CN114002275B - 一种多电极阵列电场感知水下避障传感器 - Google Patents

一种多电极阵列电场感知水下避障传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多电极阵列电场感知水下避障传感器。该传感器包括多电极阵列以及控制及信号处理电路；所述多电极阵列分布在水下运动载体的表面；所述信号处理电路设置在所述水下运动载体内部，并与所述多电极阵列连接；所述信号处理电路用于调整所述多电极阵列产生的电流场，确定障碍物的空间位置及大小。本发明实现了对水下运动载体的全方位覆盖，不存在近处盲区以及覆盖盲区的问题。

Description

一种多电极阵列电场感知水下避障传感器
技术领域
本发明涉及水下避障传感器领域，特别是涉及一种多电极阵列电场感知水下避障传感器。
背景技术
随着人类江湖海洋等水下探索需求的增长，水下机器人越来越要求自主程度更高的水下感知能力，水下避障作为水下机器人的基础技术，在复杂水下环境中对机器人的运动导航至关重要。现有水下避障技术主要依靠声纳等声学传感器，部分机器人搭载了额外的红外避障、视觉摄像头等光学传感器。然而现有声学传感器存在难以小型化，无法覆盖整个载体表面，存在近处盲区及多径效应干扰，需要额外设计安装位置破坏载体外形等缺点，限制了其在小型水下机器人与潜航器上的应用。现有光学传感器存在对环境要求较高，不耐污渍，难以在黑暗浑浊环境中使用，光学镜头容易损坏、无法覆盖整个载体周围等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，实现了对水下运动载体的全方位覆盖，不存在近处盲区以及覆盖盲区的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，包括：多电极阵列以及控制及信号处理电路；
所述多电极阵列分布在水下运动载体的表面；
所述信号处理电路设置在所述水下运动载体内部，并与所述多电极阵列连接；
所述信号处理电路用于调整所述多电极阵列产生的电流场，确定障碍物的空间位置及大小。
可选地，所述多电极阵列包括：前主电极、后主电极以及多个环绕电极；
所述前主电极和所述后主电极放置于所述水下运动载体沿运动方向轴线的前后两端表面；
所述环绕电极分布在所述水下运动载体的表面。
可选地，所述前主电极和所述后主电极的表面积大于或等于所述环绕电极的表面积。
可选地，所述信号处理电路包括：数据总线、低压直流电源、控制器、正交锁相放大器、自动增益控制器、DC-DC直流升压变换器、高压运算放大器、交流阻抗测量电路、电极接收回路选通器以及电极激励回路选通器；
所述数据总线与所述控制器连接；所述数据总线传输障碍物信息；
低压直流电源分别与所述控制器和所述DC-DC直流升压变换器连接；
所述正交锁相放大器分别与所述自动增益控制器和所述控制器连接；所述正交锁相放大器用于放大接收到的电极信号；
所述自动增益控制器与所述电极接收回路选通器连接；所述DC-DC直流升压变换器与所述高压运算放大器连接；
所述高压运算放大器分别与所述控制器和所述交流阻抗测量电路连接；所述高压运算放大器用于放大由控制器产生的电极激励信号；
所述交流阻抗测量电路与所述电极激励回路选通器连接；所述交流阻抗测量用于测量所在回路中的交流阻抗并提供给控制器；
所述控制器用于根据所述交流阻抗确定选通指令；
所述控制器分别与所述电极接收回路选通器和所述电极激励回路选通器连接；
所述电极接收回路选通器和所述电极激励回路选通器分别与所述多电极阵列连接；
所述电极接收回路选通器用于根据控制器的选通指令将相应电极接入接收回路；
所述电极激励回路选通器用于根据控制器的选通指令将相应电极接入激励回路。
可选地，所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的工作模式包括：全局激励模式、局部激励模式以及最小激励模式。
可选地，所述全局激励模式为：
控制器控制电极激励回路选通器将前主电极与后主电极接入电极激励回路；
