CN107145105A - 一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统 - Google Patents

一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统 Download PDF

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杜刚
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Abstract

本发明提出了一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统，包括：数据存储系统与每个压强传感器数据采集系统相连，用于向一个或多个压强传感器数据采集系统发送数据读取指令；每个压强传感器数据采集系统分别连接多路压强传感器，用于通过IIC通信方式轮流向每个路压强传感器发送数据采集命令，并轮询获取每路压强传感器采集的压强传感器数据，并将压强传感器数据发送至数据存储系统进行保存；数据存储系统将接收到的压强传感器数据发送至分析平台，由分析平台根据压强传感器数据分析水下机器人在不同模态下周围水环境压强信息的变化，从而判断当前运动模态。本发明具有抗干扰、稳定性好、灵敏度高、可拓展、可实时记录等优点。

Description

一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统
技术领域
本发明涉及水下机器人应用技术领域，特别涉及一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统。
背景技术
基于人工侧线系统，对于某一特定的仿生机器人个体，其可以感知到其邻近仿生机器人的摆动状态，具体包括摆动频率、偏置、幅度；同时，该仿生机器人个体还可以感知到自身相对于其邻近仿生机器人的前后距离、左右距离、深度距离、相对偏航角、相对俯仰角、相对翻滚角等相对位置和姿态信息。
侧线系统是鱼类和水生两栖类动物特有的感觉器官。在水下环境中,由于光线问题水生物视觉功能或多或少丧失作用，此时水生物的侧线系统作为主要感知器官为水生物提供水环境信息。
但是，现有的人工侧线系统尚需要解决压强传感器数据获取的技术问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统，包括：所述基于压强传感器阵列的人工侧线系统安装于水下机器人上，包括：多个压强传感器数据采集系统和数据存储系统，其中，
所述数据存储系统与每个所述压强传感器数据采集系统相连，用于向一个或多个所述压强传感器数据采集系统发送数据读取指令；
每个所述压强传感器数据采集系统分别连接多路压强传感器，用于通过IIC通信方式轮流向每个路所述压强传感器发送数据采集命令，并轮询获取每路所述压强传感器采集的压强传感器数据，并将所述压强传感器数据发送至所述数据存储系统进行保存；
所述数据存储系统将接收到的压强传感器数据发送至分析平台，由所述分析平台根据所述压强传感器数据分析所述水下机器人在不同模态下周围水环境压强信息的变化，从而判断当前运动模态。
进一步，所述数据存储系统采用树莓派RaspberryPi数据存储系统，每个所述压强传感器数据采集系统采用单片机，所述数据存储系统与每个所述压强传感器数据采集系统通过串口连接。
进一步，每个所述压强传感器数据采集系统接9路压强传感器。
进一步，所述压强传感器数据采集系统预留由CAN通信接口，以实现多个压强传感器数据采集系统的串联，形成可拓展的压强传感器网络，以形成压强传感器阵列。
进一步，所述压强传感器数据采集系统通过串口上位机向所述分析平台实时打印所述压强传感器数据。
进一步，所述数据存储系统以txt文本格式存储所述压强传感器数据。
进一步，所述单片机采取位带方式实现IO的位操作，分时轮流读取各压强传感器的数据线电平，以获得各个压力传感器的数据。
根据本发明实施例的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，为解决水下机器人的视觉感知丧失的问题提供了一种方案。通过在水下机器人上安装压强传感器阵列的人工侧线系统，机器人可以感知在不同模态下周围水环境压强信息的变化,从而判断当前运动模态。本发明使用数字压强传感器，具有抗干扰、稳定性好、灵敏度高、可拓展、可实时记录等优点，特别适合水下机器人的侧线研究。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于压强传感器阵列的人工侧线系统的系统框架图；
图2为根据本发明实施例的压强传感器数据采集系统的示意图；
图3为根据本发明实施例的基于压强传感器阵列的人工侧线系统的工作流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统，该系统尽可能多地采集仿生机器人相对水流运动时，采集并存储周围水域压强变化的数据，具有抗干扰性、可拓展性、通信速率快、通信可靠性高、体积小等优点。
如图1所示，本发明实施例的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，安装于水下机器人上，包括：多个压强传感器数据采集系统(1～n)和数据存储系统。
具体地，数据存储系统与每个压强传感器数据采集系统相连，用于向一个或多个压强传感器数据采集系统发送数据读取指令。
在本发明的一个实施例中，数据存储系统采用树莓派RaspberryPi数据存储系统，每个压强传感器数据采集系统采用单片机，数据存储系统与每个压强传感器数据采集系统通过串口连接。
每个压强传感器数据采集系统分别连接多路压强传感器，用于通过IIC通信方式轮流向每个路压强传感器发送数据采集命令，并轮询获取每路压强传感器采集的压强传感器数据，并将压强传感器数据发送至数据存储系统进行保存。
具体地，单片机采取位带方式实现IO的位操作，分时轮流读取各压强传感器的数据线电平，以获得各个压力传感器的数据。
如图2所示，压强传感器数据采集系统使用STM32F405RGT6型号单片机,模拟IIC通信协议，从而读取压强传感器数据。
在本发明的一个实施例中，每个压强传感器数据采集系统可以接9路压强传感器(如图2所示，型号为MS5803的压强传感器)。需要说明的是，上述压强传感器的数量仅是出于示例的目的，而不是为了限制本发明，压强传感器的数量可以根据用户设置进行添加。
压强传感器数据采集系统模拟IIC通信协议，从而读取压强传感器数据。在硬件设计上，9路压强传感器共用时钟线(SCL)，分用数据线(SDA)，时钟线(SCL)接4.7K上拉电阻，数据线(SDA)接1K上拉电阻。软件设计上，单片机采取位带方式实现IO的位操作，分时轮流读取各压强传感器的数据线电平，获得各压力传感器的数据。
此外，在硬件上，压强传感器数据采集系统预留由CAN通信接口，以实现多个压强传感器数据采集系统的串联，形成可拓展的压强传感器网络，以形成压强传感器阵列。
综上，压强传感器数据采集系统以STM32F405单片机为核心，连接9个压强传感器。9路压强传感器共用时钟线(SCL)，分用数据线(SDA)。时钟线(SCL)接1K上拉电阻(单片机IO驱动能力有限，需通过低阻值电阻上拉产生较大电流，因此这里的SCL线上拉电阻采用1K阻值)，数据线(SDA)接4.7K上拉电阻，最后与单片机STM32F405连接。同时，单片机预留CAN线接口，以备增添压强传感器的数量。
数据存储系统将接收到的压强传感器数据发送至分析平台，由分析平台根据压强传感器数据分析水下机器人在不同模态下周围水环境压强信息的变化，从而判断当前运动模态。
在本发明的一个实施例中，数据存储系统以txt文本格式实时存储压强传感器数据，最终数据写入SD卡。
分析平台通过WIFI网络与RaspberryPi连接，通过上位机可直接控制RaspberryPi是否开始存储数据。RaspberryPi与单片机通过串口连接，从而发送或接收数据。压强传感器数据采集系统可随意增添，以增加压强传感器数量，形成压强传感器阵列。其中，分析平台可以为PC机。
此外，压强传感器数据采集系统预留串口通信接口，可直接通过串口上位机向PC终端实时打印各压强传感器数据。
下面参考图3，对本发明的基于压强传感器阵列的人工侧线系统进行说明。
首先由RaspberryPi数据存储系统发送数据读取命令给压强床安琪数据采集系统的单片机STM32F405，单片机以模拟IIC的通信方式，轮流向9组压强传感器发送数据采集命令，其次单片机轮询得到各压强传感器数据，最后将所有数据回传RaspberryPi数据存储系统，并保存到SD卡中。
根据本发明实施例的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，为解决水下机器人的视觉感知丧失的问题提供了一种方案。通过在水下机器人上安装压强传感器阵列的人工侧线系统，机器人可以感知在不同模态下周围水环境压强信息的变化,从而判断当前运动模态。本发明使用数字压强传感器，具有抗干扰、稳定性好、灵敏度高、可拓展、可实时记录等优点，特别适合水下机器人的侧线研究。
本发明实施例的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，具有以下有益效果：
(1)各压强传感器相互独立，互不影响。
(2)系统具有可拓展性，可随意添加压强传感器。
(3)系统可实时向终端打印各压强传感器数据。
(4)系统可实时存储各压强传感器数据。
(5)系统采样速率40Hz-140Hz。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (7)

