CN106061053B

CN106061053B - 一种水下机器人照明控制系统

Info

Publication number: CN106061053B
Application number: CN201610338844.6A
Authority: CN
Inventors: 魏延辉; 刘合伟; 洪国庆; 郭锐; 张浩渊; 乔金鹤; 姚贵鹏; 罗珊珊; 李宁波; 颜益
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2019-01-15
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: CN106061053A

Abstract

本发明提供一种水下机器人照明控制系统，包括环境光感应系统、中心控制器、交流电压过零信号的提取模块、电压过零信号的延时模块、双向可控硅的驱动电路模块，环境光感应系统是以分布在水下机器人周围的多台摄像头组成；中心控制器对环境光感应系统检测出的环境光进行判断，进而输出控制系统调节水下灯的交流电压信号；交流电压过零信号的提取模块用于检测交流电的电压过零点；电压过零信号的延时模块根据电压过零信号，同时结合中心控制器发出的水下灯控制信号做出相应的延时，决定双向可控硅的驱动时间；双向可控硅的驱动电路模块根据双向可控硅的导通时间，实现大功率水下交流卤素灯的亮度调节。本发明具有通用性、小型化和模块化的特点。

Description

一种水下机器人照明控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其涉及一种水下机器人照明控制系统，属于水下机器人技术领域。

背景技术

海洋作为人类生活和发展的巨大空间之一，占据着地球表面积的大部分面积，是各种资源以及能源的聚集地，因此海洋成为了人类最为理想的开发环境。尤其是在21世纪之后，随着人口的快速的增长，生活的质量不断提高，社会的飞跃发展，人类逐渐意识到如果没有新能源和资源的出现，以后的生存都会成为一个很大的难题。于是人类的眼光转向了那个占据着地球表面71％的绿色海洋，在这个巨大的宝库中有着丰富的资源和能源，也是人类当前所需要的，它能完全解决人类当前的资源短缺问题，是人类未来的希望。

随着我国提出的“蓝色中国”口号以及经济水平的不断增长，海洋逐渐成为了人们新的关注对象。我国拥有较长的海岸线，分布广泛的港口，这些让海底各种资源的发现、开采、应用等都成为了严重的问题，让大量的海底资源无法开采。当前海洋环境问题的日益显著，海洋安全问题面临极大挑战，我国重要的工业发展基地、大部分的发达城市都坐落在东部的沿海地区，并拥有像核电站、大型港口等重要的基础设施，他们的分布相对集中，而且依托海洋，也因此会遭到各个方面的威胁，海洋的安全就显得尤为重要。除此以外，石油的开采、海上的运输等都需要我们明确海底的情况，然而由于海洋的未知性，人类本身就很难完成这项巨大的工程，所以就需要一种设备帮助我们探测海底的未知世界。

由于深海水下机器人一般工作在水下上百米甚至上千米的环境中，可见光就很难达到这一水域，因此深海水下机器人的工作环境一片漆黑，需要大功率的水下灯为其提供光源，保证水下作业任务的实现和目标物体的图像采集。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种水下机器人照明控制系统，能根据水下机器人对环境光的需要进行灯光补偿，能够满足多种类型的水下机器人，具有通用性、小型化和模块化的特点。

本发明的目的是这样实现的：包括环境光感应系统、中心控制器、交流电压过零信号的提取模块、电压过零信号的延时模块、双向可控硅的驱动电路模块，环境光感应系统是以分布在水下机器人周围的至少五台的摄像头组成，通过摄像头采集的图像判断环境光的强弱并传至中心控制器；中心控制器对环境光感应系统检测出的环境光进行判断，进而输出控制系统调节水下灯的交流电压信号；交流电压过零信号的提取模块用于检测交流电的电压过零点，首先将中心控制器输出的交流电压信号进行整流处理，再对整流后的交流电压提取过零点，并采用光电耦合器来提取同步的电压过零信号；电压过零信号的延时模块根据电压过零信号，同时结合中心控制器发出的水下灯控制信号做出相应的延时，决定双向可控硅的驱动时间；双向可控硅的驱动电路模块根据双向可控硅的导通时间，实现大功率水下交流卤素灯的亮度调节。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述交流电压过零信号的提取模块包括输入信号(Ui)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、桥式整流二极管、光电耦合器(U1)、第三电阻(R3)，输入信号(Ui)的两端分别连接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一电阻(R1)的端部与桥式整流二极管的第二管脚连接，第二电阻(R2)的端部与桥式整流二极管的第三管脚连接，光电耦合器(U1)包括封装在同一管壳里的红外发光二极管和光敏三极管，桥式整流二极管的第一管脚和第四管脚分别与光电耦合器的红外发光二极管的正、负级连接，光电耦合器的光敏三极管的发射级接地、集电极输出电压过零信号，第三电阻(R3)一端与电源(VCC1)连接、另一端与光敏三极管的集电极连接。

