CN111498066A - 一种水下弱磁信号收集机器人及其探测目标物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水下弱磁信号收集机器人，包括：镁合金碳纤维壳体、防水的无刷电机、主板、自旋螺杆、重力舵块、螺旋桨以及环状石墨烯电池；所述主板包括：无刷电机驱动模块、运动姿态控制模块、弱磁传感器模块、弱磁信号收集模块以及无线通信模块。本发明所述的机器人，可以游动到所布防的水域，多个机器人之间可以构成传感阵列并相互通信，协同收集弱磁信号，并根据弱磁信号探测设防水域中的目标物，并且确定目标物的空间位置、移动速度和加速度，并据此预测出目标物的运动轨迹。

Description

一种水下弱磁信号收集机器人及其探测目标物的方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体而言，尤其涉及一种水下弱磁信号收集机器人及其探测目标物的方法。
背景技术
铁磁性物质在水下空间航行时，会影响水下的磁场的空间分布，利用该原理可以有效探测设防水域中入侵的蛙人、舰艇等目标物。然而，江、河、湖、海等深水区域往往会存在湍急的水流，甚至海啸，这些流速巨大的水流会将水下的探测传感器冲离测量水域、损坏传感器，如果采用机械方式固定水下弱磁传感器则需要采取深水作业，会耗费大量的人力。
由此可见，如何开发一种能够自动到达防水域，并且能够经受住水下急流的水下弱磁探测机器人，已成为现有技术中有待解决的问题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种水下弱磁信号收集机器人及其探测目标物的方法。本发明主要利用一种水下弱磁信号收集机器人，包括：镁合金碳纤维壳体、防水的无刷电机、主板、自旋螺杆、重力舵块、螺旋桨以及环状石墨烯电池；所述主板包括：无刷电机驱动模块、运动姿态控制模块、弱磁传感器模块、弱磁信号收集模块以及无线通信模块。
进一步地，所述镁合金碳纤维壳体为流线型的甜甜圈结构，其主要功能是抵消急速流动水流的冲击和保护支撑机器人的其余各种结构，所述防水的无刷电机镶嵌在所述镁合金碳纤维壳体的中心位置，所述防水的无刷电机带动螺旋桨的转动为整个机器人在水中行进提供推力。
更进一步地，所述主板上的所述无刷电机驱动模块连接所述防水的无刷电机，所述防水的无刷电机驱动所述防水的无刷电机的转动方向和转动速度；所述运动姿态控制模块连接并驱动所述自旋螺杆，所述自旋螺杆从所述重力舵块的中心穿过，并且与所述重力舵块上的螺孔相互啮合，驱动所述重力舵块沿所述自旋螺杆的轴向移动，通过对所述收集机器人的重心移动来调整机器人在水下的姿态。
进一步地，所述弱磁传感器模块测量水中的磁场强度信号，并将所述磁场强度信号传递到弱磁信号收集模块中进行处理，所述弱磁信号收集模块将运算结果通过所述无线通信模块传递到上位机处理，并通过环状石墨烯电池提供稳定的电能。
本发明还包含一种水下弱磁信号收集机器人探测目标物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据布防的水域的水文特征和待探测的水域空间的容积，确定所要布置的所述收集机器人的数量n；
步骤S2：将所述收集机器人设置到指定水域的底部，所述n个收集机器人按照间距为a均匀地排列为一字形阵列，以一字阵列的任意一末端为起点，将所述收集机器人顺次标号为1到n；
步骤S3：以1号收集机器人为原点，所述n个收集机器一字阵列的阵列方向为z轴，以向水域延伸的水平面的方向为0度角，建立柱坐标系，则空间中点坐标为(α，z，r)；所述向水域延伸的水平面方向与z轴不互相垂直；
步骤S4：采集n个所述收集机器人上的所述弱磁传感器模块所测的磁场信号；采集的信息包括：纵向磁场强度MXj、横向磁场强度MYj以及垂直磁场强度MZj，其中，j表示传感器的编号，j取值为1到n；
步骤S5：计算每个所述收集机器人收集到的磁场信号，通过波速行程算法，计算出所设防区域的磁场强度的分布的三维矩阵；
步骤S6：将磁场强度的三维矩阵的结果变成可视化图形的表示，显示在上位机的屏幕之上；
步骤S7：间隔δ时间后，再次收集所述n个所述收集机器人的传感器的磁场信号，得出所设防水域的磁场强度的变化微元；所述变化微元包括：纵向磁场强度变化ΔMXj、横向磁场强度变化ΔMYj以及垂直磁场强度变化ΔMZj；
步骤S8：计算出每个所述收集机器人收集到的磁场强度变化的微元信号，通过波速行程算法，计算出所设防区域的磁场强度变化微元分布的三维矩阵；
步骤S9：将所述磁场强度变化微元分布的三维矩阵的结果变成可视化图形的表示，显示在所述上位机上；
