CN110576950B - 一种具有异物碰撞检测装置的水上设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有异物碰撞检测装置的水上设备，其充气防撞圈内设置多个压力传感器组，每组压力传感器组至少包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器用于检测所述充气防撞单元内的气压，所述控制单元根据所述第一压力检测信号判断碰撞发生的时间；所述第二压力传感器，用于检测发生碰撞形变时通过空气传播的外部形变力，所述控制单元根据所述第二压力检测信号分析碰撞发生的位置。本发明的具有异物碰撞检测装置的水上设备能够准确地判断碰撞发生的时间和位置，提高了检测的精度，并降低了能耗。

Description

一种具有异物碰撞检测装置的水上设备

技术领域

本发明涉及到水上救援技术领域，特别涉及一种具有异物碰撞检测装置的水上设备。

背景技术

目前在水上救援技术领域，通常会面对面积巨大的搜救区域，可能会遇见无法预见的恶劣环境和险情，在这种情况下，无人水上救援机器人可以替代人类实施搜救的工作，增加搜救的效率以及救援成功的可能性。现有技术中已经出现一些水上救援机器人，例如中国专利CN106240766A公开了一种水上救援机器人，装备有螺旋桨和摄像机，能够快速达到落水者前进行施救。

如果水上救援设备没有碰撞检测装置，则在巡航或者按指定航线前进时可能会碰撞到异物，例如海上的礁石、质量和体积较大的海洋垃圾等，与异物碰撞后可能会改变水上救援设备的航行方向而偏离航道，或者会被困在异物区域中不能继续航行，甚至直接造成水上救援设备的损坏，影响巡航或在进行搜救时的效率，所以异物碰撞检测单元是必须的。

一般的碰撞检测传感器都会安装在无人设备的外围(例如在室内或陆地行走的机器人)，当与异物发生碰撞时，碰撞检测传感器会产生碰撞信号(如脉冲信号)来传递障碍物碰撞的信息。但是对于水上救援设备来说，一般都是长期在水中工作，并且海水的腐蚀性较强，如果这些碰撞检测传感器安装在设备的外围，则会面临需要长期浸泡海水的处境，造成传感器生锈、腐蚀或损坏，因此难以以陆地无人设备的碰撞检测装置。中国专利CN106149655A公开了一种水上清扫机器人，其具有一个连杆机构用于检测是否碰到障碍物，但是这种检测方式依赖于机械结构的可靠性，在海上高湿度、高盐度的环境中，一般的机械机构均容易生锈失灵。

发明内容

本发明提出一种水上设备，具体可为一种水上救援机器人，包括：控制单元，所述控制单元用于对整个水上救援机器人进行控制；供电单元，所述供电单元用于向救援机器人其他单元提供电能；动力单元，所述驱动电机从所述供电单元获取电能，驱动螺旋桨前进；助浮单元，所述助浮单元用于提高所述水上救援机器人的浮力，以可以承接更重的物资或被救人员；载重单元，所述载重单元用于存放或固定物资；定位单元，所述定位单元用于确定当前的坐标位置，并将该坐标位置发送给控制单元或通信单元；通信单元，所述通信单元与所述控制单元连接，将接收到的信号或数据传输给控制单元，并可以对外发送信号或数据。

本发明提出的水上救援机器人还具有充气防撞单元，所述充气防撞单元布置在所述水上救援机器人的外侧面，用于提高所述水上救援机器人的浮力，并且以可以缓冲碰撞产生的冲击力。

所述水上救援机器人还具有碰撞检测单元，所述碰撞检测单元包括至少两个防撞传感器组，所述传感器组分布在充气防撞单元内的不同方向。每个所述传感器组包括至少一个第一压力传感器和至少第二压力传感器。

所述第一压力传感器用于检测所述充气防撞单元内的气压，并将生成第一压力检测信号发送给控制单元。所述控制单元根据所述第一压力检测信号判断碰撞发生的时间。所述控制单元还根据所述第一压力检测信号监视所述充气防撞单元的气压，判断所述充气防撞单元是否发生漏气。具体地，所述控制单元还通过将所述第一压力检测信号所得到的第一压力值生成第一压力-时间曲线，所述第一压力-时间曲线用于分析碰撞发生的时间或所述充气防撞单元是否发生漏气。

所述第二压力传感器，用于检测发生碰撞形变时通过空气传播的外部形变力，并将生成第二压力检测信号发送给控制单元，所述控制单元根据所述第二压力检测信号分析碰撞发生的位置。具体地，所述控制单元根据所述第二压力传感器生成的第二压力检测信号，得到第二压力值，并生成第二压力-时间曲线，用于分析碰撞发生的位置。