2.所述电压过零信号的延时模块包括电压过零信号的输入端、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、晶体三级管(Q1)、极性电容(C1)、第七电阻(R7)、运算放大器(U2A)、旁路电容(C2)，电压过零信号的输入端分别连接第四电阻(R4)、第五电阻(R5)，第五电阻(R5)的端部与第六电阻(R6)的一端连接且第五电阻(R5)和第六电阻(R6)与电源(VCC2)连接，第六电阻(R6)的另一端与晶体三级管(Q1)的集电极连接，第四电阻(R4)的端部与晶体三级管(Q1)的基极连接，晶体三级管(Q1)还并联有极性电容(C1)，运算放大器(U2A)的正向输入端与晶体三级管(Q1)的集电极连接，运算放大器(U2A)的负向输入端与第七电阻(R7)的一端连接，第七电阻(R7)的另一端与DA模块连接，旁路电容(C2)设置在运算放大器(U2A)电源电压处，运算放大器(U2A)的输出端输出延时后的脉冲信号。

3.所述双向可控硅的驱动电路模块包括延时后的脉冲信号的输入端、第八电阻(R8)、非过零双向可控硅光耦(U3)、双向可控硅(Q2)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)和电容(C3)，第八电阻(R8)的一端与延时后的脉冲信号的输入端连接、另一端与非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚1连接，非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚2接地，非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚4与双向可控硅(Q2)的门级连接，非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚6与第九电阻(R9)的一端连接，第九电阻(R9)的另一端与第十电阻(R10)的一端连接，双向可控硅(Q2)的T1级分别与电容(C3)的一端和负载卤素灯的一端连接，双向可控硅(Q2)的T2级分别和第十电阻(R10)的另一端和负载卤素灯的另一端连接，电容(C3)的另一端分别与第九电阻(R9)、第十电阻(R10)连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能根据水下机器人对环境光的需要进行灯光补偿，能够满足多种类型的水下机器人，实现水下图像清晰采集和处理的要求，具有通用性、小型化和模块化的特点。本发明采用模块化设计，功能明确，环境光感应系统是以分布在水下机器人周围的多台摄像头组成的，通过摄像头采集的图像判断环境光的强弱；中心控制器对环境光感应系统检测出的环境光进行判断，进而输出控制系统调节水下灯的信号；交流电压过零信号的提取模块用于检测交流电的电压过零点；电压过零信号的延时模块根据电压过零点信号，同时结合中心控制器发出的水下灯控制信号做出相应的延时，决定双向可控硅的驱动时间；双向可控硅的驱动电路模块根据双向可控硅的导通时间，实现大功率水下交流卤素灯的亮度调节。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的交流电压过零信号提取模块的电路图；

图3是过零提取效果图；

图4是本发明的电压过零信号的延时模块的电路图；

图5是本发明的双向可控硅驱动的电路图；

图6是本发明的工作过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：结合图1，本发明是依据模块化思想对灯光控制系统进行设计，整个系统分成以下五个部分：中心控制器、环境光感应系统、交流电压过零信号的提取模块、电压过零信号的延时模块、双向可控硅的驱动电路模块。环境光感应系统是以分布在水下机器人周围的多台摄像头组成的，通过摄像头采集的图像判断环境光的强弱；中心控制器对环境光感应系统检测出的环境光进行判断，进而输出控制系统调节水下灯的信号；交流电压过零信号的提取模块用于检测交流电的电压过零点；电压过零信号的延时模块根据电压过零点信号，同时结合中心控制器发出的水下灯控制信号做出相应的延时，决定双向可控硅的驱动时间；双向可控硅的驱动电路模块根据双向可控硅的导通时间，实现大功率水下交流卤素灯的亮度调节。

