CN109189095A - 一种微型水下机器人视频探测与控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型水下机器人视频探测与控制***,包括控制器主体,控制器主体内设有ARM嵌入式***,ARM嵌入式***连接电源,ARM嵌入式***连接摄像机和照明灯,ARM嵌入式***内设有STM32系列微控制器,STM32系列微控制器通过视频发送电路和视频接收电路连接摄像机,视频发送电路包括AD8131驱动器,AD8131驱动器通过差分输入至差分输出,用于模拟视频信号的传输以及用于数字信号的传输;接收电路包括AD8130差分接收器放大器,AD8130差分接收器放大器的输入端是一个差分输入视频信号,由输出端的单端输出到远程操作控制器的显示屏进行视频的显示。该***精确解决机器人在水下游走、位置检测、姿态控制,为水下探测、水底测量、水下物品打捞等工作提供方便。
Description
技术领域
本发明涉及信号检测处理与控制技术领域,尤其是一种微型水下机器人视频探测与控制***。
背景技术
近年来国家在海底水下探测监控投入大量的经费,建设了许多海底人工渔礁和珊瑚虫生长保护区,以便每天能观察水下鱼群的活动频度和珊瑚虫的具体生长情况,进而分析海洋生态的恢复程度。然而,能用于这方面做监控的产品比较缺乏,有的下潜深度不够(小于50米),有的造价很高(50万以上),有的性能简单,只能给钓鱼爱好者做辅助用,而海洋水下探测工作又很需要能潜入深度100米以上、游走稳定可靠、视频传输清晰的水下机器人产品。因此,研究开发一种水下视频探测机器人的控制器有很好的现实需求和现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷,提供一种微型水下机器人视频探测与控制***。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种微型水下机器人视频探测与控制***,包括控制器主体,控制器主体内设有ARM嵌入式***,ARM嵌入式***上通过通信接口连接地面上的远程操作控制器,ARM嵌入式***连接电源, ARM嵌入式***连接摄像机和照明灯,ARM嵌入式***内设有STM32系列微控制器,STM32系列微控制器处理所述传感器采集到的数据以及与上位机之间的通讯,STM32系列微控制器连接PWM高速定时器;
所述STM32系列微控制器通过视频发送电路和视频接收电路连接所述摄像机,视频发送电路包括AD8131驱动器,AD8131驱动器通过差分输入至差分输出,用于模拟视频信号的传输以及用于数字信号的传输;
所述接收电路包括AD8130差分接收器放大器,AD8130差分接收器放大器的输入端是一个差分输入视频信号,由输出端的单端输出到远程操作控制器的显示屏进行视频的显示。
上述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,所述视频发送电路和视频接收电路通过NCP1117ST50T3G三端稳压器、LM2663开关电容电压转换器连接电源,视频发送电路中的差分输出端需要±5 V的电压源,-5V的电压源是由NCP1117ST50T3G三端稳压器稳压成+5V的稳压电源,再由LM2663开关电容电压转换器反转输入电源电压得到-5V的电压,从而对视频发送电路和视频接收电路的输出端提供-5V的电压。
上述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,所述照明灯为LED灯,照明灯通过水下照明电路连接ARM嵌入式***,水下照明电路带有光电耦合器PC817,当光电耦合器PC817输入端的LEDPWM输出低电平时,使得输入端导通,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接收光线后导通,产生光电流从输出端输出,实现“电-光-电”的转换,导通输出端的LED灯。
上述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,所述通信接口为RS-485通信电路,RS-485通信电路采用ADM2483芯片设计通信接口,ADM2483芯片为带隔离的增强型RS-485收发器,RXD、EN、TXD分别是接收输出、收发使能端、发送输入,当EN为高电平时,都禁止接收和禁止发送,VDD1为逻辑端供电电源,PV为电源监控脚,当此引脚电平高于2.0V,ADM2483芯片工作,低于2.0V芯片不工作;
GND1为逻辑端电源地,GND2为总线端电源地,A为输入/输出同相端,B为输入/输出反相端,VDD2为总线端供电电源,在A、B端分别接一个双向瞬态电压保护二极管,ADM2483具有热关断功能,可防止温度过高时芯片因电源的过度损耗而毁坏,当ADM2483芯片工作温度高于150℃时,ADM2483芯片独有的热关断电路会关断驱动器输出;而当温度回到140℃时,ADM2483芯片会自动使能驱动器输出。
上述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,所述ARM嵌入式***内设有图像视频存储电路,图像视频存储电路连接所述摄像机,图像视频存储电路带有SD卡,在对于水下机器人的摄像机采集到的视频进行处理时,采用适应大容量的SD卡保存方式,可通过程序对SD卡中存储的内容进行读取与存储。
上述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,所述远程操作控制器包括设置在地面的控制箱和液晶显示屏,控制箱上设有按键。