步骤S10：重复步骤S4至步骤S9，根据磁场信号图像的变化，探测设防水域中的目标物，并且确定目标物的空间位置、移动速度和加速度，并据此预测出目标物的运动轨迹。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所述的机器人，可以游动到所布防的水域，多个机器人之间可以构成传感阵列并相互通信，协同收集弱磁信号，并根据弱磁信号探测设防水域中的目标物，并且确定目标物的空间位置、移动速度和加速度，并据此预测出目标物的运动轨迹。该方案设计结构简单、移动灵活，可以在多种重要港口、堤坝等关键水域布置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种水下弱磁信号收集机器人的总装示意图。
图2为本发明一种水下弱磁信号收集机器人的主板的系统构成图。
图3为本发明一种水下弱磁信号收集机器人利用重心的变换来调整姿态示意图。
图4为本发明一种水下弱磁信号收集机器人探测目标物的流程图。
图5为本发明一种水下弱磁信号收集机器人所述向水域延伸的水平面方向与z轴关系示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图所示，本发明提供了一种水下弱磁信号收集机器人，包括：镁合金碳纤维壳体、防水的无刷电机、主板、自旋螺杆、重力舵块、螺旋桨以及环状石墨烯电池；所述主板包括：无刷电机驱动模块、运动姿态控制模块、弱磁传感器模块、弱磁信号收集模块以及无线通信模块。
作为本申请一种优选的实施方式，在本申请中所述镁合金碳纤维壳体为流线型的甜甜圈结构，其主要功能是抵消急速流动水流的冲击和保护支撑机器人的其余各种结构，所述防水的无刷电机镶嵌在所述镁合金碳纤维壳体的中心位置，所述防水的无刷电机带动螺旋桨的转动为整个机器人在水中行进提供推力。
作为本申请优选的，在本申请中，所述主板上的所述无刷电机驱动模块连接所述防水的无刷电机，所述防水的无刷电机驱动所述防水的无刷电机的转动方向和转动速度；所述运动姿态控制模块连接并驱动所述自旋螺杆，所述自旋螺杆从所述重力舵块的中心穿过，并且与所述重力舵块上的螺孔相互啮合，驱动所述重力舵块沿所述自旋螺杆的轴向移动，通过对所述收集机器人的重心移动来调整机器人在水下的姿态。
同时，优选地，所述弱磁传感器模块测量水中的磁场强度信号，并将所述磁场强度信号传递到弱磁信号收集模块中进行处理，所述弱磁信号收集模块将运算结果通过所述无线通信模块传递到上位机处理，并通过环状石墨烯电池提供稳定的电能。
作为本申请优选的实施方式，本发明还包含一种水下弱磁信号收集机器人探测目标物的方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据布防的水域的水文特征和待探测的水域空间的容积，确定所要布置的所述收集机器人的数量n。
这里作为优选地，n表示所述收集机器人的数量、L表示布放水域的长度，根据陆地类型和平均水深h，确定的收集机器人的数量由下面的表格决定。
Figure BDA0002464357980000051
步骤S2：将所述收集机器人设置到指定水域的底部，所述n个收集机器人按照间距为a均匀地排列为一字形阵列，以一字阵列的任意一末端为起点，将所述收集机器人顺次标号为1到n。
步骤S3：以1号收集机器人为原点，所述n个收集机器一字阵列的阵列方向为z轴，以向水域延伸的水平面的方向为0度角，建立柱坐标系，则空间中点坐标为(α，z，r)；所述向水域延伸的水平面方向与z轴不互相垂直。
步骤S4：采集n个所述收集机器人上的所述弱磁传感器模块所测的磁场信号；采集的信息包括：纵向磁场强度MXj、横向磁场强度MYj以及垂直磁场强度MZj，其中，j表示传感器的编号，j取值为1到n。
步骤S5：计算每个所述收集机器人收集到的磁场信号，通过波速行程算法，计算出所设防区域的磁场强度的分布的三维矩阵。
步骤S6：将磁场强度的三维矩阵的结果变成可视化图形的表示，显示在上位机的屏幕之上。
步骤S7：间隔δ时间后，再次收集所述n个所述收集机器人的传感器的磁场信号，得出所设防水域的磁场强度的变化微元；所述变化微元包括：纵向磁场强度变化ΔMXj、横向磁场强度变化ΔMYj以及垂直磁场强度变化ΔMZj。
步骤S8：计算出每个所述收集机器人收集到的磁场强度变化的微元信号，通过波速行程算法，计算出所设防区域的磁场强度变化微元分布的三维矩阵。
步骤S9：将所述磁场强度变化微元分布的三维矩阵的结果变成可视化图形的表示，显示在所述上位机上。
作为本申请一种优选地，所述三维矩阵的结果变成可视化图形的过程首先根据磁场强度变化微元分布的三维矩阵的结果，即所布防水域等效的柱坐标系的一组三维矩阵的表述，包括Mx，My和Mz；其中Mx，My和Mz分别是代表布防水域的柱坐标系的一部分有限空间划分后的每个位置沿着x轴，y轴，z轴三个方向的变化数值；
以Mx为例，说明这三个矩阵Mx，My和Mz的具体内容，Mx矩阵中的每个元素的表达式为Mx(i,j,k)；Mx(i,j,k)是在柱坐标系(αi，zj，rk)位置处的磁场沿着x轴方向的变化率，其中