环境光感应系统由5个摄像头组成，5个摄像头按照功能需要分布在水下机器人的前侧的顶端(2个)、云台(2个)和后端(1个)，分别对水下机器人环境光进行检测，判断环境光是否满足作业和观察需要。摄像头对环境光的检测方法采用图像的中值滤波、图像增强和边缘检测等图像处理手段将摄像头采集到的图像进行处理，根据处理的图像结果判断环境光是否满足需要，是否需要调整水下灯光。

实施例二：基于上述实施例并结合图2和图3，本发明的交流电压过零信号的提取模块具体是：交流电压过零信号的提取电路首先将交流电压进行整流处理，将交流电能转换为直流电能，本发明的整流电路采用桥式整流电路；然后对整流后的交流电压提取过零点，采用光电耦合器来提取同步信号。

交流电压过零信号的提取首先需要一个整流电路，整流电路应用了整流器件的单向导通的性能，将交流电能转换为直流电能的电路。通常整流器件都采用二极管。交流电压经过整流电路之后输出的是一种包含直流电压和交流电压的混合电压，这种电压通常称为单向脉动性直流电压。整流电路通常分为半波整流电路，全波整流电路以及桥式整流三种。

半波整流电路由一个整流二极管和负载组成，当输入电压为交流电压的正半周期时，整流二极管导通，整个电路形成回路，输入电压就能加载到负载上；当输入为交流电压的负半周期时，整流二极管截止，整个电路不能形成回路，则负载上没有电压输出，所以在一个周期内输出的电压只有半周，所以它是采用牺牲一般的交流电来达到整流的效果，对电流的利用率极低，因此在实际电路中很少采用。

全波整流电路与半波整流有所不同，在前半个周期内，电流流过整流二极管，在另一个周期内，电流流向另一个整流二极管，并且使流经两个整流二极管的电流能以同一个方向流过负载，这就完全利用了交流电压的正负两个半波，相比半波整流，全波整流大大提高了交流电的利用效率，而且能使整流后的电流变得比较平滑。但是这会使整流二极管承受较大的反向电压，所以一般不适合用在输出电压比较高的电路中。

桥式整流电路是最常用整流电路，它将4只二极管连接成“桥”式结构，利用二极管的单向导通性，在电路中左开关作用。桥式整流电路的原理图如图所示。

在IN端接入交流电压后，当输入为交流电压正半周期时，对二极管D1、D3加上了正向电压，D1、D3导通，而给二极管D2、D4加上了反向电压，D2、D4截止，电路中形成了IN、D1、OUT、D3回路，所以在输出端得到正弦波的上半部分；当输入为交流电压的负半周期时，给二极管D2、D4加上了正向电压，D2、D4导通，而给二极管D1、D3加上了反向电压，D1、D3截止，电路形成了IN、D4、OUT、D2回路，所以在输出端的到正弦波的上半部分。

当桥式整流电路输入电压为Ui、输出电压为Uo时，在输出端连接上负载RL，则电路中各参数计算如下：

输出平均电压：

流过负载的平均电流：

流过二极管的平均电流：

二极管所承受的最大反向电压：

流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可以讲脉动电压做傅里叶分析，此时谐波中二次谐波分量幅度最大，最低次谐波的幅值UonM与平均值Uo(AV)的比值称为脉动系数S。

即：

由于桥式整流电路对二极管的要求比较低，具有利用效率高，脉动系数小，在交流输入信号正负半轴均有输出等特点，完全满足本发明的需要，加上现在桥式整流电路中的整流二极管已做成整流桥模块，更好的方便了本发明的运用，所以本发明采用了4管脚的KBP210桥式整流器。