所述控制单元将采集到的每个第一压力传感器和第二压力传感器所采集到的压力检测信号所得到的压力值进行归一化处理，其归一化公式为：

其中x_max、x_min分别为数据的最大值和最小值，y为归一化后的压力值，x是检测得到的压力值。

所述控制单元将所述第二压力值进行归一化预处理后，再使用高斯拟合的方法绘制第二压力-时间曲线，其公式为：

在上述公式中，Ai代表使用高斯拟合得出曲线的峰高(即最大压力值)，Bi代表峰高的位置(即到达最大压力值的时间)，Ci代表拟合曲线的半宽度，x为时间变量。

进一步地，当控制单元根据第一压力-时间曲线判断碰撞产生后，所控制单元并且启动对第二压力传感器检测数据的采集或启动第二压力传感器。

进一步地，控制单元可根据每个所述压力传感器组的第二压力传感器所检测到的压力值到达各自的峰值点的时间确定最靠近碰撞点的第二压力传感器。更进一步地，控制单元可以根据各个压力传感器组的第二压力传感器所检测到的压力值到达各自的峰值点的时间确定最靠近碰撞点的两个第二压力传感器。

所述最靠近碰撞点的两个第二压力传感器分别为第二压力传感器A和第二压力传感器B，所述第二压力传感器A达到峰值的时间为t1，第二压力传感器B达到峰值的时间为t2，碰撞点的法线方向与水平线的角度为θ，所述θ的角度值即为碰撞方向，以θ为其中一个锐角作直角三角形，θ对应的直角边长为L2，另一个直角边长为L1，θ的近似值计算公式为：

根据上述计算式，就可以通过第二压力传感器A达到峰值的时间t1和第二压力传感器B达到峰值的时间t2近似计算出θ，从而能够根据第二压力传感器A和第二压力传感器B的位置以及所述θ值计算出碰撞点的位置。

优选地，所述压力传感器组的数量为4、6、8、16或32。所述压力传感器组均匀或不均匀分布在所述充气防撞单元内。

本发明的水上救援机器人的充气防撞圈内设置多个压力传感器组，每组压力传感器组至少包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器用于检测所述充气防撞单元内的气压，所述控制单元根据所述第一压力检测信号判断碰撞发生的时间；所述第二压力传感器，用于检测发生碰撞形变时通过空气传播的外部形变力，所述控制单元根据所述第二压力检测信号分析碰撞发生的位置。本发明的水上救援机器人能够准确地判断碰撞发生的时间和位置，提高了检测的精度，并降低了能耗。

附图说明

图1是本发明的防撞圈及第一压力传感器、第二压力传感器的示意图；

图2是本发明的第二压力传感器类型示意图；

图3是碰撞示意图；

图4是第二压力传感器A的第二压力-时间曲线图；

图5是第二压力传感器B的第二压力-时间曲线图；

图6是第一压力-时间曲线图；

图7是碰撞点计算示意图；

其中，水上救援机器人1，防撞圈2，防撞传感器组3，第一压力传感器4，第二压力传感器5，薄片6，第二压力传感器A为5-1，第二压力传感器A为5-2。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图对本发明进行进一步解释。

在一个实施例中，本发明的水上救援机器人包括控制单元，所述控制单元具有控制电路和存储器，在优选的实施例中，所述控制电路包括具有数据处理和计算能力的处理芯片或处理器，例如AP、MCU以及其他具有可编程功能的控制芯片，所述存储器用于对数据或指令进行存储。控制单元用于对整个水上救援机器人进行控制，接收其他单元发送的状态数据或检测数据，并对该数据进行存储或处理，并控制动力单元的动作以及通信单元的数据传输。

所述水上救援机器人还包括供电单元，所述供电单元用于向救援机器人其他单元提供电能。本发明的供电单元包括蓄电池，所述蓄电池为可充电式蓄电池，优选地，本发明的供电单元还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板铺设在所述救援机器人的水上部分，也可采用专门的太阳能电池板支架，所述太阳能电池板用于收集光能，产生的电流输送到所述蓄电池进行保存，以延长电池的续航时间。

所述水上救援机器人还包括动力单元，所述动力单元包括驱动电机、螺旋桨，所述驱动电机从所述供电单元获取电能，驱动所述螺旋桨前进。所述驱动单元与控制单元连接，所述控制单元发送控制指令控制驱动电机的转速和启停。进一步地，所述驱动单元可以包括多个驱动电机和多个螺旋桨，所述控制单元发送控制指令分别控制所述多个驱动电机的转速和启停。

