CN109901444A - 水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置及方法，装置包括主控电路板和与其分别连接的检测单元、通讯单元、供电单元。检测单元包括温度传感器、霍尔元件、烟雾报警器、工业相机。方法为主控电路板控制检测单元实时监测水下机器人的温度和电流信号、烟雾信号、合成舱内图像并通过通讯单元上传给舱外监测设备。本发明体积小巧，独立供电，吸附式固定，布置灵活。采用无线方式传输数据，可节约水下机器人舱内走线空间。预留扩展接口，可搭载其它传感器以扩展相应的功能。支持休眠模式，功耗低，可长时间值守于水下机器人密封舱内。

Description

水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人舱内设备检测领域，具体地说是水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置及方法。

背景技术

水下机器人需要以电池组进行供电、对电池组进行充电、以及搭载各种功率设备。一般情况下水下机器人电池组的电池管理单元负责电池组的管理，包括电池组的充电管理和放电管理，但只限于对电池组本身的温度、电压等进行检测，无法监测舱内温度、烟雾情况以及各功率设备的线缆内电流，更无法观察到舱内图像。本发明旨在能够进行上述监测，可将所采集到的数据经上位机与以太网通信接口实时传输至舱外监控设备，并且具备过热、着火等故障的报警功能与关断相应设备开关等控制反馈功能。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，包括：主控电路板和与其分别连接的检测单元、通讯单元、供电单元；

所述检测单元，设置在水下机器人舱内，连接主控电路板；所述主控电路板控制检测单元实时监测水下机器人的温度和电流信号、烟雾信号、舱内图像并通过通讯单元上传给舱外监测设备；供电单元给主控电路板、检测单元和通讯单元提供电源。

所述检测单元包括：

温度传感器，为红外测温探头，设置在水下机器人舱内、水下机器人主控计算机、电台，实时监测水下机器人舱内温度以及水下机器人主控计算机、电台的工作温度。

霍尔元件，设置在水下机器人的电池组总缆和推进电机电缆处，用于监测充、放电电流和电机工作电流。

烟雾报警器，设置在水下机器人舱内，实时监测舱内烟雾信号。

工业相机，设置在水下机器人舱内，配合照明灯用于拍摄舱内图像。

所述主控电路板包括：

差分放大电路，对接收模拟量温度和电流信号进行放大处理；

光电耦合电路，将烟雾报警器输出的烟雾信号进行隔离；

数字信号处理器，接收烟雾信号和舱内图像，对接收的温度和电流信号进行模数转换和卡尔曼滤波处理；根据舱内图像的平均亮度是否超过阈值输出表征发生明火的烟雾报警信号，并将温度和电流数据、时间信息合成到舱内图像中；将烟雾报警信号、舱内合成图像、数字量温度和电流信号输出给通讯单元；

电源自检电路，连接供电单元和数字信号处理器，用于通过内部集成运放配合数字信号处理器的一路AD转换通道进行电量自检。

所述主控电路板设置外接SD存储卡接口，用于将采集的数据备份在SD存储卡中。

所述通讯单元为蓝牙无线模块。

所述该监视装置通过磁铁进行吸附固定在表面形状不规则的水下机器人舱内壁上，并采用接地金属屏蔽隔板屏蔽磁铁对电路的干扰。

水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视方法，包括以下步骤：

步骤1：主控电路板控制温度传感器采集温度信号、控制霍尔元件采集电流信号、控制烟雾报警器采集舱内烟雾信号、控制工业相机拍摄舱内图像；

步骤2：主控电路板的对接收的烟雾信号经过光电耦合电路进行隔离、对接收的温度和电流信号进行放大处理和卡尔曼滤波处理，根据舱内图像的平均亮度是否超过阈值输出表征发生明火的烟雾报警信号，并将温度和电流数据、时间信息合成到舱内图像中；

步骤3：将烟雾报警信号、舱内合成图像、温度和电流信号通过通讯单元上传给舱外监测设备。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.体积小巧，独立供电，吸附式固定，布置灵活。

2.采用无线方式传输数据，可节约水下机器人舱内走线空间。

3.预留扩展接口，可搭载其它传感器以扩展相应的功能。

4.支持休眠模式，功耗低，可长时间值守于水下机器人密封舱内。

附图说明

图1为本发明的监视装置结构框图；

图2为本发明的主控电路结框构图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，包括：主控电路板和与其分别连接的检测单元、通讯单元、供电单元。