将交流电压整流以后就需要提取它的过零点，这里采取光电耦合器来提取同步信号，光电耦合器(Optical Coupler简称OC)也称作是光电隔离器，光电耦合器一般由三个部分组成：光的发射、光的接收以及信号放大。它采用光作为媒介传输电信号，对输入输出的电信号有良好的隔离作用，对电路起到良好的保护作用，使电信号传输具有单向性等优点，具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力；光电耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，连接没有触点，因而具有很强的共模抑制能力，它在传输信息中作为终端隔离元件，可以大大提高信噪比，可以很大提高电路工作的稳定性；光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响；光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小，能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。所以它在电路中应用较为广泛。

本发明采用TLP521-1作为光电隔离器，它是一个可控制的光电耦合器件，将一个红外发光二极管和一个光敏三极管封装在同一管壳里，内部结构图如图所示，隔离电压可高达2500V。当在TLP521-1两端加上电信号时，红外发光二极管被点亮，光敏三极管接收到光后产生了光电流，从输出端输出，这就实现了“电—光—电”的转换，使电路没有直接的电气连接，还能传输信号，大大的减少了对电路的干扰，增加了电路的稳定性。

由于KBP210整流器能承受高达1000V反向电压，2A的正向电流，而光电耦合器TLP521-1的最大额定输入电流IF为70mA。因此需要加入电阻进行限流限压，具体电阻取值计算如下：

本发明选择的电阻需要比22KΩ大，所以选择30KΩ电阻，此时，7.3mA也能完全满足TLP521-1光耦的输入电流。TLP521-1光耦的集电极电流IC最大额定值为50mA，但建议工作在10mA左右，电压为15V，所以在集电极加了一个10KΩ的上拉电阻R3。

当在Ui处加上交流电压时，交流电经过桥式整流器整流后到达发光二极管处，一旦电压达到其导通电压时，二极管发光导致三极管导通，此时Uo相当于接地；如果二极管接收到交流电压过零点时，达不到让发光二极管导通的条件，二极管不发光，三极管就不导通，此时Uo相当于接高电平，有电压输出，这样就检测出了市电的所有零点，得到了所有过零点的脉冲信号。实际效果如图附图3所示。

实施例三：基于上述实施例并结合图4，本发明的电压过零信号的延时模块具体是：采用锯齿波延时电路实现电压过零信号的延时处理，通过一定速率对电容进行充电，然后利用晶体三极管作为开关元件对电容进行快速放电，然后将得到的锯齿波电压与数模转换后的电压进行比较，以此来控制延时的时间大小，进而实现电压过零信号的延迟。

延时脉冲信号的方法有很多，除了可以采用电子元件实现以外，超声延迟线、电荷耦合器电缆、单片机中断延时等方法也都可以用来延时脉冲信号。虽然电缆延迟线的频带较宽，输出的波形失真小，但是延时时间不能太长，调节起来相对麻烦；电缆可以采用电感器和电容构成的仿真线代替，延迟时间也可以较长，但是设计比较困难；超声延迟线虽然体积小，但是不方便调整，而且频带较窄；也可以将采集到的同步信号输入单片机的一个数值I/O口，作为外部中断的触发信号，每触发一次，单片机进一次中断，然后定义一个延时时间，这样也可以做到延时的功能，但是这样设计比较麻烦切需要编写复杂的程序，鉴于上述几种延时方法的优缺点，本发明选择了一种不直接延时输入信号本身的方法，而是经过一段时间产生一个新的脉冲信号输出，最常用的就是锯齿波延时电路。

锯齿波延时电路就是将输入的脉冲信号Ui经过一系列电路最终成为一个随时间增长的锯齿形电压，再将得到的锯齿波信号与一个给定的固定电压进行比较，当两者成一定关系时，就可以看出输出的脉冲信号Uo相对于输入脉冲有一定的延迟时间τ，其延迟的时间τ取决于锯齿波的斜率以及给定的固定电压值，改变它们便可以改变延时时间的大小。这个电路容易实现延时时间连续改变，相对于以上几种方法更便于设计。

