CN114706408A - 一种低功耗智能水下机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及水下装备控制系统技术领域，提供一种低功耗智能水下机器人控制系统，包括模式切换模块、主控制模块、值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块、推进器电压调节模块和电源模块；模式切换模块根据水面控制系统发送的模式切换信号切换水下机器人的工作模式；主控制模块在水下机器人处于航行模式、作业模式和待援模式的其中一种工作模式时启动，控制水下机器人进行与其工作模式对应的作业并与水面控制系统进行通信；值守控制模块在水下机器人处于值守模式时启动，根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人。本申请的技术方案能够使水下机器人在不同工作模式下低功耗工作并能够有效避免值守模式时丢失唤醒信号的现象。

Description

一种低功耗智能水下机器人控制系统

技术领域

本申请属于水下装备控制系统技术领域，具体地，涉及一种低功耗智能水下机器人控制系统。

背景技术

对海洋环境的探测以及对海洋资源的开发与利用已经随着科学水平的不断提高而不断进步，机器人的应用领域也已经从陆地扩展到海洋，水下机器人作为一种能够对海洋环境、生态、资源进行探测的水下装备，具有广阔的应用前景。

现有的水下机器人，尤其是自主式水下机器人(Auto Underwater Vehicle,AUV)，由于其只能通过自身携带的电力模块供能，且与岸基或船基等水面控制系统之间无法进行有线通信，因此对其低功耗及通信可靠性的要求显著提高。现有的水下机器人控制系统，一般都具有航行/工作模式与休眠模式以实现非工作状态下的低功耗，然而，如何保证水下机器人在遇到各种意外情况时能够在低功耗的情况下尽快实现摆脱危险状况，以及在休眠模式下能够准确地获取唤醒信号，仍是无缆自主式水下机器人控制系统亟待解决的问题，否则，水下机器人使用过程中可能出现因意外情况导致能量耗尽，或由于丢失唤醒信号导致与水面控制系统失联的情况。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本申请的目的在于提供一种低功耗智能水下机器人系统，用于控制水下机器人实现各种工作模式的切换，并能够在低功耗的情况下应对水下复杂的工作环境。

本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：

一种低功耗智能水下机器人控制系统，包括模式切换模块、主控制模块、值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块、推进器电压调节模块和电源模块；

模式切换模块用于根据水面控制系统发送的模式切换信号切换水下机器人的工作模式，所述模式切换信号包括航行信号、作业信号、值守信号和救援信号，所述工作模式包括航行模式、作业模式、值守模式和待援模式；

主控制模块在水下机器人处于航行模式、作业模式和待援模式的其中一种工作模式时启动，用于控制水下机器人进行与其工作模式对应的作业并与水面控制系统进行通信；

值守控制模块在水下机器人处于值守模式时启动，用于根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人；

位置检测模块用于对水下机器人的位置信息进行检测，根据水下机器人所处的工作模式将所述位置信息上传到主控制模块或值守控制模块，并由主控制模块或值守控制模块生成位置对比结果信号；

电量检测模块用于对水下机器人的内部电量进行检测并生成电量对比结果；

报警模块用于根据接收到的位置对比结果和电量对比结果判断是否需要进行报警操作，如果判断结果为是则进行报警操作；

推进器电压调节模块用于在主控制模块的控制下对推进器电机的电压进行调节；

电源模块用于对水下机器人的各个模块进行供电。

进一步地，

水下机器人处于作业模式时，值守控制模块处于休眠状态，其余各个模块处于工作状态；

水下机器人处于航行模式时，模式切换模块、主控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块和推进器电压调节模块处于工作状态，其余各个模块处于休眠状态；

水下机器人处于值守模式时，值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块和报警模块处于工作状态，其余各个模块处于休眠状态；

水下机器人处于待援模式时，主控制模块、位置检测模块和报警模块处于工作状态，其余各个模块处于休眠状态。

进一步地，所述模式切换模块包括滤波电路、信号持续时间判别电路和模式选择电路；所述根据水面控制系统发送的模式切换信号切换水下机器人的工作模式，具体包括以下步骤：

A1：通过滤波电路对水声信号进行滤波，提取其中与各个模式切换信号的频率相同的信号；

A2：通过信号持续时间判别电路对提取出的信号进行时间积分，根据时间积分结果判断是否接收到模式切换信号，如果判断结果为是，则将对应的频率信息发送到模式选择电路；

A3：模式选择电路根据接收到的频率信息切换水下机器人的工作模式。

优选地，所述信号持续时间判别电路选用高精度时间间隔测量芯片，并在外围电路设置用于校准的高速时钟；所述信号持续时间判别电路还包括能够自动控制开启时间的振荡器。

进一步地，所述值守控制模块包括带通滤波电路、检波电路、能量积分电路、单片机和反馈询问电路；所述根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人具体包括以下步骤：

