CN112272438B - 一种水下机器人调光器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，更具体的说，涉及一种水下机器人调光器系统。本发明的水下机器人调光器系统，包括：对外接口模块，包括驱动电源及灯接口，驱动电源及灯接口一端与通道控制模块连接提供交流驱动电源，另一端与照明灯进行连接；通道控制模块，对电压过零信号和电流信息进行采集并发送至处理器模块，接收处理器模块发送的驱动点亮信号，通过驱动电源及灯接口，控制对应的照明灯亮度；处理器模块，对电压过零信号和电流信息进行处理，运行调光主程序，输出驱动点亮信号。本发明的水下机器人调光器系统，扩展性好、模块化程度高、可靠性高，对照明系统的状态进行监控，减少水下机器人不必要的回收，提高作业效率。

Description

一种水下机器人调光器系统

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，更具体的说，涉及一种水下机器人调光器系统。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，占全球71％面积的海洋将是下一个世纪，也是未来人类赖以生存的环境，水下机器人是一种工作在海中的设备，是当今人类探索海洋环境和开发海洋资源的有力工具。

深海水下机器人面临的作业环境不同，对于照明灯的配置数量也会不同，照明灯需要通过调光器进行亮度调节。

目前，对照明灯进行扩展的方式不够方便，或者需要增加调光器数量、使线路复杂化，或者可扩展的灯很有限。

同时，多数水下机器人调光器都由单独一路电源供电，可靠性不够好，既作为调光器工作的控制电源，又作为照明灯的驱动电源，这容易导致调光器正常工作被干扰。

另外，驱动电源的电压过零点对于相控调光非常重要，而目前调光器只采集了一路该过零信号，若该信号发生异常则整个调光器无法工作。

水下机器人作业环境特殊，需要远程遥控，对其工作状态进行合理、全面监控非常必要，而目前调光器缺乏对其驱动电源状态的监控，有些甚至没有对任何状态进行监控。

中国发明CN200810010981.2涉及水下机器人水下灯的调光技术，具体说是一种采用数字传输技术，远距离调节水下机器人上设置水下灯亮度的调光器系统。包括I/O采集及输出模块、主控计算机、水下灯调光装置，主控计算机通过以太网接收来自水面的I/O采集及输出模块的控制信号，将处理后的控制信号通过光纤送到水下的I/O采集及输出模块，水下的I/O采集及输出模块将电源控制信号和灯光调节信号输出到模块化设置的水下灯调光装置，通过主控计算机中控制程序实现灯光的调整。

该发明的调光装置需要电源控制、灯光调节两路信号作为输入，线路复杂；且灯光调节信号为模拟量，易受干扰可靠性低；调光装置没有使用微处理器，整个装置只是一个单纯的执行机构，无法监视照明系统状态；每个调光装置只能驱动1路水下灯，随着水下灯数量增加，需要同步增加调光器数量和I/O模块数量，使系统复杂化，可靠性降低，可扩展性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下机器人调光器系统，解决现有技术的水下机器人调光器系统扩展性低、可靠性低并难以进行状态监控的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水下机器人调光器系统，包括通道控制模块、处理器模块和对外接口模块；

所述对外接口模块，包括驱动电源及灯接口，所述驱动电源及灯接口一端与通道控制模块连接提供交流驱动电源，另一端与照明灯进行连接；

所述通道控制模块，一端与处理器模块连接，对电压过零信号和电流信息进行采集并发送至处理器模块，另一端与驱动电源及灯接口连接，接收处理器模块发送的驱动点亮信号，通过驱动电源及灯接口，控制对应的照明灯亮度；