锯齿波延时电路首先需要产生锯齿波信号，锯齿波产生的基本原理就是对电容充放电的控制，可以以一定的速率对电容进行充电，然后利用一个开关对电容进行快速放电，根据本发明的要求，本发明采用了晶体三级管BD139作为开关元件。这种晶体管可以作为一种可变电流开关，能够根据输入电压大小来控制输出电流，与普通的机械开关不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开关，容易关断，所需要的辅助器件较少，能在高频率下工作，开关速度非常快。接下来需要将得到的锯齿波电压与数模转换后的电压进行比较，以此来决定延时的时间大小，所以这里就要采用一个比较器，电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。电压比较器可以实现功能比较两个输入电压大小的功能，能用输出电压的高低电平来表示输入电压的关系。当正相输入端的电压大于负向输入端电压时，电压比较器输出为高电平；当正相输入端的电压小于负向输入端电压时，电压比较器输出为低电平。电压比较器可以看做是放大倍数接近无穷大时的预算放大器，运放是通过反馈回路和输入回路确定运算参数，如放大倍数，反馈量可以使输出的部分电压或者电流，也可以是全部的电流电压，而比较器却不需要反馈，直接比较两个输入端电压的大小，所以其抗干扰能力差。由于本发明的电压输入为线性量，输出需要的是开关量，经过分析对比，综合考虑性能成本等问题后，觉得本电路不需要采用专门的电压比较器，完全就可以用线性的运算放大器，在不加反馈的情况下构成比较器来使用。

如附图4所示，当给输入端Ui加上脉冲信号时，当脉冲电压为0V时，晶体三极管的基极相当于接地，则晶体三极管不导通，此时电压源VCC2对极性电容进行充电，形成锯齿波的上升部分；当电压不为零时，这个脉冲信号会使晶体三极管导通，极性电容C1的正负两端都接地，进行快速的放电，形成锯齿波的下降部分。将得到的锯齿波信号给到运算放大器LM324的正向输入端，此时DA模块会根据单片机解析的上位机指令输出一个电压信号给到运算放大器的负向输入端，两个电压进行比较，当正向输入端电压大于负向输入端电压时，运算放大器LM324输出端Uo为高电平，即此时的电源电压15V；当正向输入端的电压小于负向输入端电压时，运算放大器输出的是电源电压0V，这就形成了延时后的脉冲信号。在运放电源电压处加上了电容，其称为旁路电容，能减小接地阻抗，提高频率响应的速度。

实施例四：基于上述实施例并结合图5，本发明的双向可控硅的驱动电路模块是：首先采用没有检测过零功能的光耦U3对控制信号进行隔离，该光耦是由一个砷化镓红外发光二极管和一个光敏晶闸管组成，然后控制脉脉冲信号就决定着双线可控硅的导通角的大小，实现灯光的驱动控制。

可控硅也就是普通的晶闸管。它是一个具有三个PN结，由四层半导体组成，对外有三个电极，分别是由第一层P型半导体引出的阳极A,第三层P型半导体引出的控制极G和第四层N型半导体引出的阴极K，结构示意图和电路符号图如图所示。它与二极管具有一样的特点，就是单方向导通，但由于多了一个控制极，又使二者有完全不同的工作特性，虽然其结构简单、体积小，但是功能强大，可以以小功率控制大功率，功率放大倍数可达到几十万倍，反应速度极快，能在微秒级内完成导通、关断；具有无火花、无噪音、效率高、成本低等特点，成为常用的半导体器件，多用来整流、变频、调压、无触点开关等。

在分析可控硅的原理时，可以将他看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成，等效的图解如图所示，当晶闸管承受正向电压时，必须使承受反向电压的PN结失去阻挡作用，两个晶体管的集电极电流同时是另一个的基极电流，因此两个相互作用的晶体管，只要当门极有电流流过时，就会形成正反馈，使两个晶体管都饱和导通。