控制器输出特定频率激励信号经高压运算放大器放大后经交流电阻抗测量电路经电极激励回路选通器输出至前主电极与后主电极经由水下运动载体设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器控制电极接收回路选通器将环绕电极阵列中的每个电极逐个接入自动增益控制器，放大或衰减至设定幅值后送入正交锁相放大器；输出放大后的电极信号进入控制器，控制器将每个电极输出的电极信号根据电导率校准数据进行归一化。
可选地，所述局部激励模式为：
控制器控制电极激励回路选通器将环绕电极阵列中的任意两个电极接入电极激励回路构成电极对，控制器输出特定频率激励信号经高压运算放大器放大后经交流电阻抗测量电路经电极激励回路选通器输出至上述电极对，经由水下运动载体设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器控制电极接收回路选通器将环绕电极阵列中的所述电极对设定范围内的每个电极逐个接入自动增益控制器，放大或衰减至设定幅值后送入正交锁相放大器，输出放大后的电极信号进入控制器，控制器将每个电极输出的电极信号根据电导率校准数据进行归一化。
可选地，所述最小激励模式为：
控制器控制电极激励回路选通器将环绕电极阵列中的任意相邻电极接入电极激励回路构成电极对，控制器输出特定频率激励信号经高压运算放大器放大后经交流电阻抗测量电路经电极激励回路选通器输出至所述电极对，经由水下运动载体设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器接收交流电阻抗测量电路得出的阻抗数据，并作为水下运动载体所处环境下相应位置处电极的测量阻抗；控制器将每个激励电极对得到的阻抗数据根据电导率校准数据进行归一化。
可选地，所述多电极阵列的材料为柔性材料。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，利用多电极阵列产生的电流场实现了对水下运动载体的全方位覆盖，不存在近处盲区以及覆盖盲区的问题。环境适应性良好，能够在浑浊黑暗的环境下使用，加工便捷，可实现柔性加工并以柔性蒙皮的形式覆盖于载体表面，不破坏原有外形，重量非常轻，体积非常小，非常适合小型水下机器人使用。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器结构示意图；
图2为控制及信号处理电路结构图；
图3为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的校准过程示意图；
图4为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的全局激励模式示意图；
图5为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的局部激励模式示意图；
图6为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的最小激励模式示意图；
图7为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的障碍物材质感知原理示意图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，实现了对水下运动载体的全方位覆盖，不存在近处盲区以及覆盖盲区的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，多电极阵列以及控制及信号处理电路3；
所述多电极阵列分布在水下运动载体4的表面；
所述信号处理电路设置在所述水下运动载体4内部，并与所述多电极阵列连接；
所述信号处理电路用于调整所述多电极阵列产生的电流场，确定障碍物的空间位置及大小。
所述多电极阵列包括：前主电极1.1、后主电极1.2以及多个环绕电极2；前主电极1.1、后主电极1.2以及多个环绕电极2共同覆盖了水下运动载体4的外部表面。
所述前主电极1.1和所述后主电极1.2放置于所述水下运动载体4沿运动方向轴线的前后两端表面；
所述环绕电极2分布在所述水下运动载体4的表面。
所述前主电极1.1和所述后主电极1.2的表面积大于或等于所述环绕电极2的表面积。