所述处理器模块，对电压过零信号和电流信息进行处理，运行调光主程序，输出驱动点亮信号。

在一实施例中，所述通道控制模块数量为多个，相互之间独立并联设置；

每个通道控制模块，与驱动电源及灯接口、照明灯一一对应组成调光器通道，对每路照明灯进行独立亮度调节。

在一实施例中，水下机器人调光器系统还包括温湿度传感器，与处理器模块连接，对周围环境的温度和湿度进行采集并发送至处理器模块；

所述处理器模块，根据电压过零信号、电流信息结合温湿度信息进行处理，得到照明系统状态信息。

在一实施例中，所述对外接口模块，包括通信接口，与处理器模块连接；

所述处理器模块，通过通信接口与水面操作台进行通信，接收水面操作台的控制指令，并反馈照明系统状态信息。

在一实施例中，所述处理器模块，根据水面操作台的控制指令，输出驱动点亮信号至通道控制模块，通道控制模块隔离放大后对每路照明灯进行独立亮度调节。

在一实施例中，所述对外接口模块，包括控制电源接口，所述控制电源接口与处理器模块连接，提供直流控制电源。

在一实施例中，所述处理器模块，判断每一路通道控制模块的电压过零信号是否正常状态，使用正常状态的电压过零信号进行调光。

在一实施例中，所述处理器模块，利用反馈的通道控制模块的电流信息进行故障诊断；

判断电流信息是否与驱动点亮信号的占空比匹配；

如果匹配，则调光器通道状态正常，所述驱动点亮信号为脉冲宽度调制信号；

如果不匹配，则调光器通道状态不正常。

在一实施例中，所述处理器模块，在判断调光器通道状态不正常之后，利用反馈的通道控制模块的电压过零信号，进一步进行故障诊断：

判断电压过零信号是否正常；

如果正常，则调光器通道发生故障；

如果不正常，则交流驱动电源发生故障。

在一实施例中，所述处理器模块为嵌入式处理器；

所述通信接口的通信方式为RS485通信、以太网通信或CAN通信。

本发明提出的一种水下机器人调光器系统，具体具有以下有益效果：

1)通过独立、模块化的通道控制模块，实现各路照明灯亮度的独立调节和方便、简洁的照明灯数量扩展，解决了水下机器人照明灯扩展受限、使线路复杂化的问题，扩展性好、模块化程度高。

2)将调光器的控制电源和驱动电源分离，并采集多路电压过零信号互为冗余，提高了调光器系统工作的可靠性。

3)利用电压过零信号监控交流驱动电源状态，对故障进行更准确的判断，同时对系统的温湿度、各路照明灯电流进行监控，帮助操作员更准确、合理地进行决策，减少水下机器人不必要的回收，提高作业效率。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明一实施例的水下机器人调光器系统的结构图；

图2揭示了根据本发明一实施例的电压过零信号冗余判断的流程图；

图3揭示了根据本发明一实施例的故障判断的流程图。

图中各附图标记的含义如下：

101 通道控制模块；

102 通道控制模块；

10n 通道控制模块；

200 嵌入式处理器；

300 温湿度传感器；

411 驱动电源及灯接口；

412 驱动电源及灯接口；

41n 驱动电源及灯接口；

420 通信接口；

430 控制电源接口；

501 照明灯；

502 照明灯；

50n 照明灯；

600 交流驱动电源；

700 直流控制电源；

800 水面操作台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1揭示了根据本发明一实施例的水下机器人调光器系统的结构图，如图1所示，本发明提供一种水下机器人调光器系统，包括通道控制模块、处理器模块、温湿度传感器300和对外接口模块。

在图1所示的实施例中，处理器模块为嵌入式处理器200，实现各类信号的输入输出处理，运行调光器主程序。

各类信号包括电压过零信号和电流信息，更进一步的，还包括温湿度信息。

在其他实施例中，处理器模块可以为通用处理器。

在图1所示的实施例中，对外接口模块，包括通信接口420、控制电源接口430以及与通道控制模块对应的驱动电源及灯接口。

在图1所示的实施例中，通道控制模块，一端与嵌入式处理器200连接，实现电压过零信号和电流信息的采集并反馈至嵌入式处理器200，另一端与驱动电源及灯接口连接，接收嵌入式处理器200发送的驱动点亮信号，通过驱动电源及灯接口，控制对应的照明灯亮度。