假设PNP管和NPN管的集电极电流分别为I_c1和I_c2，发射极电流为I_A和I_K，则电流放大系数为：

流过NPN晶体管的反向漏电流为I_c0则晶体管的阳极电流为：

I_A＝I_c1+I_c2+I_c0＝α1I_A+α2I_K+I_c0

门极电流为I_G，则I_K＝I_A+I_G

当晶闸管有正向阳极电压，门极未加电压时，I_G为0，α1和α2非常小，此时I_A约等于I_c0，晶闸管处于正向阻断状态；若此时给门极有电流I_G流过，并且足够大，则会迅速提高α2，产生足够大的集电极电流I_c2流过PNP管的发射极，进而提高了PNP管的电流放大系数α1，产生更大的集电极电流I_c1流向NPN管的发射结，如此循环，即使门极电流为零，就使得晶闸管一直导通；如果此时不断减小阳极电压，使阳极电流I_A减小到不能使PNP管导通，α1和α2会迅速下降，晶闸管就呈断开状态。

所以综上所知，可控硅只有导通和断开两种状态，因此它具有开关特性，当可控硅加上反向阳极电压时，无论门极电压多大，可控硅都处于关断状态；只有在承受正向阳极电压时，门极也承受正向电压才导通。可控硅在导通状态下，只要有正向阳极电压，无论门极电压多大，可控硅始终保持导通状态；一旦阳极电压为零时，可控硅立即关闭。

而本发明可控硅驱动的大功率卤素灯接的是115V交流电压源，如果采用单向可控硅在电压的负半周期时，不管门极电压怎么，可控硅都处于关断状态，这就不能满足需求，所以本发明采用双向的可控硅，形式上它可以等效为两个单向可控硅反向并联组成，其中一个的阳极与另一个的阴极相连，引出端称为T1极，另一个引出端称为T2极，剩下一个控制极G，实际上它是由七只晶闸管和多个电阻组成，属于NPNPN五层器件。结构图和实物图如图所示

双向可控硅在工作原理上与单向可控硅很相似，它具有一个特点就是无论所加电压的极性是正向还是反向，只要在控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲的极性怎么样，都可以使双向可控硅导通。所以在什么时候加上控制脉脉冲信号就决定着双线可控硅的导通角的大小，当交流电通过可控硅时，可以通过控制门极触发脉冲使其在0～180度的任意一角开始导通，假设在电压过零点后α角度后加一个触发脉冲，这个α角度称为控制角，则此时可控硅的导通角θ为π-α，这个导通角θ就表示可控硅在电源半周期内的处于导通状态的电角度，导通的电角度如图阴影部分所示，这个角度的大小就控制着水下大功率卤素灯的亮暗程度。在使用双向可控硅时，能正确判断各管脚比较重要，首先用万用表测量三个管脚间的正、反向电阻值，若发现其中一个管脚与其他两个管脚间电阻无穷大，则此管脚为T2，再测量剩下两个管脚间的正反向电阻值，在电阻值较小的一次测量时，万用表黑表笔接的是T1极，红表笔接的门极G。本发明采用的是三端双向可控硅BTA41-600B，它的通态电流高达40A，两端电压可达600V，触发所需电流较小。

双向可控硅具有到了交流电压零点出现关断的特点，所以就需要在关断后，根据负载的需求选择合适的时间重新触发可控硅。本发明的双向可控硅用于驱动高压大电流的负载，不适合直接与运放连接，在实际的使用中需要采用隔离措施和开关控制量，这里可以采取具有光特性的固态继电器，但是这种器件成本较高，所以光耦成为了最好的选择。MOC系列的光控可控硅，它主要分为有过零检测和无过零检测两种。有过零检测功能的光控可控硅，在每次电压过零时，都会检测是否有光输入，即有没有前置电流流过，如果有前置电流，则它在整个周期内都会导通，因此它只能决定在一个周期内是否导通，而不能决定在一个周期的某一个时刻开始导通，这显然不满足本发明对大功率卤素灯的亮度调节要求。而对于没有过零检测功能的光耦来说，它在有光输入的时刻到这个周期结束都是导通的，基于它的这种特性，当检测到电压零点的时候就可以在零点时刻开始延时一段时间来输入前置电流，这样就可以改变可控硅的导通角。所以本发明采用的是MOC系列没有检测过零功能的MOC3021光耦，它由一个砷化镓红外发光二极管和一个光敏晶闸管组成。其前置电流为15mA，隔离电压高达7500V。