S1：通过带通滤波电路对水声信号进行带通滤波，其中带通滤波的中心频率与唤醒信号的频率相同；

S2：通过检波电路提取经过带通滤波的水声信号的包络电压；

S3：通过能量积分电路对包络电压进行积分，得到预设时间长度的积分电压；

S4：通过单片机将积分电压分别与第一阈值电压和第二阈值电压进行比较，其中第一阈值电压大于第二阈值电压，如果积分电压大于等于第一阈值电压，则单片机控制反馈询问电路向水面控制系统发送反馈信号并启动模式切换模块和主控制模块，如果积分电压小于第一阈值电压并且大于等于第二阈值电压，则单片机控制反馈询问电路向水面控制系统发送询问信号，如果积分电压小于第二阈值电压，则单片机控制值守控制模块保持值守状态；

S5：水面控制系统如果接收到反馈信号，则发送模式切换信号；

S6：水面控制系统如果接收到询问信号且在之前一定时间间隔内发送过唤醒信号，则增大唤醒信号的功率并重新发送唤醒信号。

优选地，所述询问信号中包括积分电压的数值信息；所述增大唤醒信号的功率，具体为使唤醒信号的增大后的功率与原功率的比值大于等于第一阈值电压与积分电压的比值。

优选地，所述工作模式还包括返航模式，水下机器人处于返航模式时，主控制模块控制推进器电压调节模块，驱动水下机器人向水面控制系统的方向运动。

进一步地，当电量对比结果或位置对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式以外的任意一种模式时，报警模块将报警信号发送到主控制模块，由主控制模块向水面控制系统发送报警信号，水面控制系统在接收到报警信号后发送救援信号；

当电量对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式时，报警模块将报警信号发送到值守控制模块，值守控制模块唤醒主控制模块和模式切换模块，由主控制模块向水面控制系统发送报警信号，水面控制系统在接收到报警信号后发送救援信号；

当位置对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式时，报警模块将报警信号发送到值守控制模块，值守控制模块唤醒主控制模块，由主控制模块启动推进器电压调节模块并进入返航模式。

优选地，所述电量检测模块包括主芯片、电压监控芯片和隔离芯片；所述电压监控芯片的工作电压范围为7V~80V，电压监控和电流监控的结果以12位IIC的数据形式进行传输；所述隔离芯片为低功耗，支持热插拔的IIC通信协议双向通信非自锁数字隔离器。

优选地，所述推进器电压调节模块使用运算放大器芯片将主控制模块输出的PWM信号放大为与推进器电调匹配的PWM信号；所述推进器电压调节模块还包括外置电阻，用于扩大增益范围，所述增益范围为5~1000。

本申请的实施例提供的一种低功耗智能水下机器人控制系统至少具有以下有益效果：

(1) 针对水下机器人在水下航行及实施各种作业时，其需要实现高性能与低功耗的平衡以及应对复杂的水下环境和突发状况，本申请提供的控制系统设计相比于现有水下机器人控制系统，增加了单独的模式切换模块，模式切换模块可根据水面控制系统发送不同频率的模式切换信号激活不同的工作模式，可根据实际需要或水下实时环境选择对应的模式。使用该种模式切换方案，可以有效地降低主控制模块需要不断与水面控制系统通信并处理切换信号的负载，使其处理性能集中在对水下机器人航行及作业的控制上，同时在不同模式下启用的功能模块不同，通过关闭空闲模块的电路以降低功耗，大大延长了水下机器人的水下工作时间。

(2) 本申请所提供的位置检测模块、电量检测模块及报警模块能够对不同工作模式下出现的不同意外情况进行细分处理，对于电量过低及正常工作模式下出现的位置、姿态偏差等状况，使水下机器人进入低功耗的待援模式，对于值守模式下因海洋洋流等造成的水下机器人位置偏移，通过唤醒水下机器人并进入返航模式，避免了单纯进入待援模式可能导致的水下机器人继续随洋流漂远的危险。

(3) 针对水下环境复杂，信号衰减较大，尤其是值守模式下由于水下机器人处于无动力状态，可能发生位置偏离，使得水面控制系统发送的唤醒信号的强度降低，从而与水声信号中包含的环境噪声信号的强度接近导致值守控制模块无法准确识别判断，造成唤醒信号丢失的问题，本申请提供的控制系统对值守控制模块的架构及识别与判断唤醒信号的流程进行了改进，通过第一电压阈值和第二电压阈值对信号强度判断区间进行细分：当待识别信号强度较强和较弱时，均能够进行快速的判别；当待识别信号的强度处于易混淆区间时，通过增加向水面控制系统发送询问信号，并判断是否接收到新的强度增加的信号，大大提高了对疑似的唤醒信号的识别准确率，避免了由于丢失唤醒信号造成水下机器人失联的危险。