如图2所示，所述信号处理电路包括：数据总线3.1、低压直流电源3.2、控制器3.3、正交锁相放大器3.4、自动增益控制器3.5、DC-DC直流升压变换器3.6、高压运算放大器3.7、交流阻抗测量电路3.8、电极接收回路选通器3.9以及电极激励回路选通器3.10；
所述数据总线3.1与所述控制器3.3连接；所述数据总线3.1传输障碍物信息；
低压直流电源3.2分别与所述控制器3.3和所述DC-DC直流升压变换器3.6连接；低压直流电源3.2供给传感器工作，一般为5V-36V。
所述正交锁相放大器3.4分别与所述自动增益控制器3.5和所述控制器3.3连接；所述正交锁相放大器3.4用于放大接收到的电极信号；
所述自动增益控制器3.5与所述电极接收回路选通器3.9连接；自动增益控制器3.5用于自动改变输入信号幅值，使之匹配后续电路要求。
所述DC-DC直流升压变换器3.6与所述高压运算放大器3.7连接；DC-DC直流升压变换器3.6用于将低压直流电源3.2电压升高至36V-120V
所述高压运算放大器3.7分别与所述控制器3.3和所述交流阻抗测量电路3.8连接；所述高压运算放大器3.7用于放大由控制器3.3产生的电极激励信号；高压运算放大器3.7用于放大由控制器3.3产生的电极激励信号；
所述交流阻抗测量电路3.8与所述电极激励回路选通器3.10连接；所述交流阻抗测量用于测量所在回路中的交流阻抗并提供给控制器3.3；
所述控制器3.3用于根据所述交流阻抗确定选通指令；
所述控制器3.3分别与所述电极接收回路选通器3.9和所述电极激励回路选通器3.10连接；
所述电极接收回路选通器3.9和所述电极激励回路选通器3.10分别与所述多电极阵列连接；
所述电极接收回路选通器3.9用于根据控制器3.3的选通指令将相应电极接入接收回路；
所述电极激励回路选通器3.10用于根据控制器3.3的选通指令将相应电极接入激励回路。
如图3所示，使用时首先将搭载有本发明所述装置的水下运动载体4投放至使用水域的开阔水面下，至水面深度与至水底距离大于10倍水下运动载体4最大几何尺寸长度。启动电导率校准流程，控制器3.3控制电极激励回路选通器3.10将前主电极1.1与后主电极1.2接入电极激励回路，控制器3.3输出一特定频率标准正弦波信号经高压运算放大器3.7放大后经交流电阻抗测量经电极激励回路选通器3.10输出至前主电极1.1与后主电极1.2经由水下运动载体4附近的水体介质构成导电回路。此时交流电阻抗测量得出的阻抗数据作为水下运动载体4所处环境的背景阻抗。
所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的工作模式包括：全局激励模式、局部激励模式以及最小激励模式。
如图4所示，所述全局激励模式为：
全局激励模式下，由前主电极1.1与后主电极1.2构成激励电极对；
控制器3.3控制电极激励回路选通器3.10将前主电极1.1与后主电极1.2接入电极激励回路；
控制器3.3输出特定频率激励信号经高压运算放大器3.7放大后经交流电阻抗测量电路经电极激励回路选通器3.10输出至前主电极1.1与后主电极1.2经由水下运动载体4设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器3.3控制电极接收回路选通器3.9将环绕电极2阵列中的每个电极逐个接入自动增益控制器3.5，放大或衰减至设定幅值后送入正交锁相放大器3.4；输出放大后的电极信号进入控制器3.3，控制器3.3将每个电极输出的电极信号根据电导率校准数据进行归一化。
进而同内部预置的数据表进行查表，得出每个电极附近的粗略障碍物距离。
如图5所示，所述局部激励模式为：
控制器3.3控制电极激励回路选通器3.10将环绕电极2阵列中的任意两个电极(相邻电极除外)接入电极激励回路构成电极对，控制器3.3输出特定频率激励信号经高压运算放大器3.7放大后经交流电阻抗测量电路经电极激励回路选通器3.10输出至上述电极对，经由水下运动载体4设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器3.3控制电极接收回路选通器3.9将环绕电极2阵列中的所述电极对设定范围内的每个电极逐个接入自动增益控制器3.5，放大或衰减至设定幅值后送入正交锁相放大器3.4，输出放大后的电极信号进入控制器3.3，控制器3.3将每个电极输出的电极信号根据电导率校准数据进行归一化。