双向可控硅的两端接上交流电压源，当在非过零双向可控硅光耦MOC3021的管脚1加上一个脉冲信号时，红外发光二极管发光，使得光敏晶体闸导通，管脚4和6双向导通，此时相当于双向可控硅的门极G有一个触发电压使其导通，负载大功率卤素灯发光，由双向可控硅的原理可知，即使现在MOC3021没有触发信号，双向可控硅也一直处于导通状态，但是一旦交流电压的零点到来时，双向可控硅立即截止，这就需要下一个触发脉冲的到来时才能重新导通双向可控硅，这样就可以控制电压源的导通状态时电角度的大小。从双向可控硅导通到交流电压源的零点到来时的角度即为导通角，这个导通角的大小就决定着大功率卤素灯的亮暗程度，导通角越大说明电压源在半个周期内处于导通状态的电角度越大，大功率卤素灯就越亮；反之，当双向可控硅导通时距离交流电压源的零点越近时，导通角就越小，此时电压源在半个周期内处于导通状态的电角度越小，大功率卤素灯就越暗。这样就可以达到调节灯光亮度的目的。

如图6所示，以多路水下卤素灯为例来说明本发明的控制系统流程，包含5个摄像头的光感系统通过图像处理的方式实时检测水下灯光是否满足水下作业要求，以每个摄像头为单位作为评价，即哪个摄像头为主要采集图像摄像头，水下灯以补偿该摄像头的所需光强为目标。一旦检测不满足要求，通过多路水下灯组合进行补偿，并确定要补偿的亮度值，然后通过水下灯控制函数入口重新更新水下灯数据，以完成灯光补偿，直到满足水下作业要求。

本发明还提供一种灯光综合匹配补偿方法，水下灯的灯光主要用于补偿水下机器人的摄像头对目标物体的识别和环境的观察，其控制主要根据摄像头对图像采集效果的评价相关联，而摄像头采集图像的效果不仅仅与水下灯光有关，还与水中的自然光、水质、被测物体的距离、水下灯的补偿位置等综合因素有关，是一个较为复杂的过程。为此，水下灯的灯光控制本发明仅考虑摄像头的图像处理结果相关联。

设摄像头采集的图像通过一些预处理手段，得到图像的清晰度评价结果为：

y＝f(cd)

其中cd表示环境光的光强度，f(cd)表示与光强度有关的图像评价函数，并不是环境光的光强度越好，水下摄像头采集的图像就越好，水下灯的高强度输出在漆黑的水下易形成光幕，采集的效果反而变坏。而在其他条件不变的情况下，通过改变环境光的光强度总能够找到图像的清晰度的最优评价结果。

根据环境感光系统中的摄像头数量和水下灯数量分为三种控制方法：

(1)单摄像头和单水下灯

对于单个水下灯的灯光控制来说，环境光的光强与水下灯输出光强是线型对应的，因此通过改变单个水下灯的光强能够获得当前条件下的最优摄像头评价结果。

(2)单摄像头和多水下灯

而多个水下灯照射条件下，就较为复杂一些。由于水下灯分布的位置、物体的位置各不相同，这里定义的评价结果为：

y＝f₀(cd₀)+f₁(cd₁)+…+f_n(cd_n)

式中：cd₀代表环境光中自然光的光强，cd_i(i＝1,…n)代表第i个水下灯输出的光强。

由于每个f_i(cd_i)(i＝0,1…n)中函数不是线型的，因此摄像头的最佳评价效果通过遗传算法的方式来实现。

(3)多摄像头和多水下灯

多摄像头和多水下灯组合情况时，以单个摄像头的评价效果为准，也就是通过改变多个水下灯的光强度，以每个摄像头为单位作为评价，即哪个摄像头为主要采集图像摄像头，水下灯以补偿该摄像头的所需光强为目标。对于水下机器人的双摄像头进行水下目标测量时，以水下目标的测量精确度为目标函数，调整多个水下灯的光强度。