(4) 通过在询问信号中加入积分电压信息，使得水面控制系统能够根据第一电压阈值与积分电压的比值，能够保证水面控制系统一次性地将唤醒信号功率提升至值守控制模块能够准确识别的程度，从而有效地减少了值守控制模块与水面控制系统之间反复询问与调整功率的现象，进一步降低了值守模式下的系统功耗。

附图说明

图1为根据本申请实施例的低功耗智能水下机器人控制系统处不同工作模式下的系统架构以及其与水面控制系统的信号传输情况；

图2为根据本申请实施例的通过模式切换模块进行工作模式切换的流程示意图；

图3为根据本申请实施例的滤波电路的电路原理图；

图4为根据本申请实施例的信号持续时间判别电路的电路原理图；

图5为根据本申请实施例的模式选择电路的电路原理图；

图6为根据本申请实施例的值守控制模块识别唤醒信号的流程示意图；

图7为根据本申请实施例的值守控制模块的电路原理图；

图8为根据本申请实施例的电量检测模块的电路原理图；

图9为根据本申请实施例的报警模块的电路原理图；

图10为根据本申请实施例的推进器电压调节模块的电路原理图。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。

单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。

在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。

本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”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，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请提供一种低功耗智能水下机器人控制系统，可用于根据设置于船基或岸基的水面控制系统发送的模式切换信号，将式水下机器人切换为不同的工作模式，图1示出了根据本申请的一个具体实施例的低功耗智能水下机器人控制系统在不同的工作模式下的系统架构以及其与水面控制系统的信号传输情况，其中虚线矩形框分别代表了水下机器人处于值守模式、航行模式、作业模式和待援模式时该控制系统中处于启动状态的各个模块。如图1所示，本申请实施例提供的低功耗智能水下机器人控制系统包括模式切换模块、主控制模块、值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块、推进器电压调节模块和电源模块。

以下结合附图对各个模块的具体实施方式进行详细说明。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，模式切换模块用于根据水面控制系统发送的模式切换信号切换水下机器人的工作模式，其中，模式切换信号包括航行信号、作业信号、值守信号和救援信号，工作模式包括航行模式、作业模式、值守模式和待援模式。

具体地，不同的模式切换信号具有不同的频率，模式切换模块通过水下机器人所安装的水声信号收发设备(例如：采用收发合置的水声换能器等装置)接收到的水面控制系统发射的模式切换信号后，根据其频率启动控制系统的对应模块，使水下机器人进入相应的工作模式。显然，由于水下环境中包含大量环境噪声信号，其频率可能与模式切换信号发生重叠，导致对模式切换指令的误判，因此，模式切换模块需要对接收到的水声信号进行识别，以防止环境噪声信号对水下机器人的干扰，提高系统的鲁棒性。

图2示出了本申请的一些实施例中通过模式切换模块进行工作模式切换的流程示意图。如图2所示，模式切换模块包括滤波电路、信号持续时间判别电路和模式选择电路，模式切换模块通过以下步骤切换水下机器人的工作模式：

A1：通过滤波电路对水声信号进行滤波，提取其中与各个模式切换信号的频率相同的信号；

A2：通过信号持续时间判别电路对提取出的信号进行时间积分，根据时间积分结果判断是否接收到模式切换信号，如果判断结果为是，则将对应的频率信息发送到模式选择电路；

A3：模式选择电路根据接收到的频率信息切换水下机器人的工作模式。

图3示出了根据本申请的一些优选的实施例的滤波电路的电路原理图。如图3所示，在本实施例中，滤波电路的运算放大器选用OPA2211，其噪声为

，增益带宽积 80MHz，采用BICom3HV互补双极36V硅锗（SiGe）工艺，实现了超低噪声、低功耗、小封装尺寸等多种特性的结合，且该类放大器支持轨至轨输出振幅扩大了动态范围。

图4示出了根据本申请的一些优选的实施例的信号持续时间判别电路的电路原理图。如图4所示，在本实施例中，信号持续时间判别电路选用一款高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2，与前代芯片相比具有更高的精度、更小的封装和更低的价格，为了使检验结果更加精确，在外围电路增加一个

的高速时钟用于校准，当进行测量时TDC-GP2必须用振荡器，且能够自动控制振荡器的开启时间。信号持续时间判别电路通过对信号持续时间进行判断，以剔除虽然频率与模式切换信号的频率相同或相近，但持续时间较短的环境噪声信号或其他水下信号，从而有效地避免了其他非相关信号对水下机器人的干扰，增加了系统的鲁棒性。