进而，同内部预置的数据表进行查表，得出该处电极附近障碍物的精确距离。
如图6所示，当所述发明装置距离水下障碍物距离很近时，所述全局激励模式与局部激励模式下水下电场分布畸变程度较高，难以准确感知障碍物壁面的凹凸细节与精确距离。因此使用分辨力最高的最小激励模式，所述最小激励模式为：
控制器3.3控制电极激励回路选通器3.10将环绕电极2阵列中的任意相邻电极接入电极激励回路构成电极对，控制器3.3输出特定频率激励信号经高压运算放大器3.7放大后经交流电阻抗测量电路经电极激励回路选通器3.10输出至所述电极对，经由水下运动载体4设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器3.3接收交流电阻抗测量电路得出的阻抗数据，并作为水下运动载体4所处环境下相应位置处电极的测量阻抗；控制器3.3将每个激励电极对得到的阻抗数据根据电导率校准数据进行归一化。
进而，同内部预置的数据表进行查表，得出该处电极附近障碍物的精确距离。
如图7所示，最小激励模式下，由于电极距离障碍物壁面距离非常近，电极激励电流有相当大的部分从障碍物中流过，所以电极测量得到的阻抗特性能够在一定程度上反映障碍物材质的阻抗特性。为实现障碍物材质感知，控制器3.3控制电极激励回路选通器3.10将环绕电极2阵列中的任意相邻电极接入电极激励回路构成电极对，控制器3.3输出特定频率激励信号经高压运算放大器3.7放大后经交流电阻抗测量经电极激励回路选通器3.10输出至上述电极对，经由水下运动载体4附近的少部分水体介质与部分水下障碍物材质构成导电回路。此时，控制器3.3直接接收此时交流电阻抗测量得出的阻抗数据作为水下运动载体4所处环境下该处电极的测量阻抗。控制器3.3改变激励信号频率逐步由1KHz按照预定设置步长向10MHz逐步改变输出激励信号频率，测量每个频率点出的电极阻抗。控制器3.3将频率点处得到的阻抗数据根据电导率校准数据进行归一化，并同内部预置的各种材质阻抗谱数据进行对比，实现对该处水下障碍物材质的感知。
所述多电极阵列的材料为柔性材料，使得本发明所述传感器可以实现完全的柔性，可加工为柔性蒙皮的形式覆盖在任意形状的水下运动载体4表面，不破坏原有水下运动载体4的流线外形，不产生附加运动阻力，无需考虑复杂的装配及防水设计，这是现有刚性结构的光学、声学传感器无法实现的。
相比现有光学与声学避障传感器，本发明提出的传感器环境适应性好，由于本发明使用覆盖在水下运动载体4表面的前主电极1.1，后主电极1.2与环绕电极2产生的电流场实现对周围环境的感知，因而在浑浊、泥沙、黑暗洞穴等传统光学传感器无法正常工作的环境中也能工作。
本发明所述环绕电极2直接覆盖在水下运动载体4的外表面，相比传统声学传感器本发明所述传感器覆盖面广，不存在盲区，多电极阵列可印刷在水下载体表面，实现对载体周围环境的全方位感知，相比声学发射装置，多电极阵列重量轻，体积薄，能够安装在微小型水下载体中，在水下机器人、无人潜航器等水下装备领域有着巨大的潜在应用价值。
本发明所述控制及信号处理电路3能够改变电极的输出激励信号频率，在离障碍物非常近的最小激励模式下，可以实现对障碍物材质的阻抗谱测量，进而实现对障碍物材质的初步感知。这是现有基于光学、声学原理传感器所无法实现的。
本发明所述电极可使用柔性电路工艺加工，因而本发明在水下环境中不存在多径效应干扰现象，相比声学传感器，本发明能在洞穴、海底等近距离避障环境中正常使用，能感知障碍物表面的形貌细节。不存在现有声学传感器存在的近处盲区及多径反射干扰现象。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，包括：多电极阵列以及控制及信号处理电路；
所述多电极阵列分布在水下运动载体的表面；
所述信号处理电路设置在所述水下运动载体内部，并与所述多电极阵列连接；
所述信号处理电路用于调整所述多电极阵列产生的电流场，确定障碍物的空间位置及大小；
所述多电极阵列包括：前主电极、后主电极以及多个环绕电极；
所述前主电极和所述后主电极放置于所述水下运动载体沿运动方向轴线的前后两端表面；
所述环绕电极分布在所述水下运动载体的表面；
