智能机器人，船体长宽125CM*40CM，重量5Kg～8Kg，在行驶过程中超声波以180°范围扫描机器人正前方，当机器人在行驶过程中遇到障碍物时，反射回来的超声波信号被超声波接收器接收，经过检波放大后送给DSP处理，DSP控制器根据接收的数据判断障碍物的大致距离以及方向，然后产生对应占空比的PWM波信号控制快速反应模块对障碍物进行躲避；当机器人下水后，由三相电机提供动力，DSP控制器会根据传感器采集的数据自动调节三相电机的转速，同时三相电机控制模块将采集三相电机三个绕组的电流，将其转换成电压并且放大后反馈给DSP控制器；数据采集模块用于将采集的CO₂浓度，湿度以及水质样本经过采样滤波后送给DSP处理，它能实现不同点数据多通道扫描采样；DSP控制模块将采集的数据和已经采集的图像信息通过天线传输模块发送给地面控制终端(采用Zigbee)，用户也可向机器人发送控制指令；所有的模块都是由电源管理模块提供稳定的电源。

需要说明的是，机器人和PC控制终端采用Zigbee无线网路通信协议进行数据交换，它们间的通信方式采用全双工的通信方式，两者能够互发或接数据，如机器人将采集到的一些数据实时发送给PC控制终端，而PC控制终端的上位机则实时显示水质的监测、水质数据与图像数据的无线传输以及水体的采样工作；用户既可以通过操控键盘或鼠标的方式控制正在作业的机器人，也可以通过PC终端实时看见安装在机器人上面的摄像头采集的图像数据。

如图3所示为DSP核心控制模块框图，DSP核心控制模块主要包含一些接口电路以及状态显示电路，其中LCD显示电路用于显示机器人状态数据，同时也用于检测各接口电路采集的数据是否正确；伺服电机控制电路用于控制及驱动伺服电机，这些伺服电机为超声波和摄像头旋转180度角提供动力，DSP控制器控制并且处理各模块采集的信息，使整个***协调稳定工作。

如图4所示为超声波避障模块框图，超声波避障模块主要有两部分组成：发送通道和接收通道。其中发送通道将DSP控制器产生的40KHz矩形脉冲信号功率放大后驱动超声波发生器产生超声波；接收通道接收反射回来的超声波，然后经过前置放大滤波后，经过检波器检波，最后输出。DSP控制器可以根据舵机转角和接收信号确定障碍物的方位和距离，并根据这些信息计算出对应的控制量来控制动力和快速反应模块。

如图5所示为数据采集模块框图，数据采集模块主要用于采集CO₂浓度，湿度以及水质等参数，它由多个通道组成，每个通道分别采集一种数据，然后在每个不同时刻，由DSP控制器产生通道地址信号控制模拟开关选通不同的通道，所有通道都共享后面的低通滤波和增益网络，最后将采集的数据传输给DSP控制器。数据采集模块需要将传感器采集的微弱物理信号转换为电信号，放大滤波后输送给DSP控制器，DSP控制器对这些数据进一步处理后通过天线发送给控制终端。

如图6所示为三相电机控制模块框图，三相电机控制模块采用检测线圈电流的方式作为控制三相电机的反馈量，然后将电流转换为电压后传送给DSP控制器，同时DSP控制器根据反馈的信号控制驱动逆变电路PWM波的占空比。

如图7所示为快速反应控制模块框图，快速反应控制模块由大功率驱动电路和直流电机组成，当机器人在行驶过程中，超声波避障模块检测到障碍物信息，DSP控制器根据这些信息计算出障碍物的方位，并且产生对应的控制量给快速反应模块。快速反应模块总共有2个，分别部署在船头部位的船舷两侧，这样可以保证为机器人旋转产生最大扭矩。DSP控制器根据超声波检测到的障碍物位置信息计算出不同占空比的脉宽调制信号，该调制信号用于控制快速反应模块的直流电机转速，从而产生不同的转矩。

另外，图像采集模块是通过CMOS摄像头实时采集图像数据，并且将采集的数据存入FIFO堆栈中，然后通过DSP控制接口传输给DSP控制器处理。

天线传输模块通过DSP控制器将处理后的采集数据及图像数据通过WIFI模块发送到PC控制终端。

电源管理模块是在12V输入的情况下由不同的线性稳压芯片产生所需的电压大小，这些不同幅度的电压为整个电路***提供稳定的工作条件。

本发明水上智能机器人能够实现对沼泽地水面气体和水质多点多通道分时采样，能在有雾的环境下精确检测20-40cm外的障碍物，自动避障时间为2s左右，停船时间为4s左右，对于水表生长有水草等植物水域，机器人能顺利通过。机器人与控制终端实现双向全双工传输通信，一方面机器人可以在有雾的情况下，将周围100cm以内环境图像数据传输给控制终端，控制终端以视频和曲线的方式实时监测其状态；另一方面控制终端向机器人发送控制指令，对水域环境进行采样。这将在环境检测、民用养殖等领域有比较好的应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.基于DSP的水上智能机器人，其特征在于包括：用于在水中行驶的船体；

超声波避障模块，用于检测阻碍机器人行驶的障碍物；

数据采集模块，用于实时采集环境数据、以及待测水域水质样本；

图像采集模块，用于实时采集图像数据；

快速反应模块，用于为机器人躲避障碍物提供快速反应动力；

天线传输模块，用于完成机器人与控制终端的数据传输；

三相电机控制模块，用于为机器人水中行驶提供动力及方向控制；

电源管理模块，用于为机器人提供工作电源；

DSP核心控制器模块，用于作为机器人中央处理单元；

上述所有模块均安装在船体上，所述超声波避障模块、数据采集模块、图像采集模块、快速反应模块、天线传输模块、三相电机控制模块、电源管理模块均与DSP核心控制器模块相连接，但各模块之间相互独立，所述DSP核心控制器模块用于各模块的控制调度和各模块采集数据处理，保证机器人的稳定工作。

2.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述超声波避障模块包括发送通道和接收通道；由DSP核心控制器模块产生矩形脉冲信号，发送通道将脉冲信号功率放大后驱动超声波发生器发送超声波；接收通道接收反射回来超声波，经过前置放大滤波后，经过检波器，得到接收信号传输给DSP核心控制器模块，由DSP核心控制器模块根据接收信号计算确定障碍物方位和距离。

3.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述快速反应模块包括两个快速反应控制器，分别部署在船头部位的船舷两侧；每个快速反应控制器由大功率驱动电路和直流电机组成，由DSP核心控制器模块根据障碍物方位和距离产生对应控制量，控制快速反应模块的直流电机转速工作，产生不同的转矩，从而实现机器人躲避障碍物。

4.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述数据采集模块由多采集通道、模拟开关、低通滤波器和增益网络组成，每个采集通道采集一种数据，不同时刻由DSP核心控制器模块产生通道地址信号控制模拟开关选择不同数据的采集，经过低通滤波器和增益网络后，采集数据回传DSP核心控制器模块。

5.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述图像采集模块通过CMOS摄像头实时采集图像数据，传输至DSP核心控制器模块进行数据处理。

6.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述三相电机控制模块采用检测线圈电流的方式作为控制三相电机的反馈量，将电流转换为电压后传送给DSP核心控制器模块，同时由DSP核心控制器模块根据反馈电信号控制驱动其三相逆变电路，实现机器人的方向控制和稳定行驶。