图5示出了根据本申请的一些优选的实施例的模式选择电路的电路原理图。如图5所示，该电路中核心芯片CD74HC7046AM使用硅门 CMOS 技术，以实现类似于 LSTTL 系列的工作速度，但具有标准 CMOS 集成电路的低功耗，经过CD74HC7046AM处理的信号到达FDS9431A，使其I/O管脚根据接收到的频率信息启动在该频率对应的工作模式下需要工作的模块，从而进入对应的工作模式。具体地，在本实施例中，当水面控制系统发送的模式切换信号的频率为aKHz时模式选择启动航行模式；当频率为bKHz时启动值守模式；当频率为cKHz时启动工作模式；当频率为dKHz时启动自救模式；在航行模式、工作模式和待援模式时经过模式切换模块的信号均进入主控制模块，仅在值守模式下经过模式切换模块的信号进入值守控制模块。本申请的实施例使用模式切换模块统一进行水下机器人各个工作模式的切换，通过对水声信号频率的判断及选择电路既避免了环境噪声信号的干扰导致的误识别或误切换现象，又使得主控制模块无需持续对水声信号进行处理，节省了主控制模块的计算资源，大大降低了系统功耗。

如图1所示，本申请实施例提供的低功耗智能水下机器人控制系统可以工作在航行模式、作业模式、待援模式及值守模式，以下对上述四种模式下该控制系统的工作状态及启动的模块进行详细介绍：

(1) 航行模式：当水下机器人需要赶往任务点时启用航行模式，在该状态下，仅模式切换模块、主控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块和推进器电压调节模块工作，其余模块处于休眠状态。

(2) 作业模式：当水下机器人执行各种预定的作业，如水下探测、海底目标物抓取或水下图像获取时启动作业模式，相应地，水下机器人在该工作模式下功耗最大。在该工作模式下，值守控制模块处于休眠状态，模式切换模块、主控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块均处于启动状态，同时，主控制模块根据需要进行的具体作业，控制包括推进器电压调节模块、浮力调节模块、图像采集模块、机械手控制模块等功能模块进行工作，并通过水下机器人所安装的水声信号收发设备与水面控制系统进行双向通信，实现作业指令的接收及数据回传等操作。上述各个功能模块及水下设备双向通信的具体实现方式为本领域技术人员所熟知。

(3) 待援模式：当位置检测模块所获取的实时位置数据存在异常或水下机器人电量过低时启用待援模式，在该工作模式下，仅主控制模块、位置检测模块和报警模块工作，其余模块处于休眠状态；将系统中耗电量较大的各个功能模块关闭，可使得水下机器人在等待救援的过程中功耗大大降低，与此同时又能够保证主控制模块将水下机器人实时位置数据传送至水面控制系统，从而确保能够对其进行准确的救援。

(4) 值守模式：当水下机器人处于作业操作的空档期时启动值守模式，在该状态下仅值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块和报警模块工作，其余模块处于休眠状态。在本申请的实施例中，处于休眠状态的水下机器人，其位置检测模块、电量检测模块和报警模块仍处于工作状态，以保证在低功耗的状态下对水下机器人的位置、姿态、耗电情况等进行持续的监控。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，主控制模块在水下机器人处于航行模式、作业模式和待援模式的其中一种工作模式时启动，用于控制水下机器人进行与其工作模式对应的作业并与水面控制系统进行通信。

在本申请的一些实施例中，如图1所示，值守控制模块在水下机器人处于值守模式时启动，用于根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人。

相对于水声探测领域中固定设置于水底的水声应答器等同样具有低功耗或休眠模式的设备，当水下机器人处于值守模式时，除值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块和报警模块处于工作状态，水下机器人的大部分功能模块，尤其是推进器电压调节模块处于休眠状态，因此水下机器人将处于一种无动力驱动的状态，此时，由于水下复杂海流的影响，其距离水面控制系统的距离可能逐渐增加并使得其接收到的唤醒信号功率逐渐减弱，进而影响其对唤醒信号的判断，使其无法将唤醒信号与环境噪声信号进行区分，严重时将导致丢失唤醒信号、无法唤醒水下机器人以及水下机器人与水面控制系统失联的严重后果，因此，有必要提供一种能够当水下机器人处于值守模式时，能够对疑似水面控制系统发送的唤醒信号进行准确、可靠地识别的装置以及对应的识别流程。

图6示出了根据本申请的一些优选的实施例提供的值守控制模块识别唤醒信号的流程示意图。如图6所示，值守控制模块包括带通滤波电路、检波电路、能量积分电路、单片机和反馈询问电路，其根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人具体包括以下步骤：