在本实施例中，驱动点亮信号为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。

嵌入式处理器200，对电压过零信号和电流信息进行输入输出处理，运行调光主程序，输出驱动点亮信号。

温湿度传感器300，与嵌入式处理器200连接，实现对调光器系统的周围环境的温度和湿度进行采集并反馈至嵌入式处理器200。

下面详细说明本实施例中的各组成模块。

通道控制模块，是本实施例中的水下机器人调光器系统实现方便、简洁的照明灯扩展的核心部分。

在图1所示的实施例中，通道控制模块，实现将来自嵌入式处理器的PWM信号进行隔离、放大，从而驱动照明灯点亮亮度。

通道控制模块，数量可以为多个，相互之间独立并联设置多路，其数量可根据实际需求进行配置。

每个通道控制模块，与驱动电源及灯接口、照明灯一一对应，组成相互独立的调光器通道，实现各照明灯之间相互独立的亮度调节。

在图1所示的实施例中，通道控制模块包括通道控制模块101、通道控制模块102，...，通道控制模块10n，n为大于等于1的整数值。

通道控制模块101，与驱动电源及灯接口411、照明灯501一一对应，组成调光器通道。

通道控制模块102，与驱动电源及灯接口412、照明灯502一一对应，组成调光器通道。

通道控制模块10n，与驱动电源及灯接口41n、照明灯50n一一对应，组成调光器通道，n为大于等于1的整数值。

每一个调光器通道(每一路)的功能都是相同的。

本发明提出的水下机器人调光器系统，具备很好的模块化以及可扩展性，可以很方便、简洁地扩展水下照明灯数量，并且每一路照明灯之间互相独立，亮度调节独立。

当需要增加照明灯数量时，只需将照明灯接到对应的调光器通道的接口上，从而方便简洁地实现照明灯的扩展，最大程度减少扩展的线束数量。

需要说明的是，“通道控制模块”只是本发明的某一组成部分的概括性名称，只要具备文中所述相同的功能，使用其它名称具有同样的实施效果。

本实施例的水下机器人调光器系统，安装在充满压力油的密封容器内，通过温湿度传感器300，可监控调光器系统的运行是否过热、容器是否进水。

温湿度传感器300，通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)或I2C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路)通信，将温湿度数据传送给嵌入式处理器200。

在其他实施例中，温湿度传感器300与嵌入式处理器200采用其他通信方式，具有同样的实施效果。

对外接口模块，包括通信接口420，控制电源接口430，以及各调光器通道的驱动电源及灯接口。

通信接口420，实现调光器系统的嵌入式处理器200与水面操作台800的通信连接。

本实施例中，嵌入式处理器200与水面操作台的通信方式采用RS485通信。

在其他实施例中，可以选择以太网通信、CAN通信等其他通信方式，具有同样的实施效果。

控制电源接口430，与嵌入式处理器200连接，为调光器系统的正常工作提供直流控制电源700，使调光器系统自身工作；

驱动电源及灯接口，一端与通道控制模块连接，为每个通道控制模块提供交流驱动电源600，另一端与照明灯进行连接，使调光器系统的负载(照明灯)工作。

本实施例中，将控制电源和驱动电源进行分离，防止谐波较大的驱动电源影响到控制电源，有利于提高调光器系统工作的可靠性。

嵌入式处理器200是整个调光器系统的控制核心，其功能主要有：

1)通过通信接口420与水面操作台800进行通信，接收水面操作台800的控制指令，并反馈照明系统状态信息。

2)根据水面操作台800的控制指令，输出PWM信号至通道控制模块，对每一路的照明灯进行独立的亮度调节与控制。

3)根据通道控制模块输入的电压过零信号、电流信息，结合温湿度传感器300输入的温湿度信息进行处理，得到照明系统状态信息。

每个通道控制模块，内部还设置电压传感器和电流传感器，用以采集驱动交流电源的电压过零信号和照明灯的电流信息，反馈至嵌入式处理器200。

电压过零信号是实现调光的最关键的信号，嵌入式处理器200依据该电压过零信号适时控制通道回路的通断，实现调光。

这既可以实现关键的电压过零信号的冗余，增加调光器系统工作的可靠性，又可以对交流驱动电源的状态以及每一路照明灯的状态进行监控，从而更准确全面地获得照明系统的状态。

正常情况下，每一路通道控制模块的电压过零信号都是相同的，嵌入式处理器200只需要使用其中的一路电压过零信号即可实现调光。

当第1路的通道控制模块损坏，电压过零信号不正常，可切换到第2路的通道控制模块的电压过零信号，当第2路的通道控制模块损坏，电压过零信号不正常，可切换到第3路的电压过零信号，以此类推....从而实现了电压过零信号的冗余备份。

显然，判断每一路的电压过零信号是否正常，可以是依次按第1路至第n路的顺序进行，n为大于等于1的整数值，也可以按一定的预设规律进行。

图2揭示了根据本发明一实施例的电压过零信号冗余判断的流程图，如图2所示，嵌入式处理器200，判断每一路通道控制模块的电压过零信号的状态是否正常，并按照第1路至第n路的顺序，n为大于等于1的整数值，使用正常状态的电压过零信号进行调光，从而实现关键的电压过零信号的冗余备份，增强调光器系统工作的可靠性。

图3揭示了根据本发明一实施例的故障判断的流程图，如图3所示，嵌入式处理器200，利用反馈的电压过零信号和电流信息，在照明系统发生故障时可对故障进行更准确的判断，并上传给水面操作台800，帮助操作员更准确、合理地进行决策。

