CN108408009A - 一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，分为控制舱和外观结构两个部分。使用Raspberry Pi作为控制核心，可以一次执行多个文件的程序，完成复杂的水下航行动作。控制舱内包含Raspberry Pi控制器、各类传感器、交换机、多轴陀螺仪、电子罗盘、电力调制解调器，外观结构设有搭载压力传感器和LED灯的卡座以及三个无刷电机推进器呈前后分布。本航行器可以用来探测观察记录航行器周围水体所具有的各项属性参数，如温度、压力、深度，并将数据可视化。还可以通过摄像头数据观察到航行器目前所处未知的环境，并且在光照不足的情况下，可开启LED探照灯，提供光源。本航行器使用电力载波为通信载体，用零浮力缆作为电源载体。

Description

一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，尤其是涉及一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器及其应用。

背景技术

目前，水下航行器采用单片机芯片STM32F103RCT6、PC/104嵌入式、鲁棒推力为控制核心,但是，这些控制方式仅仅能够执行单一文件的程序，而面对复杂的海洋环境，需要航行器完成更多更复杂的动作，执行多个文件的程序，树莓派Raspberry Pi恰恰能完成这项任务。Raspberry Pi是一个开源的硬件，内置的Broadcom VideoCrore IV，OpenGL ES2.0,1080p 30h.264/MPEG-4AVC高清解码器，可以实现开源硬件模块化的拼接和控制，充当运算、联网和解码等功能。

作为探索海洋的重要工具之一，现在水下航行器功能日益强大，技术发展也日趋成熟，得到了广泛的应用。但是，为了实现重点海域，复杂海底地形下小范围的探查和搜寻，并采集基础的海水温度、盐度及压力等环境数据，需要一款体积小、功率低、工作效率高，高灵活度的水下航行器，才能胜任此类任务。

发明一种基于树莓派Raspberry Pi的智能水下航行器，充分利用树莓派Raspberry Pi的强大功能，针对解决了现有水下航行器技术中的上述局限，具有迫切的需求和突出的研究意义及应用价值，也具有良好的经济效益和工业应用前景。

发明内容

针对以上现有技术局限和问题，本发明的目的在于提供一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的，可以执行多个程序文件的智能水下航行器及其应用方法。

一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，使用树莓派Raspberry Pi作为水下航行器控制核心，可以一次执行多个命令程序，通过以太网接口，实时经电力调制解调器，实现与上位机的实时通信，接受上位机指令，控制和执行完成水下航行动作和探测任务，向上位机反馈结果；所述航行器呈鱼雷流线形，航行器尾部结构由流线型圆罩构成，并有3个航行器尾翼分流；航行器的推进器排布为头部1个航行器头部推进器，尾部2个航行器尾部推进器，上述3个推进器采用无刷电机，通过配合完成航行器的基础动作，所述无刷电机转向和转速由树莓派Raspberry Pi控制器控制；传感器采集各种航行器运行的数据和环境数据；控制舱中包括树莓派Raspberry Pi控制器、湿度传感器、交换机、多轴陀螺仪、电子罗盘、电力调制解调器；高清摄像头位于航行器内部的控制舱外部；侧扫声呐、温度传感器、压力传感器、CTD、LED灯位于航行器外部；上位机可视化界面包括实现对树莓派Raspberry Pi控制器的控制的指令控制模块，数据传输可视化模块、轨迹可视化模块、姿态可视化模块、视频可视化模块。

进一步地，树莓派Raspberry Pi控制器是基于ARM的微型电脑主板，卡片主板周围有4个USB接口和一个以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。

进一步地，树莓派Raspberry Pi控制器通过外接Micro SD CARD存储各个传感器的数据。

进一步地，树莓派Raspberry Pi控制器与高清摄像头相连，以此来实现图像采集传输，高清摄像头采用RTSP网络媒体流作为摄像头数据传输协议通道，将视频数据反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，保存。进一步地，所述的侧扫声呐利用树莓派Raspberry PI和计算机对脉冲串进行处理，最后变成数字量，并显示在上位机界面上，温度传感器用于测量航行器周围的温度值，将温度值反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存。

进一步地，所述的压力传感器用于测量航行器周围的水压，从而得到航行器深度，将压力和水深数据反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存，和/或所述的湿度传感器用于检测航行器体内是否进水，实施将舱内的湿度数据反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存，和/或，CTD可以得到航行器周围海水的温度电导率和压力，将数据反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存，和/或，LED可以给航行器提供光源，以致其在光线黑暗环境下可以自由航行。