S1：通过带通滤波电路对水声信号进行带通滤波，其中带通滤波的中心频率与唤醒信号的频率相同；

S2：通过检波电路提取经过带通滤波的水声信号的包络电压；

S3：通过能量积分电路对包络电压进行积分，得到预设时间长度的积分电压；

S4：通过单片机将积分电压分别与第一阈值电压和第二阈值电压进行比较，其中第一阈值电压大于第二阈值电压，如果积分电压大于等于第一阈值电压，则单片机控制反馈询问电路向水面控制系统发送反馈信号并启动模式切换模块和主控制模块，如果积分电压小于第一阈值电压并且大于等于第二阈值电压，则单片机控制反馈询问电路向水面控制系统发送询问信号，如果积分电压小于第二阈值电压，则单片机控制值守控制模块保持值守状态；

S5：水面控制系统如果接收到反馈信号，则发送模式切换信号；

S6：水面控制系统如果接收到询问信号且在之前一定时间间隔内发送过唤醒信号，则增大唤醒信号的功率并重新发送唤醒信号。

具体地，如图6所示，值守控制模块首先通过带通滤波电路过滤与唤醒信号频率相差过大的水声信号，此时，通过带通滤波电路的水声信号可能包括真实的唤醒信号，以及与唤醒信号频率相同或相近的环境噪声信号，接着带通滤波后的水声信号进入检波电路，通过检波电路提取信号的包络电压后，进一步通过能量积分电路对包络电压进行积分，从而得到预设时间长度的积分电压，然后由单片机对积分电压进行识别与判断，以区别真实的唤醒信号与具有相同或相近频率的环境噪声信号。具体地，在一些优选的实施例中，预设时间长度可以通过对作业海域内与唤醒信号具有相同或相近频率的环境噪声信号的实测结果进行分析确定。

使用能量积分电路对包络电压进行积分的原因在于：水面控制系统发送的唤醒信号具有持续时间长，信号幅值稳定的特点，通过对信号的包络电压进行积分，使得其积分电压能够与频率相同或将近，但持续时间较短或幅值变化较剧烈的环境噪声信号区别开来，例如，通过确定与预设时间长度对应的某一阈值电压，可以将大于该阈值电压的信号判定为唤醒信号，将小于该阈值电压的信号判定为环境噪声信号。

然而，由于海洋环境的复杂性，尤其是如前文所分析的，当水下机器人处于值守模式时，为了降低功耗，水下机器人的大部分功能模块，尤其是推进器电压调节模块处于休眠状态，因此水下机器人将处于一种无动力驱动的状态，此时水下机器人有可能在洋流的作用下逐渐远离水面控制系统，如果水面控制系统发射的唤醒信号一直保持同样的功率，随着水下机器人与水面控制系统距离的增加，可能发生真实的唤醒信号在到达值守控制模块时已经出现较大幅度的衰减，使得其在预设时间长度内的积分电压降低至单一的阈值电压以下的情况。在该种情况发生时，值守控制模块将无法区分真实的唤醒信号与同样频率的环境噪声信号，进而导致丢失唤醒信号，最终甚至使水下机器人由于无动力驱动且无法被唤醒而丢失。

为解决上述水下机器人处于值守模式时所遇到的问题，我们对识别与判断流程及值守控制模块的架构进行了改进，具体地，将单一的阈值电压改进为第一阈值电压与第二阈值电压，并增加了询问反馈电路。

当积分电压大于等于第一阈值电压时，单片机可直接将其判定为唤醒信号，此时单片机利用内部A/D模块进行采样，通过GPIO管脚高电平激活电源模块的使能管脚给主控制模块和状态切换模块上电，同时生成反馈信号，并控制反馈询问电路将其发送至水面控制系统，水面控制系统接收到反馈信号后，即说明唤醒信号已确定被接收到且模式切换模块和主控制模块已被启动，此时水面控制系统即可发送模式切换信号，从而重新设置水下机器人的工作模式。

当积分电压小于第二阈值电压时，单片机可直接判定未接收到唤醒信号，从而继续保持值守模式。

当积分电压处于第一阈值电压和第二阈值电压之间时，仅靠单片机无法区别真实的唤醒信号与相同频率或相近频率的环境噪声信号，因此单片机控制询问反馈电路向水面控制系统发送询问信号，当水面控制系统接收到询问信号时，如果其在之前一定时间间隔内发送过唤醒信号，则证明该唤醒信号已被值守控制模块接收，但由于功率不足导致值守控制模块无法确认，因此水面控制系统可增大唤醒信号的功率并重新发射唤醒信号；如果其在之前一定时间间隔内未发送过唤醒信号，则无需进行任何操作，这样，值守控制模块通过接下来的预设时间长度内积分电压是否增大至超过第一阈值电压，即可区分真实的唤醒信号与环境噪声信号。