上述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,控制器主体上连接4芯电缆,2芯电缆作为水下机器人的外部高压备用供电,2芯电缆作为RS-485通信线。
本发明的有益效果为:该***精确解决机器人在水下游走、位置检测、姿态控制,为水下探测、水底测量、水下物品打捞等工作提供方便。
附图说明
图1为本发明的***示意图;
图2为本发明STM32系列微控制器的电路图;
图3为本发明的视频发送电路图;
图4为本发明的视频接收电路图;
图5为本发明NCP1117ST50T3G三端稳压器与LM2663开关电容电压转换器的电路原理图;
图6为本发明的水下照明电路图;
图7为本发明的RS-485通信电路图;
图8为本发明图像视频存储电路图。
具体实施方式
如图1、图2所示,一种微型水下机器人视频探测与控制***,包括控制器主体1,控制器主体1内设有ARM嵌入式***2,ARM嵌入式***2上通过通信接口3连接地面上的远程操作控制器4,ARM嵌入式***2连接电源, 电源为锂电池5,ARM嵌入式***2连接摄像机6和照明灯7,ARM嵌入式***2内设有STM32系列微控制器,STM32系列微控制器处理所述传感器采集到的数据以及与上位机之间的通讯,STM32系列微控制器连接PWM高速定时器。STM32的高速性能使得算法的执行速度和代码效率有了更高的水平,数据传输速率非常快。拥有PWM高速定时器,能够方便快速的对电机的进行控制。其低功耗的工作状态,待机情况下消耗2uA,能足够适用水下机器人低功耗的要求。
STM32的基本电路如图2所示,25MHz晶振构成的时钟电路,拥有上电复位和手动按键复位两种形式。3.3V的供电电源,构成控制器的最小***。
进一步,水下机器人在面临复杂的水下探测时,需要将水下复杂环境传送到上位机,从而控制水下机器人的运行状态,因此需要设计视频的发送和接收电路。在视频传输电路的设计中,通过采用AD8130配合AD8131完成发送和接收电路的驱动工作,在双胶线电缆上实现高速信号的传输。视频传输的电路中,AD8131主要用于视频的发送电路,通过差分输入至差分输出驱动器,既可用于模拟视频信号的传输,又可以用于数字信号的传输。无需外部器件就能获得固定增益。水下机器人的视频发送电路如图3所示。在视频发送电路中的差分输出端需要±5 V的电压源,而-5V的电压源是由NCP1117ST50T3G三端稳压器稳压成+5V的稳压电源,再由LM2663开关电容电压转换器反转输入电源电压得到-5V的电压。从而对视频发送电路和接收电路的输出端提供-5V的电压,其电路如图5所示;
水下机器人的视频接收电路主要由AD8130来完成,其电路如图4所示,AD8130的输入端是一个差分输入视频信号,由输出端的单端输出到显示器进行视频的显示。
由于水下机器人常处于一个复杂的水下环境,因此在作业的同时将面临不同的复杂环境,在拍摄的过程中可能处于不利于拍摄的环境中,因此为了保证水下机器人处于一个良好的拍摄环境,故此设计了水下机器人水下照明电路,保证了水下环境的观察和拍摄,其电路图如图6所示,水下照明电路中光电耦合器PC817作为上下级电路完全隔离的作用,相互不产生影响,使控制器部分和负载完全隔离,目的在于增加安全性,减少电路干扰。当输入端的LEDPWM输出低电平时,使得输入端导通,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接收光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现“电-光-电”的转换,导通输出端的LED灯,为水下机器人拍摄提供良好的环境。
PC817是一种线性光电耦合器,能够传输连续变化的模拟电压或电流信号,这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号,从而使光敏晶体管的导通程度也不同,输出的电压或电流也随之不同。
在水下机器人的作业过程中,通常需要将一些采集到的数据回传并显示,因此,在数据传输过程中需要与上位机进行通信,通信接口3为RS-485通信电路,RS-485通信电路采用ADM2483芯片设计通信接口,ADM2483芯片为带隔离的增强型RS-485收发器,最高传输速率可达500Kbps,逻辑端兼容3V/5V工作电源,总线端5V供电,如图7所示,RXD、EN、TXD分别是接收输出、收发使能端、发送输入,当EN为高电平时,都禁止接收和禁止发送,VDD1为逻辑端供电电源,PV为电源监控脚,当此引脚电平高于2.0V,芯片工作,低于2.0V芯片不工作。GND1为逻辑端电源地,GND2为总线端电源地,A为输入/输出同相端,B为输入/输出反相端,VDD2为总线端供电电源。在A、B端分别接一个双向瞬态电压保护二极管。ADM2483具有热关断功能,可防止温度过高时芯片因电源的过度损耗而毁坏。当芯片工作温度高于150℃时,ADM2483独有的热关断电路会关断驱动器输出;而当温度回到140℃时,ADM2483会自动使能驱动器输出。
进一步,ARM嵌入式***2内设有图像视频存储电路,图像视频存储电路连接所述摄像机6,在对于水下机器人采集到的视频进行处理时,采用适应大容量的SD卡保存方式,如图8所示,可通过程序对SD卡中存储的内容进行读取与存储。SD卡的引脚具有双重功能,既可工作在SD模式,也可工作在SPI模式,不用的模式下,引脚的功能不同。SD模式多用于对SD卡读写速度要求较高的场合,硬件连接相对简单。SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD开头,分别指通用命令和专用命令,后面接命令的编号,例如,CMD就是一个通用命令,用来读单块数据。大部分单片机与SD卡相连时,能实现工作电压兼容,因此可以直接与SD卡连接,无需电平转换电路。