进一步地，所述的轨迹可视化模块主要将航行器位于某一投影水平面的移动轨迹绘制在指定区域，所述的轨迹可视化模块数据来源自下位机主筒里的陀螺仪传感器，各方向轴方向上的加速度数值，通过树莓派Raspberry Pi控制器采集后，进行卡尔曼滤波处理，传送至上位机显示，和/或，所述的姿态可视化模块显示航行器当前位于水下的姿态，所述的姿态可视化模块通过下位机上的陀螺仪和电子罗盘，树莓派Raspberry Pi控制器以300ms的周期采集多轴陀螺仪和电子罗盘的实时数据，并发送至上位机进行可视化处理和/或所述的视频可视化模块用于显示航行器的环境信息，和/或，所述的指令控制模块用于控制航行器，操作者通过TCP/IP协议给树莓派Raspberry Pi控制器指令，使得下位机接受指令触发中断，并进行相应的主控板控制函数，灵活控制电机、LED灯等。

进一步地，所述的树莓派Raspberry Pi控制器将数据处理后反馈给所述的交换机，所述的交换机将传感器网络数据和高清摄像头的数据组成数据网通过电力调制解调器共同发给上位机。

进一步地，所述的航行器的通信以电力载波为载体，电源以零浮力缆为载体。

一种水下航行器的应用，其特征在于，其采用基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器。

与目前现有技术相比，本发明的优点在于推进器排布原理创新，即平衡了控制操作难度和整个系统控制效果，使航行器整个系统更加稳定；控制核心单元原理创新，充分利用了树莓派Raspberry Pi易接入到网络的优势，配合目前控制仓预留的冗余接口，拓展添加所需的各类传感器；鱼雷型结构设计原理创新，航行器的头部有一个推进器，提高了在水中运动的能源转化效率，为后期的无缆性的自主智能航行器转变奠定了良好的基础；姿态可视化技术创新，采用OpenGL开源图像引擎库，结合C++作为GUI应用程序开发框架；数据来源及处理技术创新，将陀螺仪的角度、加速度的数据经过滤波和处理之后，配合上位机的界面能将航行器的精确地姿态和运动轨迹可视化；结构设计及制作技术创新，航行器的主体骨架采用不锈钢零件模块化组装而成，可扩展性强，利于改进和拓展，便于加载携带传感器，外部的亚克力桶和3D打印塑造航行器的形状可以自由切换，其外型重塑性非常强，且本发明结构为流线型，在水中阻力小，并可以添加涂层，进一步提升性能；水下推进效率高；系统结构简洁，成本可控，造价低廉，性价比高；姿态可视化功能创新，能将航行器的姿态在上位机实时显示，便于操作人员了解航行器在水中的实时动态；航行器整体简洁，机动性高，灵活性强，水下行进速度快，作业和水下采集数据效率高；轨迹可视化功能创新，能将航行器在水中运动的轨迹实时在上位机显示出来，能够记录航行器的运动轨迹和数据，便于后期的分析和研究；能源和通讯创新，采用有缆提供电源，以电力载波通讯，集成度高，带宽大，通讯稳定高效，实现远程控制和数据传输；控制器位于控制舱的中心偏下方，配合周围的控制电路和控制舱的设备降低航行器的重心，使航行器航行更加稳定。网络摄像头位于航行器的正前方，便于观察航行器周围的环境情况，侧扫声纳，CTD和其他传感器分布于航行器正上方和正下方，最大可能的降低重心，使航行器在复杂的海况中仍能稳定航行。

潜在价值：可应用于复杂地形的水下环境条件探查；水下目标的搜寻和搜救；水下目标观察；沉船和水下文物位置的确定；水下科研考察和研究；水下管线、桥墩、风电桩柱及其他水下工程设施的观测和监测；水下电缆管道铺设的情况及其位置的观测；水利部门的水电站、船闸的检查，堤坝受损状况监测；以及进行雷区监视和海上通道监视、侦察和情报搜集任务等。

附图说明

图1为智能水下航行器的结构示意图；

图2为智能水下航行器的结构侧视示意图；

图3为智能水下航行器的结构俯视示意图；

图4为智能水下航行器的内部骨架结构示意图；

图5为智能水下航行器的上位机界面示意图；

图6为智能水下航行器的核心筒内树莓派Raspberry Pi嵌入式模块示意图；

图7为智能水下航行器的核心筒结构示意图；

图8为智能水下航行器的上位机与下位机之间通讯方式示意图；

图9为智能水下航行器的核心筒内电源模块示意图；

图中：

1：航行器尾部推进器11：航行器头部推进器2：航行器尾部结构21：航行器尾翼3：航行器头部结构4：航行器主干41：航行器骨架42：树莓派Raspberry Pi嵌入式模块421：树莓派Raspberry Pi摄像头接口422：GPIO接口423：USB接口424：网口接口431：摄像头接口432：温度传感器接口433：压力传感器接口434：电源接口5：亚克力罩6：上位机界面61：视频可视化模块62：姿态可视化模块63：指令控制模块64：数据传输可视化模块65：轨迹可视化模块。