所述水上救援机器人还包括充气防撞单元，所述充气防撞单元布置在所述水上救援机器人的外侧面，用于提高所述水上救援机器人的浮力，并且以可以缓冲碰撞产生的冲击力。特别地，所述充气防撞单元可以为环形的充气防撞圈或者圆形的充气防撞球。

所述水上救援机器人还包括定位单元。所述定位单元用于确定当前的坐标位置，并将该坐标位置发送给控制单元或通信单元。具体地，所述定位单元可依赖GPS系统或北斗系统。

所述水上救援机器人还包括无线通信单元，所述无线通信单元与所述控制单元连接，将接收到的信号或数据传输给控制单元，同时对外发送信号或数据。所述无线通信单元可采用电磁波通信、激光通信或蓝牙通信与控制中心进行通信和数据交换。进一步地，所述无线通信单元包括天线，所述救援机器人采用无线电遥控进行操纵，用户通过无线遥控器向所述救援机器人发出无线电指令，所述救援机器人的天线接收所述无线电指令传输给控制单元，所述控制单元执行所述无线电指令。所述通信单元与控制单元连接，所述控制单元向所述通信单元发送控制指令以控制所述通信单元。

所述水上救援机器人还具有碰撞检测单元，所述碰撞检测单元包括至少两个防撞传感器组，所述传感器组包括至少一个第一压力传感器和至少第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器是不同类型的压力传感器，所述第一压力传感器为气压传感器，具体地，传感器型号可选用BMP180、MS5611、BMP085等。如图1所示，所述水上救援机器人具有方形的环状充气防撞圈，具有12个防撞传感器组，每个防撞传感器组包括一个所述第一压力传感器和一个第二压力传感器，所述防撞传感器组安装在防撞圈的内侧，以避免与海水直接接触。所述传感器组均匀分布在防撞圈内的各个方向，如图1所示，12个防撞传感器组均匀分布在防撞圈的四周。对于不同形状的水上救援设备，其防撞圈也可以为其他形状，例如圆形、正多边形或不规则形，所以其传感器组可采用均匀分布的安装方式，也可以根据需要采用不均匀分布的安装方式，例如在碰撞最容易产生的前方设置较多的碰撞传感器组。对于碰撞传感器组的数量则可以根据需求的精度进行选择，所述碰撞传感器组的数量越多，碰撞检测的精度越高。在优选的实施例中，所述碰撞传感器组在均匀安装四周，以便可以检测各个方向的碰撞。

所述第一压力传感器用于检测所述充气防撞圈内的气压，并将生成第一压力检测信号发送给控制单元，所述控制单元根据所述第一压力检测信号监视所述充气防撞圈的气压情况，当气压过低时说明内部空气不足或存在其他异常情况，例如气压持续快速下降则可能存在漏气的情况，这种情况下需要进行充气或维修；同时，所述控制单元根据所述第一压力检测信号判断碰撞发生的时间。所述压力检测信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，如果是所述第一压力传感器产生的是模拟信号，所述控制单元的控制电路先以一定时间间隔对所述第一压力检测信号进行采集，并进行相应数据转换或处理，得到相应的第一压力值，如果所述第一压力传感器直接输出数字信号，控制单元直接将所述第一压力检测信号进行转换处理得到相应的第一压力值。

所述控制单元还通过将所述第一压力检测信号所得到的第一压力值生成第一压力-时间曲线，所述第一压力-时间曲线用于分析碰撞发生的时间，具体分析方法后文详细说明。

对于第二压力传感器，用于检测发生碰撞形变时通过空气传播的外部形变力，并将生成第二压力检测信号发送给控制单元，所述控制单元根据所述第二压力检测信号分析碰撞发生的位置。所述第二压力传感器优选采用薄片式的压力传感器，其模型图如图2所示。该类型压力传感器的特点是外力使其薄片6产生微形变时，所述薄片上的压敏元件(未示出)能够输出与该作用力的大小相应的压力检测信号，并且灵敏度较高。因此这种压力传感器适合用于检测空气被挤压瞬间产生的作用力。所述控制单元根据所述第二压力传感器生成的第二压力检测信号，得到第二压力值，并生成第二压力-时间曲线，用于分析碰撞发生的位置。