显而易见地，对于水面控制系统增大唤醒信号的功率的情况，如果其增大功率后的积分电压仍未超过第一阈值电压，则可能发生值守控制模块多次发送询问信号及水面控制系统多次增大唤醒信号的功率的情况，为了减少询问次以降低值守控制模块的功耗，在本申请的一些优选的实施例中，所述询问信号中包括积分电压的数值信息；所述增大唤醒信号的功率，具体为使唤醒信号的增大后的功率与原功率的比值大于等于第一阈值电压与积分电压的比值。水面控制系统在获取询问信号中的积分电压信息后，根据第一阈值电压与积分电压的比值，即可确定需要将唤醒信号的功率扩大的倍率，以保证增大功率后的唤醒信号能够被值守控制模块准确地识别。

图7示出了根据本申请的一些优选的实施例的值守控制模块的电路原理图。如图7所示，值守控制模块由带通滤波电路、检波电路、能量积分电路、MSP430单片机及其外围电路以及询问反馈电路构成。其中，MSP430通过外接 8MHz 和 32.768k Hz 晶振为其核心管脚和RTC提供时序，选用高线性度、低噪声、低干扰的数模转换器DAC8831根据阈值判断结果生成反馈信息和询问信息，降低了功率消耗和由缓冲器引入的误差，同时基于AD8641运算放大器构造询问反馈电路，对反馈信号和询问信号进行放大，并通过水下机器人所安装的水声信号收发设备将其发送至水面控制系统，MSP430中的GPIO管脚P1.5作为内部电压信息传输管脚；GPIO管脚P1.6作为电源模块的电平控制管脚，GPIO管脚P1.7作为实时位置数据接收管脚；GPIO管脚P4.0作为位置数据对比结果信号输出管脚和报警信号反馈管脚。

在本申请的一些优选的实施例中，如图1所示，位置检测模块用于对水下机器人的位置信息进行检测，根据水下机器人所处的工作模式将所述位置信息上传到主控制模块或值守控制模块，并由主控制模块或值守控制模块生成位置对比结果信号；电量检测模块用于对水下机器人的内部电量进行检测并生成电量对比结果；报警模块用于根据接收到的位置对比结果和电量对比结果判断是否需要进行报警操作，如果判断结果为是则进行报警操作。

在本申请的一些优选的实施例中，位置检测模块进行的检测包括深度检测和姿态检测。对水下机器人进行深度检测，一般考虑使用压力传感器，在本实施例中，考虑到功耗、成本和精度，采用MS5837-30BA压力传感器用来进行深度检测，采用IIC的通信方式与主控制模块和值守控制模块通信；使用MPU9255芯片提供姿态，该芯片内部结合了加速度计、陀螺仪和磁力计三种类型的传感器。同样使用IIC进行通信。当水下机器人处于航行模式、作业模式和待援模式时，MPU9255的IIC接口SDA、SCL通过一个10K的上拉电阻与主控制模块相连接，此时位置检测模块将实时采集到的水深、姿态数据上传到主控制模块；当水下机器人处于值守状态时，上述传感器和芯片的INT引脚连接值守控制模块的MSP430的一个I/O口（P1.7），此时位置检测模块将实时采集到的水深、姿态数据上传到值守控制模块。

图8示出了根据本申请的一些优选的实施例的电量检测模块的电路原理图。由于水下机器人长期处于水下，必须有专门的模块对内部各个模块的电量情况进行检测(具体地，可通过对各个模块的输入电压进行检测以判断剩余电量是否充足)，从而判断水下机器人在水下的工作状态和可以持续工作的时间，因此必须有一个稳定的电压监控电路。如图8所示，电量检测模块采用IIC通信协议的电压监控芯片和隔离芯片与MSP430主芯片通信组成电量检测模块。电压监控芯片采用LTC4151，是一款高端电源监控芯片。工作电压范围7V-80V，电压监控和电流监控的结果都以12位IIC数据形式进行传输。在关机状态下，LTC4151的静态工作电流低至120ɥA，满足了本设计低功耗的基本需求。由于水下机器人内部需要检测的电压各不相同，为了不同电路系统之间的数据通信，本设计中在LTC4151和MSP430通信电路中加入了隔离芯片。隔离芯片采用ADUM1250，是一款低功耗、支持热插拔的IIC通信协议双向通信非自锁数字隔离器。通过磁隔离技术实现隔离，具有很强的抗干扰能力。

LTC4151芯片的2、3管脚分别连接主控制模块芯片I/O管脚和单片机MSP430 I/O管脚，对应监管着航行模式、作业模式和待援模式下以及值守模式下的内部电压值。ADUM1250芯片的管脚2通过IIC串行通信协议与报警模块相连。电量检测模块比较当前水下机器人在各个工作模式下内部电压是否低于预先设定的低电压阈值，并将比较结果作为电量对比结果发送给报警模块。