嵌入式处理器200，对每个调光器通道的故障判断过程都是相同的。

嵌入式处理器200的故障判断方法如下：

判断电流信息与PWM信号的占空比是否匹配，占空比是指一个脉冲周期内，高电平持续时间占脉冲周期的比例；

如果匹配，则调光器通道状态正常；

如果不匹配，则调光器通道状态不正常。

在判断调光器通道状态不正常之后，进一步进行如下判断：

判断电压过零信号是否正常；

如果正常，则调光器通道发生故障；

如果不正常，则交流驱动电源发生故障。

本发明利用电压过零信号监控交流驱动电源状态，可对故障进行更准确的判断，同时对系统的温湿度、各路照明灯电流进行监控，帮助操作员更准确、合理地进行决策，减少水下机器人不必要的回收，提高作业效率。

本发明提出的一种水下机器人调光器系统，具体具有以下有益效果：

1)通过独立、模块化的通道控制模块，实现各路照明灯亮度的独立调节和方便、简洁的照明灯数量扩展，解决了水下机器人照明灯扩展受限、使线路复杂化的问题，扩展性好、模块化程度高。

2)将调光器的控制电源和驱动电源分离，并采集多路电压过零信号互为冗余，提高了调光器系统工作的可靠性。

3)利用电压过零信号监控交流驱动电源状态，对故障进行更准确的判断，同时对系统的温湿度、各路照明灯电流进行监控，帮助操作员更准确、合理地进行决策，减少水下机器人不必要的回收，提高作业效率。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

结合本发明所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (9)

1.一种水下机器人调光器系统，其特征在于，包括通道控制模块、处理器模块和对外接口模块；

所述对外接口模块，包括驱动电源及灯接口，所述驱动电源及灯接口一端与通道控制模块连接提供交流驱动电源，另一端与照明灯进行连接；

所述通道控制模块，一端与处理器模块连接，对电压过零信号和电流信息进行采集并发送至处理器模块，另一端与驱动电源及灯接口连接，接收处理器模块发送的驱动点亮信号，通过驱动电源及灯接口，控制对应的照明灯亮度；

所述通道控制模块数量为多个，相互之间独立并联设置；

每个通道控制模块，与驱动电源及灯接口、照明灯一一对应组成调光器通道，对每路照明灯进行独立亮度调节；

所述处理器模块，对电压过零信号和电流信息进行处理，运行调光主程序，输出驱动点亮信号。

2.根据权利要求1所述的水下机器人调光器系统，其特征在于，还包括温湿度传感器，与处理器模块连接，对周围环境的温度和湿度进行采集并发送至处理器模块；

所述处理器模块，根据电压过零信号、电流信息结合温湿度信息进行处理，得到照明系统状态信息。

3.根据权利要求1所述的水下机器人调光器系统，其特征在于：

所述对外接口模块，包括通信接口，与处理器模块连接；

所述处理器模块，通过通信接口与水面操作台进行通信，接收水面操作台的控制指令，并反馈照明系统状态信息。

4.根据权利要求3所述的水下机器人调光器系统，其特征在于，所述处理器模块，根据水面操作台的控制指令，输出驱动点亮信号至通道控制模块，通道控制模块隔离放大后对每路照明灯进行独立亮度调节。

5.根据权利要求1所述的水下机器人调光器系统，其特征在于：

所述对外接口模块，包括控制电源接口，所述控制电源接口与处理器模块连接，提供直流控制电源。

6.根据权利要求1所述的水下机器人调光器系统，其特征在于，所述处理器模块，判断每一路通道控制模块的电压过零信号是否正常状态，使用正常状态的电压过零信号进行调光。

7.根据权利要求1所述的水下机器人调光器系统，其特征在于，所述处理器模块，利用反馈的通道控制模块的电流信息进行故障诊断：

判断电流信息是否与驱动点亮信号的占空比匹配，所述驱动点亮信号为脉冲宽度调制信号；

如果匹配，则调光器通道状态正常；

如果不匹配，则调光器通道状态不正常。

8.根据权利要求7所述的水下机器人调光器系统，其特征在于，所述处理器模块，在判断调光器通道状态不正常之后，利用反馈的通道控制模块的电压过零信号，进一步进行故障诊断：

判断电压过零信号是否正常；

如果正常，则调光器通道发生故障；

如果不正常，则交流驱动电源发生故障。

9.根据权利要求3所述的水下机器人调光器系统，其特征在于：

所述处理器模块为嵌入式处理器；

所述通信接口的通信方式为RS485通信、以太网通信或CAN通信。

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