检测单元设置在水下机器人舱内，连接主控电路板。检测单元包括：温度传感器、霍尔元件、烟雾报警器、工业相机。

以红外测温探头检测温度，从而能够进行非接触式温度检测，并且能够检测整条光径上的温度与狭小空间内某点的温度。设置在水下机器人舱内、水下机器人主控计算机、电台，实时监测水下机器人舱内温度以及水下机器人主控计算机、电台的工作温度。

以霍尔元件感应式检测线缆电流，从而达到非接触检测而不必破坏原有电器的结构的效果。设置在水下机器人的电池组总缆和推进电机电缆处，用于监测充、放电电流和电机工作电流。

以烟雾检测器检测环境烟雾，设置在水下机器人舱内，实时监测舱内烟雾信号。

以工业相机配合照明灯检测明火火焰，设置在水下机器人舱内，配合照明灯用于拍摄舱内图像，从而能够进行火灾预警。可设置工业相机拍照时间间隔，可将所检测到的温度、电流、烟雾信号、以及数据检测时刻的时间日期等数据合成于图像中并于舱外监测设备进行显示与存储。

主控电路板控制检测单元实时监测水下机器人的温度和电流信号、烟雾信号、舱内图像并通过通讯单元上传给舱外监测设备。主控电路板包括：差分放大电路、光电耦合电路、数字信号处理器、电源自检电路。

差分放大电路，采用差分放大电路对传感器输出的模拟温度和电流信号信号进行了放大，提高了信号的可分辨性、并解决了零点漂移问题、使测量更加精确。差分放大电路型号为ad8220集成运放。

光电耦合电路，将烟雾报警器输出的烟雾信号进行隔离。光电耦合电路为6N136集成光耦。

以数字信号处理机作为核心处理器，使系统的成本低廉、性能稳定。并能够进行简单的数据处理与状态判断，包括通过卡尔曼滤波进行数据噪声抑制，以及对温度、电流是否正在上升或下降、是否上升或下降过快、是否处于正常区间内等状态进行判断，并能够根据设置进行相应的应急处理。主要功能为接收烟雾信号和舱内图像，对接收的温度和电流信号进行模数转换和卡尔曼滤波处理，采用10位量化级模数转换器，分辨率可达1/1024。针对水下机器人舱体内常态下密封无光照的环境，可设置亮度阈值，当装置所搭载的工业相机所拍摄的载体内部图像平均亮度超过该阈值时，视为亮度异常(可能存在明火火焰)并通知上位机进行报警等相应的处理措施，从而避免以复杂的图像识别算法来进行火焰识别，简化了数字图像处理机的片内程序、提高了装置的稳定性。将数字量温度和电流数据、时间信息合成到舱内图像中；将烟雾报警信号、舱内合成图像、温度和电流信号输出给通讯单元。数字信号处理机采用TMS320F2812DSP。

电源自检电路，连接供电单元和数字信号处理器，采用数字信号处理机的一路AD转换通道配合集成运放进行电量自检，在电量不足时通过无线数传模块通知上位机。

所述主控电路板还搭载了SD卡，可设置将所监测到的数据备份存储于SD卡中，避免与上位机通信受阻时数据丢失。

所述通讯单元为无线模块，采用蓝牙模块。通过无线数传模块将检测到的数据上传至上位机，并可接收上位机指令并根据指令进行控制反馈(报警、接通或关断开关等)。

供电单元给主控电路板、检测单元和通讯单元提供电源。通过电池进行独立供电、并能够进行电量自检测，在电量不足时进行报警。

本监视装置通过磁铁进行吸附固定，并采用接地(与水下机器人舱体的金属内壁相接触)金属屏蔽隔板屏蔽了磁铁对电路的干扰，从而使装置能够布设于表面形状不规则的水下机器人内壁上，能够最大化增加该检测器布置位置的范围，充分对水下机器人舱内状态进行监测，节约水下机器人舱内走线空间。

装置可布设于载体电池组充电总缆处以监测充电电流、放电总缆处以监测放电电流、各个推进电机电缆处以监测电机工作电流，从而可辅助判断电机是否有连接故障(开路、短路)或者电机本身故障(电流值偏离正常区间)等、可布设于水下机器人主控计算机或者电台等设备并对其工作温度进行监测并将监测到的数据上传至计算机，再由计算机采取相应的措施来避免设备过热损坏。