αi＝0.005π×j，其中，j取0到100的整数；
zj＝0.1j，其中，j取0到10L的整数，L表示布防水域的长度；
rk＝0.1k，k取0到10h的整数，h表示布防水域的平均水深；
求出一个新的矩阵F，举证F中的每个元素代表布防水域对应位置磁场强度变化数值的模长，F中的各个元素F(i,j,k)的计算方法为：
Figure BDA0002464357980000061
同时利用矩阵Mx，My和Mz中对应的元素来求出每个模长对应的方向，这里不赘述，再利用Matlab等数学软件自带的绘图函数，在柱坐标系的相应位置用带有长度和方向的矢量箭头绘制出描述布防水域空间磁场强度变化趋势的图像。
步骤S10：重复步骤S4至步骤S9，根据磁场信号图像的变化，探测设防水域中的目标物，并且确定目标物的空间位置、移动速度和加速度，并据此预测出目标物的运动轨迹。
实施例1
以长度为220m，平均水深为30m的水电站堤坝的安全布防为例，首先，向水电站堤坝的底部投放23个水下弱磁信号收集机器人，机器人在水下排成间距为10m的一字队列，所有机器人每个1s同步采集水下的磁场强度，得到磁场强度图像和磁场变化微元的空间分布图像，上位机上的人员可以根据图像的变化来发现入侵设防水域的目标物，并且预测其运动轨迹，为进一步驱离操作提供依据。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种水下弱磁信号收集机器人，其特征在于，包括：镁合金碳纤维壳体、防水的无刷电机、主板、自旋螺杆、重力舵块、螺旋桨以及环状石墨烯电池；所述主板包括：无刷电机驱动模块、运动姿态控制模块、弱磁传感器模块、弱磁信号收集模块以及无线通信模块；
所述镁合金碳纤维壳体为流线型的甜甜圈结构，所述镁合金碳纤维壳体抵消急速流动水流的冲击和保护支撑机器人的除所述壳体外的其它结构，所述防水的无刷电机镶嵌在所述镁合金碳纤维壳体的中心位置，所述防水的无刷电机带动螺旋桨的转动为整个机器人在水中行进提供推力；
所述主板上的所述无刷电机驱动模块连接所述防水的无刷电机，所述防水的无刷电机驱动所述防水的无刷电机的转动方向和转动速度；所述运动姿态控制模块连接并驱动所述自旋螺杆，所述自旋螺杆从所述重力舵块的中心穿过，并且与所述重力舵块上的螺孔相互啮合，驱动所述重力舵块沿所述自旋螺杆的轴向移动，通过对所述收集机器人的重心移动来调整机器人在水下的姿态。
2.根据权利要求1所述的一种水下弱磁信号收集机器人，其特征在于，
所述弱磁传感器模块测量水中的磁场强度信号，并将所述磁场强度信号传递到弱磁信号收集模块中进行处理，所述弱磁信号收集模块将运算结果通过所述无线通信模块传递到上位机处理，并通过环状石墨烯电池提供稳定的电能。
3.应用权利要求1-2所述的收集机器人的一种水下弱磁信号收集机器人探测目标物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据布防的水域的水文特征和待探测的水域空间的容积，确定所要布置的所述收集机器人的数量n；
S2：将所述收集机器人设置到指定水域的底部，所述n个收集机器人按照间距为a均匀地排列为一字形阵列，以一字阵列的任意一末端为起点，将所述收集机器人顺次标号为1到n；
S3：以1号收集机器人为原点，所述n个收集机器一字阵列的阵列方向为z轴，以向水域延伸的水平面的方向为0度角，建立柱坐标系，则空间中点坐标为(α，z，r)；所述向水域延伸的水平面方向与z轴不互相垂直；
S4：采集n个所述收集机器人上的所述弱磁传感器模块所测的磁场信号；采集的信息包括：纵向磁场强度MXj、横向磁场强度MYj以及垂直磁场强度MZj，其中，j表示传感器的编号，j取值为1到n；
S5：计算每个所述收集机器人收集到的磁场信号，通过波速行程算法，计算出所设防区域的磁场强度的分布的三维矩阵；
S6：将磁场强度的三维矩阵的结果变成可视化图形的表示，显示在上位机的屏幕之上；
S7：间隔δ时间后，再次收集所述n个所述收集机器人的传感器的磁场信号，得出所设防水域的磁场强度的变化微元；所述变化微元包括：纵向磁场强度变化ΔMXj、横向磁场强度变化ΔMYj以及垂直磁场强度变化ΔMZj；
S8：计算出每个所述收集机器人收集到的磁场强度变化的微元信号，通过波速行程算法，计算出所设防区域的磁场强度变化微元分布的三维矩阵；
S9：将所述磁场强度变化微元分布的三维矩阵的结果变成可视化图形的表示，显示在所述上位机上；
S10：重复步骤S4至步骤S9，根据磁场信号图像的变化，探测设防水域中的目标物，并且确定目标物的空间位置、移动速度和加速度，并据此预测出目标物的运动轨迹。
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