当防撞圈与异物产生碰撞时，充气防撞圈内的气体压力会增大，因此第一压力传感器的数值变化可以作为第二压力传感器开始采集压力数据的信号。同时，需要分别将采集到的每个第一压力传感器和第二压力传感器所采集到的压力检测信号所得到的压力值进行归一化处理，其归一化公式为：

其中x_max、x_min分别为数据的最大值和最小值，y为归一化后的压力值，x是检测得到的压力值，通过这个方法能够将数据范围在[0-1]的区间内，以便于绘制第一压力-时间曲线和第二压力-时间曲线。

如图3所示，以水上救援设备具有圆形的充气防撞圈为例，其具有8个压力传感器组，所述8个压力传感器组沿圆周方向均匀分布，图中箭头7所指部位为发生碰撞时的位置。

发生碰撞后，控制单元将采集的压力传感器组所发送的离散压力检测数据进行归一化预处理，并且使用高斯拟合的方法绘制第二压力-时间曲线，其公式为：

在上述公式中，Ai代表使用高斯拟合得出曲线的峰高(即最大压力值)，Bi代表峰高的位置(即到达最大压力值的时间)，Ci代表拟合曲线的半宽度，x为时间变量。

而第一压力-时间曲线不需要进行高斯拟合，因为其主要作用是判断碰撞发生的时刻，当控制单元根据第一压力-时间曲线判断碰撞产生后，所控制单元并且启动对第二压力传感器检测数据的采集或启动第二压力传感器。如图4所示，分别为最靠近碰撞点的两个压力传感器组的第二压力传感器的所检测到的压力值绘制的第二压力-时间曲线，图5是离碰撞点最近的一个压力传感器组的第一压力传感器所检测到压力值绘制的第一压力-时间曲线。

在上述图5可见，第一压力-时间曲线中，可以分为三个时间段，分别是发生碰撞、碰撞完成和碰撞分离。在第一个阶段即发生碰撞时，充气防撞圈与异物发生碰撞导致防撞圈内的气压开始升高，此时控制单元从第一压力传感器所采集的压力值即可判断为有碰撞发生，并且对采集的第二压力传感器的压力数据进行分析。在第二个阶段即碰撞完成时，两者之间的相对运动逐渐接近于零，异物碰撞对防撞圈造成的变形达到最大，充气防撞圈的气压维持在一个较高的水平。在第三个阶段即碰撞分离时，异物和充气防撞圈之间开始以相反的方向运动，异物碰撞对防撞圈造成的变形逐渐恢复，充气防撞圈的气压开始逐渐下降。因此，控制单元可以根据第一传感器检测到的压力值判断碰撞产生的时间。具体地，控制单元可采用差值比较法来确定充气防撞圈内的气压是否增高，例如将第一压力值与前一时刻的第一压力值进行比较，或者将第一压力值的增量与预设的阈值进行比较，从而判断碰撞是否产生。

除此以外，第一压力传感器还起到筛选第二压力传感器的作用，因为在碰撞完成阶段充气防撞圈内的气压最高，而充气防撞圈内的压力传导需要时间，因此，控制单元判断碰撞完成后，越靠近碰撞位置的第二压力传感器的输出也应该越早达到峰值，然后根据与碰撞位置距离的远近，其他7个第二压力传感器所检测到的压力值也依次达到各自的峰值点，因此控制单元可根据各个压力传感器组的第二压力传感器所检测到的压力值到达各自的峰值点的时间确定最靠近碰撞点的第二压力传感器。通过第一压力传感器对第二压力传感器数据的筛选，提高了数据的可靠性，如果将第一压力传感器的数值变化可以作为第二压力传感器开始采集压力数据的信号还可以有效地降低压力检测单元的能耗。

在第二压力-时间曲线中，水平虚线代表第二压力传感器在高斯拟合算法下的最大压力值，在这里采用高斯拟合的主要作用是可以较为准确的分析出达到峰值的时间。根据上述判断方法，控制单元可以根据各个压力传感器组的第二压力传感器所检测到的压力值到达各自的峰值点的时间确定最靠近碰撞点的两个第二压力传感器，如图3所示，最靠近碰撞点的两个第二压力传感器分别为第二压力传感器A和第二压力传感器B，该两个第二压力传感器所检测到的压力值绘制的第二压力-时间曲线分别如图4和图5所示。在图4中，第二压力传感器A达到峰值的时间为t1，第二压力传感器B达到峰值的时间为t2。由于压力是在空气中传播，因此其传播速度为340m/s，并且其朝着充气防撞圈内的密闭空气中的各个方向传播的速度相等，因此在传播距离足够小的情况下，使用高斯拟合得出的峰值时间可以近似的认为是碰撞产生的空气压力波向各个方向传递到达压力传感器的时间，如图7所示，到达传感器的时间t1与音速做乘法得到的距离约等于L1，L2的距离同理可根据t2估算出来。并且由图7可见，在压力传感器组数量足够多的情况下，碰撞点的法线方向与水平线的角度为θ，所述θ的角度值即为碰撞方向，以θ为其中一个锐角作直角三角形，θ对应的直角边长为L2，另一个直角边长为L1，θ的近似值计算公式为：