图9示出了根据本申请的一些优选的实施例的报警模块的电路原理图。如图9所示，报警模块在控制模块（包括主控制模块和单片机值守与控制模块）输出的位置对比结果存在异常和电量检测模块输出的电量对比结果存在异常时进行报警操作。报警模块主要依靠PIC16F877单片机完成，该单片机RB、RC分别具有8个引脚的输入/输出可编程接口，每个I/O口能提供或吸收20mA的电流，能直接驱动发光二极管和固态继电器。电量检测模块的电量对比结果信号D、主控制模块输出的位置对比结果信号E和值守控制模块输出的位置对比结果信号F经输入管脚RB6、RB7、和RC7输入单片机，通过预设的程序进行综合分析来实现报警操作。

具体地，除值守模式下，当电量对比结果或位置对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式以外的任意一种模式时，报警模块通过B口的RB3和RB4将产生的报警信号传递给主控制模块，由主控制模块向水面控制系统发送报警信号，水面控制系统在接收到报警信号后发送救援信号，使得水下机器人进入待援模式；

值守模式下，当电量对比结果存在异常时，报警模块通过C口的RC0和RC6将产生的报警信号传递给值守控制模块，值守控制模块唤醒主控制模块和模式切换模块，由主控制模块向水面控制系统发送报警信号，水面控制系统在接收到报警信号后发送救援信号，使得水下机器人进入待援模式。

除了上述情况下报警信号通过报警操作使水下机器人进入待援模式外，当水下机器人处于值守模式时，如果受到洋流等影响发生位置、姿态偏离等现象，使得位置对比结果与休眠前一时刻相差较大时，控制系统应使水下机器人结束休眠后不是被动地等待救援，而是主动向水面控制系统靠近，为实现上述目的，在本申请的一些优选的实施例中，水下机器人的工作模式还包括返航模式，具体地，在值守模式下，当位置对比结果存在异常时，报警模块通过C口的RC0和RC6将产生的报警信号传递给值守控制模块，值守控制模块唤醒主控制模块并进入返航模式，当水下机器人处于返航模式时，主控制模块控制推进器电压调节模块，驱动水下机器人向水面控制系统的方向运动。

图10示出了根据本申请的一些优选的实施例的推进器电压调节模块的电路原理图。如图10所示，本申请的水下机器人采用无刷直流电机作为水下推进器。推进器采用rovmaker的水下机器人无刷直流电机，电调采用rovmaker的30A电调，频率为50Hz，电调PWM控制范围在1000-2000，其主控芯片为F390，反应速度极快，体型小巧，性能稳定，配置电流为30A，且为双向，能够完美地驱动推进器。由于主控制模块输出的PWM电平为3.3V，而电调需要的PWM波为5V，所以需要电压调节电路实现将6路PWM波的电平转化。

具体地，电压调节电路通过运放搭建，电路中芯片分别采用AD8227和OP777，该类放大器相比于其他放大器有着更高的电源利用率。AD8227仪表放大器通过一个外置电阻AD8227可以实现5到1000倍的增益范围，供电电压范围非常宽：单电源2.2V到36V，双电源

，典型工作状态下电流低至350ɥA，输入噪声低至

。OP777精密微功耗单电源运算放大器的失调电压最大仅为1000ɥV，输入偏置电流最大为10nA，单电源供电电压范围从3.0V到30V，电源供电电流最大仅为300ɥA/Amp，单位增益稳定，无反向。

在本申请的实施例中，电源模块为水下机器人各个功能模块供电，值守模式下，当报警模块产生报警信号或值守控制模块判断接收到唤醒信号时，值守控制模块利用MSP430内部 A/D 模块进行采样，通过GPIO管脚高电平激活电源模块的使能管脚给主控制模块和模式切换模块上电。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种低功耗智能水下机器人控制系统，包括模式切换模块、主控制模块、值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块、推进器电压调节模块和电源模块，其特征在于：

模式切换模块用于根据水面控制系统发送的模式切换信号切换水下机器人的工作模式，所述模式切换信号包括航行信号、作业信号、值守信号和救援信号，所述工作模式包括航行模式、作业模式、值守模式和待援模式；

主控制模块在水下机器人处于航行模式、作业模式和待援模式的其中一种工作模式时启动，用于控制水下机器人进行与其工作模式对应的作业并与水面控制系统进行通信；

值守控制模块在水下机器人处于值守模式时启动，用于根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人；

位置检测模块用于对水下机器人的位置信息进行检测，根据水下机器人所处的工作模式将所述位置信息上传到主控制模块或值守控制模块，并由主控制模块或值守控制模块生成位置对比结果信号；