远程操作控制器4包括设置在地面的控制箱和液晶显示屏,控制箱上设有按键,液晶显示屏主要显示水下机器人的状态,如水下机器人的实时电量、日期、时间、温度、水深、温度以及状态等信息。
控制器使用4芯电缆连接水下机器人控制器,2芯电线作为水下机器人的外部高压备用供电,2芯线作为RS-485通信线;利用RS-485通信把水下机器人的状态传输到上面显示,精确解机器人在水下游走、位置检测、姿态控制,为水下探测、水底测量、水下物品打捞等工作提供方便。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明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本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明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发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.一种微型水下机器人视频探测与控制***,包括控制器主体,控制器主体内设有ARM嵌入式***,ARM嵌入式***上通过通信接口连接地面上的远程操作控制器,ARM嵌入式***连接电源,其特征在于,ARM嵌入式***连接摄像机和照明灯,ARM嵌入式***内设有STM32系列微控制器,STM32系列微控制器处理所述传感器采集到的数据以及与上位机之间的通讯,STM32系列微控制器连接PWM高速定时器;
所述STM32系列微控制器通过视频发送电路和视频接收电路连接所述摄像机,视频发送电路包括AD8131驱动器,AD8131驱动器通过差分输入至差分输出,用于模拟视频信号的传输以及用于数字信号的传输;
所述接收电路包括AD8130差分接收器放大器,AD8130差分接收器放大器的输入端是一个差分输入视频信号,由输出端的单端输出到远程操作控制器的显示屏进行视频的显示。
2.根据权利要求1所述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,其特征在于,所述视频发送电路和视频接收电路通过NCP1117ST50T3G三端稳压器、LM2663开关电容电压转换器连接电源,视频发送电路中的差分输出端需要±5 V的电压源,-5V的电压源是由NCP1117ST50T3G三端稳压器稳压成+5V的稳压电源,再由LM2663开关电容电压转换器反转输入电源电压得到-5V的电压,从而对视频发送电路和视频接收电路的输出端提供-5V的电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,其特征在于,所述照明灯为LED灯,照明灯通过水下照明电路连接ARM嵌入式***,水下照明电路带有光电耦合器PC817,当光电耦合器PC817输入端的LEDPWM输出低电平时,使得输入端导通,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接收光线后导通,产生光电流从输出端输出,实现“电-光-电”的转换,导通输出端的LED灯。
4.根据权利要求3所述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,其特征在于,所述通信接口为RS-485通信电路,RS-485通信电路采用ADM2483芯片设计通信接口,ADM2483芯片为带隔离的增强型RS-485收发器,RXD、EN、TXD分别是接收输出、收发使能端、发送输入,当EN为高电平时,都禁止接收和禁止发送,VDD1为逻辑端供电电源,PV为电源监控脚,当此引脚电平高于2.0V,ADM2483芯片工作,低于2.0V芯片不工作;
GND1为逻辑端电源地,GND2为总线端电源地,A为输入/输出同相端,B为输入/输出反相端,VDD2为总线端供电电源,在A、B端分别接一个双向瞬态电压保护二极管,ADM2483具有热关断功能,可防止温度过高时芯片因电源的过度损耗而毁坏,当ADM2483芯片工作温度高于150℃时,ADM2483芯片独有的热关断电路会关断驱动器输出;而当温度回到140℃时,ADM2483芯片会自动使能驱动器输出。
5.根据权利要求1所述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,其特征在于,所述ARM嵌入式***内设有图像视频存储电路,图像视频存储电路连接所述摄像机,图像视频存储电路带有SD卡,在对于水下机器人的摄像机采集到的视频进行处理时,采用适应大容量的SD卡保存方式,可通过程序对SD卡中存储的内容进行读取与存储。
6.根据权利要求1所述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,其特征在于,所述远程操作控制器包括设置在地面的控制箱和液晶显示屏,控制箱上设有按键。
7.根据权利要求1所述的一种微型水下机器人视频探测与控制***,其特征在于,控制器主体上连接4芯电缆,2芯电缆作为水下机器人的外部高压备用供电,2芯电缆作为RS-485通信线。
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