根据上述计算式，就可以通过第二压力传感器A达到峰值的时间t1和第二压力传感器B达到峰值的时间t2近似计算出θ，从而能够根据第二压力传感器A和第二压力传感器B的位置以及所述θ值计算出碰撞点的位置。从上述计算过程可以看出，压力传感器组的数量越多，局部第二压力传感器的数量越密集，其碰撞位置或碰撞方向的计算就越准确。在优选的实施例中，所述压力传感器组为8个，均匀分布的防撞圈的四周，也可以根据实际需要设置更多的压力传感器组。

以上仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到变化或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水上设备，其包括：控制单元，所述控制单元用于对整个水上设备进行控制；充气防撞单元，所述充气防撞单元布置在所述水上设备的外侧面，用于提高所述水上设备的浮力，并且能够缓冲碰撞产生的冲击力，其特征在于，所述水上设备还具有碰撞检测单元，所述碰撞检测单元包括至少两个防撞传感器组，所述传感器组分布在充气防撞单元内部的不同方向，每个所述传感器组包括至少一个第一压力传感器和至少第二压力传感器；所述第二压力传感器，用于检测发生碰撞形变时通过空气传播的外部形变力，并将生成第二压力检测信号发送给控制单元，所述控制单元根据所述第二压力传感器生成的第二压力检测信号，得到第二压力值，并生成第二压力-时间曲线；控制单元根据每个所述压力传感器组的第二压力传感器所检测到的压力值到达各自的峰值点的时间确定最靠近碰撞点的两个第二压力传感器；所述最靠近碰撞点的两个第二压力传感器分别为第二压力传感器A和第二压力传感器B，所述第二压力传感器A达到峰值的时间为t1，第二压力传感器B达到峰值的时间为t2，碰撞点的法线方向与水平线的角度为θ，所述θ的角度值即为碰撞方向，以θ为其中一个锐角作直角三角形，θ对应的直角边长为L2，另一个直角边长为L1，θ的近似值计算公式为：

根据上述计算式，通过第二压力传感器A达到峰值的时间t1和第二压力传感器B达到峰值的时间t2近似计算出θ，根据第二压力传感器A和第二压力传感器B的位置以及所述θ值计算出碰撞点的位置。

2.如权利要求1所述的水上设备，其特征在于，所述第一压力传感器用于检测所述充气防撞单元内的气压，并将生成第一压力检测信号发送给控制单元；所述控制单元根据所述第一压力检测信号判断碰撞发生的时间。

3.如权利要求2所述的水上设备，其特征在于，所述控制单元还根据所述第一压力检测信号监视所述充气防撞单元的气压，判断所述充气防撞单元是否发生漏气。

4.如权利要求2所述的水上设备，其特征在于，所述控制单元还通过将所述第一压力检测信号所得到的第一压力值生成第一压力-时间曲线，所述第一压力-时间曲线用于分析碰撞发生的时间或所述充气防撞单元是否发生漏气。

5.如权利要求1所述的水上设备，其特征在于，所述控制单元将采集到的每个第一压力传感器和第二压力传感器所采集到的压力检测信号所得到的压力值进行归一化处理，其归一化公式为：

其中，x_max、x_min分别为数据的最大值和最小值，y为归一化后的压力值，x是检测得到的压力值。

6.如权利要求5所述的水上设备，其特征在于，所述控制单元将所述第二压力值进行归一化预处理后，再使用高斯拟合的方法绘制第二压力-时间曲线，其公式为：

在上述公式中，Ai代表使用高斯拟合得出曲线的峰高，Bi代表峰高的位置，Ci代表拟合曲线的半宽度，x为时间变量。

7.如权利要求4所述的水上设备，其特征在于，当控制单元根据第一压力-时间曲线判断碰撞产生后，所述控制单元并且启动对第二压力传感器检测数据的采集或启动第二压力传感器。

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