本监视装置采用模块化设计、所搭载的传感器与主控电路板之间采用接插式连接，从而实现了各个传感器功能的可选性，预留了串行通信接口、输入开关量接口、输出开关量接口、AD转换通道、外部供电接口等扩展接口，便于扩展相应的功能。主控电路的结构如图2所示。

支持休眠模式，在该模式下，装置仅保留数字信号处理机的主线程与无线模块的接收功能处于工作状态，从而将系统功耗降至最低，将装置在水下机器人密封舱内的值守时间最大化地延长。

水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视方法，包括以下步骤：

步骤1：主控电路板控制温度传感器采集温度信号、控制霍尔元件采集电流信号、控制烟雾报警器采集舱内烟雾信号、控制工业相机拍摄舱内图像；

步骤2：主控电路板的对接收的烟雾信号经过光电耦合电路进行隔离、对接收的温度和电流信号进行放大处理和卡尔曼滤波处理，根据舱内图像的平均亮度是否超过阈值输出表征发生明火的烟雾报警信号，并将温度和电流数据、时间信息合成到舱内图像中；

步骤3：将烟雾报警信号、舱内合成图像、温度和电流信号通过通讯单元上传给舱外监测设备。

Claims (7)

1.水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，其特征在于，包括：主控电路板和与其分别连接的检测单元、通讯单元、供电单元；

所述检测单元，设置在水下机器人舱内，连接主控电路板；所述主控电路板控制检测单元实时监测水下机器人的温度和电流信号、烟雾信号、舱内图像并通过通讯单元上传给舱外监测设备；供电单元给主控电路板、检测单元和通讯单元提供电源。

2.根据权利要求1所述的水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，其特征在于：所述检测单元包括：

温度传感器，为红外测温探头，设置在水下机器人舱内、水下机器人主控计算机、电台，实时监测水下机器人舱内温度以及水下机器人主控计算机、电台的工作温度；

霍尔元件，设置在水下机器人的电池组总缆和推进电机电缆处，用于监测充、放电电流和电机工作电流；

烟雾报警器，设置在水下机器人舱内，实时监测舱内烟雾信号；

工业相机，设置在水下机器人舱内，配合照明灯用于拍摄舱内图像。

3.根据权利要求1所述的水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，其特征在于：所述主控电路板包括：

差分放大电路，对接收模拟量温度和电流信号进行放大处理；

光电耦合电路，将烟雾报警器输出的烟雾信号进行隔离；

数字信号处理器，接收烟雾信号和舱内图像，对接收的温度和电流信号进行模数转换和卡尔曼滤波处理；根据舱内图像的平均亮度是否超过阈值输出表征发生明火的烟雾报警信号，并将温度和电流数据、时间信息合成到舱内图像中；将烟雾报警信号、舱内合成图像、数字量温度和电流信号输出给通讯单元；

电源自检电路，连接供电单元和数字信号处理器，用于通过内部集成运放配合数字信号处理器的一路AD转换通道进行电量自检。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，其特征在于：所述主控电路板设置外接SD存储卡接口，用于将采集的数据备份在SD存储卡中。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，其特征在于：所述通讯单元为蓝牙无线模块。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视装置，其特征在于：所述该监视装置通过磁铁进行吸附固定在表面形状不规则的水下机器人舱内壁上，并采用接地金属屏蔽隔板屏蔽磁铁对电路的干扰。

7.水下机器人舱内温度、电流、烟雾及图像监视方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：主控电路板控制温度传感器采集温度信号、控制霍尔元件采集电流信号、控制烟雾报警器采集舱内烟雾信号、控制工业相机拍摄舱内图像；

步骤2：主控电路板的对接收的烟雾信号经过光电耦合电路进行隔离、对接收的温度和电流信号进行放大处理和卡尔曼滤波处理，根据舱内图像的平均亮度是否超过阈值输出表征发生明火的烟雾报警信号，并将温度和电流数据、时间信息合成到舱内图像中；

步骤3：将烟雾报警信号、舱内合成图像、温度和电流信号通过通讯单元上传给舱外监测设备。