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，为本发明多种实施方式中的一种优选实施例：

图1-4从各个角度展示了智能水下航行器，航行器呈鱼雷形，包括航行器头部结构3、航行器主干4、由流线型圆罩构成航行器尾部结构2，并有三个航行器尾翼21分流，航行器具有航行器骨架41。航行器的推进器排布为头部一个航行器头部推进器11，尾部两个航行器尾部推进器12，通过配合完成航行器的前进和后退、上浮和下沉以及转弯等各类运动；通过配合完成航行器的前进和后退、上浮和下沉以及转弯等各类运动；外部传感器，负责采集各种环境和状态数据；中央控制舱，是航行器心脏，包括树莓派Raspberry Pi控制器、湿度传感器、交换机、多轴陀螺仪、电子罗盘、电力调制解调器等控制单元和功能模块；高清摄像头安置在航行器的控制舱前侧外部；侧扫声呐、温度传感器、压力传感器、CTD、LED灯位于航行器外部；上位机的可视化界面，支持对航行器的操控，并呈现航行器状态及探测结果，可视化界面包括指令控制模块，以及轨迹可视化模块、姿态可视化模块、实时水下视频模块；上位机的控制模块，根据探测需求，发送指令，通过树莓派Raspberry Pi控制器，实现控制推进器的转向及转速，实现姿态的调整及其他探测功能。

控制舱中包括树莓派Raspberry Pi控制器、湿度传感器、交换机、多轴陀螺仪、电子罗盘、电力调制解调器，传感器包括网络摄像头、侧扫声呐、温度传感器、压力传感器、CTD、LED灯，传感器采集各种数据，记录航行器的航行过程，树莓派Raspberry Pi控制器与传感器连接，以此来记录航行器运作的各类数据。

图5为智能水下航行器的上位机界面6示意图：所述的可视化界面呈现数据可视化后的结果，包括轨迹可视化模块65、姿态可视化模块62、视频可视化模块61、指令控制模块63，数据传输可视化模块64。所述无刷电机由树莓派Raspberry Pi控制器控制，树莓派Raspberry Pi控制器控制电机的正反转以及速度。树莓派Raspberry Pi控制器是基于ARM的微型电脑主板，卡片主板周围有4个USB接口和一个以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。树莓派RaspberryPi控制器通过外接Micro SD CARD存储各个传感器的数据。树莓派Raspberry Pi控制器与网络摄像头之间通过树莓派Raspberry Pi上的camera排口连接，以此来实现图像传输，网络摄像头采用RTSP网络媒体流作为摄像头数据传输协议通道，将视频数据反馈给树莓派Raspberry Pi，并保存。通过以太网接口与下位机实现通信。侧扫声呐利用树莓派Raspberry PI和计算机对脉冲串进行处理，最后变成数字量，并显示在上位机界面上。温度传感器用于测量航行器周围水体的温度数据，反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存。压力传感器用于测量航行器周围水压，换算得到水深数据，反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存。湿度传感器主要用于检测航行器体内是否进水，实时将舱内的湿度数据，反馈给Raspberry Pi控制器，并保存。CTD可以观测航行器周围海水的温度、电导率和压力，将CTD数据反馈给Raspberry Pi控制器，并保存。LED可以给航行器提供光源，保证在光线黑暗环境下工作。轨迹可视化模块65将航行器位于某一投影水平面的移动轨迹绘制在指定区域，所述的轨迹可视化模块数据来源自下位机主筒里的陀螺仪传感器，各方向轴方向上的加速度数值，通过树莓派Raspberry Pi控制器采集后，进行卡尔曼滤波处理，传送至上位机显示。姿态可视化模块62主要显示航行器当前位于水下的姿态，姿态可视化模块62通过下位机上的陀螺仪和电子罗盘，树莓派Raspberry Pi控制器以300ms的周期采集多轴陀螺仪和电子罗盘的实时数据，并发送至上位机进行可视化处理。视频可视化模块61用于显示航行器的环境信息。指令控制模块63用于控制航行器，操作者通过TCP/IP协议给树莓派Raspberry Pi控制器指令，使得下位机接受指令触发中断，并进行相应的主控板控制函数，灵活控制电机、LED灯等。交换机将传感器网络数据和网络摄像头的数据组成数据网通过电力调制解调器共同发给上位机。航行器的通信以电力载波为载体，电源以零浮力缆为载体。