Claims

1.一种水下机器人照明控制系统，其特征在于：包括环境光感应系统、中心控制器、交流电压过零信号的提取模块、电压过零信号的延时模块、双向可控硅的驱动电路模块，环境光感应系统是以分布在水下机器人周围的至少五台的摄像头组成，通过摄像头采集的图像判断环境光的强弱并传至中心控制器；中心控制器对环境光感应系统检测出的环境光进行判断，进而输出控制系统调节水下灯的交流电压信号；交流电压过零信号的提取模块用于检测交流电的电压过零点，首先将中心控制器输出的交流电压信号进行整流处理，再对整流后的交流电压提取过零点，并采用光电耦合器来提取同步的电压过零信号；电压过零信号的延时模块根据电压过零信号，同时结合中心控制器发出的水下灯控制信号做出相应的延时，决定双向可控硅的驱动时间；双向可控硅的驱动电路模块根据双向可控硅的导通时间，实现大功率水下交流卤素灯的亮度调节；所述交流电压过零信号的提取模块包括输入信号(Ui)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、桥式整流二极管、光电耦合器(U1)、第三电阻(R3)，输入信号(Ui)的两端分别连接第一电阻(R1)的第一端、第二电阻(R2)的第一端，第一电阻(R1)的第二端与桥式整流二极管的第二管脚连接，第二电阻(R2)的第二端与桥式整流二极管的第三管脚连接，光电耦合器(U1)包括封装在同一管壳里的红外发光二极管和光敏三极管，桥式整流二极管的第一管脚和第四管脚分别与光电耦合器的红外发光二极管的正、负极连接，其中，桥式整流二极管的第一至第四管脚分别为其正输出端、第一交流输入端、第二交流输入端、负输出端，光电耦合器的光敏三极管的发射极接地、集电极输出电压过零信号，第三电阻(R3)一端与电源(VCC1)连接、另一端与光敏三极管的集电极连接；所述电压过零信号的延时模块包括电压过零信号的输入端、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、晶体三极管(Q1)、极性电容(C1)、第七电阻(R7)、运算放大器(U2A)、旁路电容(C2)，电压过零信号的输入端分别连接第四电阻(R4)的第一端、第五电阻(R5)的第一端，第五电阻(R5)的第二端与第六电阻(R6)的一端连接且第五电阻(R5)和第六电阻(R6)的连接点与电源(VCC2)连接，第六电阻(R6)的另一端与晶体三极管(Q1)的集电极连接，第四电阻(R4)的第二端与晶体三极管(Q1)的基极连接，晶体三极管(Q1)的集电极接极性电容(C1)的正极，晶体三极管的发射极接极性电容的负极和地，运算放大器(U2A)的正向输入端与晶体三极管(Q1)的集电极连接，运算放大器(U2A)的负向输入端与第七电阻(R7)的一端连接，第七电阻(R7)的另一端与DA模块连接，DA模块会根据单片机解析的上位机指令输出一个电压信号给到运算放大器的负向输入端，旁路电容(C2)设置在运算放大器(U2A)电源电压和地之间，运算放大器(U2A)的输出端输出延时后的脉冲信号并提供给双向可控硅的驱动电路模块。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人照明控制系统，其特征在于：所述双向可控硅的驱动电路模块包括延时后的脉冲信号的输入端、第八电阻(R8)、非过零双向可控硅光耦(U3)、双向可控硅(Q2)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)和第三电容(C3)，第八电阻(R8)的一端与延时后的脉冲信号的输入端连接、另一端与非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚1连接，非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚2接地，非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚4与双向可控硅(Q2)的门极连接，非过零双向可控硅光耦(U3)的管脚6与第九电阻(R9)的一端连接，非过零双向可控硅光耦的管脚1是内部发光二极管的阳极、管脚2是内部发光二极管的阴极、管脚4和管脚6均是内部双向可控硅的主接线端，第九电阻(R9)的另一端与第十电阻(R10)的一端连接，双向可控硅(Q2)的主电极T1极分别与第三电容(C3)的一端和负载卤素灯的一端连接，双向可控硅(Q2)的主电极T2极分别和第十电阻(R10)的另一端和负载卤素灯的另一端连接，第三电容(C3)的另一端与第九电阻(R9)和第十电阻(R10)连接点相连接。