电量检测模块用于对水下机器人的内部电量进行检测并生成电量对比结果；

报警模块用于根据接收到的位置对比结果和电量对比结果判断是否需要进行报警操作，如果判断结果为是则进行报警操作；

推进器电压调节模块用于在主控制模块的控制下对推进器电机的电压进行调节；

电源模块用于对水下机器人的各个模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

水下机器人处于作业模式时，值守控制模块处于休眠状态，其余各个模块处于工作状态；

水下机器人处于航行模式时，模式切换模块、主控制模块、位置检测模块、电量检测模块、报警模块和推进器电压调节模块处于工作状态，其余各个模块处于休眠状态；

水下机器人处于值守模式时，值守控制模块、位置检测模块、电量检测模块和报警模块处于工作状态，其余各个模块处于休眠状态；

水下机器人处于待援模式时，主控制模块、位置检测模块和报警模块处于工作状态，其余各个模块处于休眠状态。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述模式切换模块包括滤波电路、信号持续时间判别电路和模式选择电路；

所述根据水面控制系统发送的模式切换信号切换水下机器人的工作模式，具体包括以下步骤：

A1：通过滤波电路对水声信号进行滤波，提取其中与各个模式切换信号的频率相同的信号；

A2：通过信号持续时间判别电路对提取出的信号进行时间积分，根据时间积分结果判断是否接收到模式切换信号，如果判断结果为是，则将对应的频率信息发送到模式选择电路；

A3：模式选择电路根据接收到的频率信息切换水下机器人的工作模式。

4.根据权利要求3所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述信号持续时间判别电路选用高精度时间间隔测量芯片，并在外围电路设置用于校准的高速时钟；

所述信号持续时间判别电路还包括能够自动控制开启时间的振荡器。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述值守控制模块包括带通滤波电路、检波电路、能量积分电路、单片机和反馈询问电路；

所述根据水面控制系统发送的唤醒信号唤醒水下机器人具体包括以下步骤：

S1：通过带通滤波电路对水声信号进行带通滤波，其中带通滤波的中心频率与唤醒信号的频率相同；

S2：通过检波电路提取经过带通滤波的水声信号的包络电压；

S3：通过能量积分电路对包络电压进行积分，得到预设时间长度的积分电压；

S4：通过单片机将积分电压分别与第一阈值电压和第二阈值电压进行比较，其中第一阈值电压大于第二阈值电压，如果积分电压大于等于第一阈值电压，则单片机控制反馈询问电路向水面控制系统发送反馈信号并启动模式切换模块和主控制模块，如果积分电压小于第一阈值电压并且大于等于第二阈值电压，则单片机控制反馈询问电路向水面控制系统发送询问信号，如果积分电压小于第二阈值电压，则单片机控制值守控制模块保持值守状态；

S5：水面控制系统如果接收到反馈信号，则发送模式切换信号；

S6：水面控制系统如果接收到询问信号且在之前一定时间间隔内发送过唤醒信号，则增大唤醒信号的功率并重新发送唤醒信号。

6.根据权利要求5所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述询问信号中包括积分电压的数值信息；

所述增大唤醒信号的功率，具体为使唤醒信号的增大后的功率与原功率的比值大于等于第一阈值电压与积分电压的比值。

7.根据权利要求1所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述工作模式还包括返航模式，水下机器人处于返航模式时，主控制模块控制推进器电压调节模块，驱动水下机器人向水面控制系统的方向运动。

8.根据权利要求7所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于，所述报警操作具体为：

当电量对比结果或位置对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式以外的任意一种模式时，报警模块将报警信号发送到主控制模块，由主控制模块向水面控制系统发送报警信号，水面控制系统在接收到报警信号后发送救援信号；

当电量对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式时，报警模块将报警信号发送到值守控制模块，值守控制模块唤醒主控制模块和模式切换模块，由主控制模块向水面控制系统发送报警信号，水面控制系统在接收到报警信号后发送救援信号；

当位置对比结果存在异常且水下机器人处于值守模式时，报警模块将报警信号发送到值守控制模块，值守控制模块唤醒主控制模块，由主控制模块启动推进器电压调节模块并进入返航模式。

9.根据权利要求1所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述电量检测模块包括主芯片、电压监控芯片和隔离芯片；

所述电压监控芯片的工作电压范围为7V~80V，电压监控和电流监控的结果以12位IIC的数据形式进行传输；

所述隔离芯片为低功耗，支持热插拔的IIC通信协议双向通信非自锁数字隔离器。

10.根据权利要求1所述的一种低功耗智能水下机器人控制系统，其特征在于：

所述推进器电压调节模块使用运算放大器芯片将主控制模块输出的PWM信号放大为与推进器电调匹配的PWM信号；

所述推进器电压调节模块还包括外置电阻，用于扩大增益范围，所述增益范围为5~1000。

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