图6为智能水下航行器的核心筒内树莓派Raspberry Pi嵌入式模块示意图，具有树莓派Raspberry Pi嵌入式模块42，树莓派Raspberry Pi摄像头接口421，GPIO接口422，USB接口，网口接口424。其中GPIO接口422接推进器的电子调速器，控制电机的方向以及速度；网口接口424接交换机，通过交换机获取摄像头以及传感器的各类数据。湿度传感器与陀螺仪、电子罗盘通过树莓派Raspberry Pi控制器上的USB接口423相连，再通过网口接口424将数据发送至上位机。

图7为智能水下航行器的核心筒结构，其中摄像头接口431，温度传感器接口432，压力传感器接口433，电源接口434为可变接口，每个接口内部有多个子接口，可以选择性的进行安装相应的传感器。零浮力缆通过摄像头接口431接口，与控制舱内部相连，提供电源。同时，作为传感器网络数据和网络摄像头的数据组成数据网的载体。

图8为智能水下航行器的上位机与下位机之间通讯方式示意图，LED、压力传感器、温度传感器、CTD和测扫声呐位于航行器外部，网络摄像头等位于航行器内部的控制舱外部、湿度传感器位于控制舱内部。航行器内部的包括控制器和部分传感器自身均不具有防水性，网络摄像头位于前部的半球形罩中，半球形罩和不锈钢配合密封胶圈密封，树莓派、交换机、部分传感器和电力调制解调器位于控制舱内部，控制舱本身具有防水性能。所有内部和外部的线缆均通过水密接头连通。

图9为智能水下航行器的核心筒内电源模块示意图，电源输入电压为220V，经过整流器，输出电压可以为12V或者5V。网络摄像头、电子调速器的输入电压为12V，交换机、多轴陀螺仪、温度传感器、压力传感器的输入电压为5V。

智能水下航行器的树莓派Raspberry Pi控制器包含有HDMI接口、USB接口423、GPIO接口422、SPI总线。初始化串口，USB 0主要用到接收上位机的控制指令，USB 1主要接收陀螺仪的数据，USB 2主要是给压力传感器发送指令。

定时器中断，每10毫秒中处理一下位移值，每200毫秒发送一下位移值和角度值，每800毫秒发送一下温度值和压力值。初始化中断优先级，要把经常使用的模块中断优先级设置相对较高，如果中断优先级分组设置为2，那么抢占优先级和响应优先级可以设置为0-3。树莓派Raspberry Pi控制器接受到操作人的指令后，控制电子调速器，从而控制无刷电机，实现航行器的沉浮与转向等基本操作。外接显示屏通过树莓派Raspberry Pi上的HDMI接口，将数据可视化后的图像和视频数据显示出来，并保存在Micro SD CARD中。多轴陀螺仪处理放到中断里，保证数据更新的速度快，并把各传感器接收的串口中断设为相对较高。各传感器数据反馈给树莓派Raspberry Pi后，经过串口转网口，再通过交换机将数据通过电力调制解调器传递给上位机，进行显示和保存。

作为优选，采用高推进效率的T200无刷电机进行测试，由树莓派Raspberry Pi控制器的控制转速以及转向。通过R树莓派Raspberry Pi控制器，实现航行器头部电机旋转，调整上浮和下沉姿态，尾部推进器1给航行器向前的动力，完成航行器的上升和下沉；通过尾部两个推进器1的差速完成航行器的转向。采用树莓派Raspberry Pi中安装的OpenGL开源图像引擎库，结合C++作为GUI应用程序开发框架，初始化视图背景，设置深度缓存，建立投影观察矩阵，绘制模拟三维模型，并且以接受到客户端发送的陀螺仪姿态为触发事件，通过信号与槽机制，进入重新绘制函数，根据数据进行相应的偏转角旋转，以完成实时更新的动态三维模型姿态显示。

轨迹动态显示，采用QPainter作为二维绘图引擎，和双缓冲绘图算法，记录上一次位移数据。其重绘操作，由接受信号与槽readyRead函数触发，确保接受数据与显示紧凑同步。

姿态动态显示，初始化界面背景，设置深度缓存，选择投影观察矩阵，再绘制模拟航行器的三维模型。每次传来的偏转角度值，都会在绘制函数中进行相应旋转，最终完成三维模拟姿态的动态显示。

传感器数据曲线图动态显示，主要记录传感器自通电后，航行器开始运作时，各传感器的反馈数据。并通过曲线图的形式实时在界面上进行动态更新显示。同时添加截图记录的功能，用来保存所需的数据曲线图，便于后续研究分析。