1.一种基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，所述基于压强传感器阵列的人工侧线系统安装于水下机器人上，包括：多个压强传感器数据采集系统和数据存储系统，其中，
所述数据存储系统与每个所述压强传感器数据采集系统相连，用于向一个或多个所述压强传感器数据采集系统发送数据读取指令；
每个所述压强传感器数据采集系统分别连接多路压强传感器，用于通过IIC通信方式轮流向每个路所述压强传感器发送数据采集命令，并轮询获取每路所述压强传感器采集的压强传感器数据，并将所述压强传感器数据发送至所述数据存储系统进行保存；
所述数据存储系统将接收到的压强传感器数据发送至分析平台，由所述分析平台根据所述压强传感器数据分析所述水下机器人在不同模态下周围水环境压强信息的变化，从而判断当前运动模态。
2.如权利要求1所述的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，所述数据存储系统采用树莓派RaspberryPi数据存储系统，每个所述压强传感器数据采集系统采用单片机，所述数据存储系统与每个所述压强传感器数据采集系统通过串口连接。
3.如权利要求1所述的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，每个所述压强传感器数据采集系统接9路压强传感器。
4.如权利要求1或3所述的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，所述压强传感器数据采集系统预留由CAN通信接口，以实现多个压强传感器数据采集系统的串联，形成可拓展的压强传感器网络，以形成压强传感器阵列。
5.如权利要求1所述的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，所述压强传感器数据采集系统通过串口上位机向所述分析平台实时打印所述压强传感器数据。
6.如权利要求1所述的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，所述数据存储系统以txt文本格式存储所述压强传感器数据。
7.如权利要求2所述的基于压强传感器阵列的人工侧线系统，其特征在于，所述单片机采取位带方式实现IO的位操作，分时轮流读取各压强传感器的数据线电平，以获得各个压力传感器的数据。
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