所述信号处理电路包括：数据总线、低压直流电源、控制器、正交锁相放大器、自动增益控制器、DC-DC直流升压变换器、高压运算放大器、交流阻抗测量电路、电极接收回路选通器以及电极激励回路选通器；
所述数据总线与所述控制器连接；所述数据总线传输障碍物信息；
低压直流电源分别与所述控制器和所述DC-DC直流升压变换器连接；
所述正交锁相放大器分别与所述自动增益控制器和所述控制器连接；所述正交锁相放大器用于放大接收到的电极信号；
所述自动增益控制器与所述电极接收回路选通器连接；所述DC-DC直流升压变换器与所述高压运算放大器连接；
所述高压运算放大器分别与所述控制器和所述交流阻抗测量电路连接；所述高压运算放大器用于放大由控制器产生的电极激励信号；
所述交流阻抗测量电路与所述电极激励回路选通器连接；所述交流阻抗测量电路用于测量所在回路中的交流阻抗并提供给控制器；
所述控制器用于根据所述交流阻抗确定选通指令；
所述控制器分别与所述电极接收回路选通器和所述电极激励回路选通器连接；
所述电极接收回路选通器和所述电极激励回路选通器分别与所述多电极阵列连接；
所述电极接收回路选通器用于根据控制器的选通指令将相应电极接入接收回路；
所述电极激励回路选通器用于根据控制器的选通指令将相应电极接入激励回路。
2.根据权利要求1所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，所述前主电极和所述后主电极的表面积大于或等于所述环绕电极的表面积。
3.根据权利要求1所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器的工作模式包括：全局激励模式、局部激励模式以及最小激励模式。
4.根据权利要求3所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，所述全局激励模式为：
控制器控制电极激励回路选通器将前主电极与后主电极接入电极激励回路；
控制器输出特定频率激励信号经高压运算放大器放大后经交流阻抗测量电路和电极激励回路选通器输出至前主电极与后主电极，经由水下运动载体设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器控制电极接收回路选通器将环绕电极阵列中的每个电极逐个接入自动增益控制器，放大或衰减至设定幅值后送入正交锁相放大器；输出放大后的电极信号进入控制器，控制器将每个电极输出的电极信号根据电导率校准数据进行归一化。
5.根据权利要求3所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，所述局部激励模式为：
控制器控制电极激励回路选通器将环绕电极阵列中的任意两个电极接入电极激励回路构成电极对，控制器输出特定频率激励信号经高压运算放大器放大后经交流阻抗测量电路和电极激励回路选通器输出至上述电极对，经由水下运动载体设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器控制电极接收回路选通器将环绕电极阵列中的所述电极对设定范围内的每个电极逐个接入自动增益控制器，放大或衰减至设定幅值后送入正交锁相放大器，输出放大后的电极信号进入控制器，控制器将每个电极输出的电极信号根据电导率校准数据进行归一化。
6.根据权利要求3所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，所述最小激励模式为：
控制器控制电极激励回路选通器将环绕电极阵列中的任意相邻电极接入电极激励回路构成电极对，控制器输出特定频率激励信号经高压运算放大器放大后经交流阻抗测量电路和电极激励回路选通器输出至所述电极对，经由水下运动载体设定位置的水体介质构成导电回路；
控制器接收交流阻抗测量电路得出的阻抗数据，并作为水下运动载体所处环境下相应位置处电极的测量阻抗；控制器将每个激励电极对得到的阻抗数据根据电导率校准数据进行归一化。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种多电极阵列电场感知水下避障传感器，其特征在于，所述多电极阵列的材料为柔性材料。
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