未来，航行器将拓展航线自由规划和智能探查，结合人工智能，拓展更多的功能，比如水下定位功能、自主避障功能、水下采样和自主救援等。将陀螺仪与定位系统结合起来，提升搜寻和探测能力；加载更多的传感器，如ADCP，提升探测能力；优化采集数据，进行合理分析。实现航行器的自主航行，添加电池仓，实现无缆自主供电，实现长时间和大范围的水下工作。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，使用树莓派Raspberry Pi作为水下航行器控制核心，可以一次执行多个命令程序，通过以太网接口，实时经电力调制解调器，实现与上位机的实时通信，接受上位机指令，控制和执行完成水下航行动作和探测任务，向上位机反馈结果；所述航行器呈鱼雷流线形，航行器尾部结构由流线型圆罩构成，并有3个航行器尾翼分流；航行器的推进器排布为头部1个航行器头部推进器，尾部2个航行器尾部推进器，上述3个推进器采用无刷电机，通过配合完成航行器的基础动作，所述无刷电机转向和转速由树莓派Raspberry Pi控制器控制；传感器采集各种航行器运行的数据和环境数据；控制舱中包括树莓派Raspberry Pi控制器、湿度传感器、交换机、多轴陀螺仪、电子罗盘、电力调制解调器；高清摄像头位于航行器内部的控制舱外部；侧扫声呐、温度传感器、压力传感器、CTD、LED灯位于航行器外部；上位机可视化界面包括实现对树莓派Raspberry Pi控制器的控制的指令控制模块，数据传输可视化模块、轨迹可视化模块、姿态可视化模块、视频可视化模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述的树莓派Raspberry Pi控制器是基于ARM的微型电脑主板，卡片主板周围有4个USB接口和一个以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。

3.根据权利要求2所述的智能水下航行器一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述树莓派Raspberry Pi控制器通过外接Micro SD CARD存储各个传感器的数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述的树莓派Raspberry Pi控制器与高清摄像头相连，以此来实现图像采集传输，高清摄像头采用RTSP网络媒体流作为摄像头数据传输协议通道，将视频数据反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，保存。

5.根据权利要求3所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述的侧扫声呐利用所述树莓派Raspberry Pi控制器和计算机对脉冲串进行处理，最后变成数字量，并显示在上位机界面上，温度传感器用于测量航行器周围的温度值，将温度值反馈给树莓派Raspberry Pi控制器，并保存。

6.根据权利要求3所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述的压力传感器用于测量航行器周围的水压，从而得到航行器深度，将压力和水深数据反馈给Raspberry Pi控制器，并保存；和/或所述的湿度传感器用于检测航行器体内是否进水，实施将舱内的湿度数据反馈给Raspberry Pi控制器，并保存；和/或，CTD可以得到航行器周围海水的温度电导率和压力，将数据反馈给Raspberry Pi控制器，并保存；和/或，LED可以给航行器提供光源，以致其在光线黑暗环境下可以自由航行。

7.根据权利要求1所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述的轨迹可视化模块主要将航行器位于某一投影水平面的移动轨迹绘制在指定区域，所述的轨迹可视化模块数据来源自下位机主筒里的陀螺仪传感器，各方向轴方向上的加速度数值，通过树莓派Raspberry Pi控制器采集后，进行卡尔曼滤波处理，传送至上位机显示；和/或，所述的姿态可视化模块显示航行器当前位于水下的姿态，姿态显示模块利用陀螺仪和电子罗盘的数据，调用OpenGL库中的绘制渲染函数，在上位机界面建立实时三维动态模型，并实时根据数据进行姿态变化，所述树莓派Raspberry Pi控制器以300ms的周期采集多轴陀螺仪和电子罗盘的实时数据，并发送至上位机进行可视化处理；和/或所述的视频可视化模块用于显示航行器的环境信息；和/或，所述的指令控制模块用于控制航行器，操作者通过TCP/IP协议给Raspberry Pi控制器指令，使得下位机接受指令触发中断，并进行相应的主控板控制函数，灵活控制电机、LED灯。

8.根据权利要求3所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于，所述的树莓派Raspberry Pi控制器将数据保存及处理后反馈给所述的交换机，所述的交换机将传感器网络数据和高清摄像头的数据组成数据网通过电力调制解调器共同发给上位机。

9.根据权利要求1所述的一种基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器，其特征在于：所述的航行器的通信以电力载波为载体，电源以零浮力缆为载体。

10.一种水下航行器的应用，其特征在于，其采用如权利要求1-9所述的基于树莓派Raspberry Pi控制器的智能水下航行器。