CN208439407U - 一种智能水下机器人装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能水下机器人装置，它包括：微控制器模块与电源稳压供电模块、云台摄像头、输入模块、输出模块、传感器模块、实时时钟模块以及存储模块连接；控制箱与电源箱、无线网络模块以及通讯模块连接；电源稳压供电模块还与SPK转换模块、云台摄像头以及通讯模块连接；SPK转换模块还与输入模块和通讯模块连接；输出模块还与电机调制模块连接；电机调制模块还与电机和通讯模块连接。本实用新型可在水下进行自动导航、定位、传感和有线无线通信。

Description

一种智能水下机器人装置

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是一种智能水下机器人装置。

背景技术

进入21世纪后，人类强烈感受到陆地资源日趋紧张的压力，海洋是能源、生物资源和金属资源的重要基地，海洋资源将成为人类可持续发展的战略性目标，是人类未来的希望。随着人类对海洋资源的考查和开发的步伐不断加快，在水下探测、水下工程、水下搜救、水产养殖等一些水下危险恶劣的工作环境下，人工有时是无法完成的，而水下机器人却能胜任，但目前的水下机器人普遍存在无导航定位或定位精度不高，无水下无线通讯、视频分辨率低模糊等。

为了有效解决上述问题，提出来了一种可水下自动导航的智能化水下机器人装置。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的就是提供一种智能水下机器人装置，能够在水下进行自动导航的智能水下机器人装置。

本实用新型的目的是通过这样的技术方案实现的，一种智能水下机器人装置，它包括有：微控制器模块、控制箱、电源稳压供电模块、电源箱、SPK转换模块、云台摄像头、输入模块、输出模块、传感器模块、实时时钟模块、无线网络模块、电机调制模块、电机、通讯模块、存储模块以及上位机；

所述微控制器模块与所述电源稳压供电模块、云台摄像头、输入模块、输出模块、传感器模块、实时时钟模块以及存储模块连接；

所述控制箱与所述电源箱、无线网络模块以及通讯模块连接；

所述电源稳压供电模块还与所述SPK转换模块、云台摄像头以及通讯模块连接；

所述SPK转换模块还与所述输入模块和通讯模块连接；

所述输出模块还与所述电机调制模块连接；

所述电机调制模块还与所述电机和通讯模块连接。

进一步，所述电源稳压供电模块包括有第一稳压电路和第二稳压电路；

所述第一稳压电路能将市电220V稳压至直流5V；所述第二稳压电路能将直流5V稳压至直流3.3V。

进一步，当电机调制模块中的PWM信号占空比低于37％时，电机不转动，此时电机为锁定状态；

当电机调制模块中的PWM信号占空比为37％时，电机进入低速转动模式；

当电机调制模块中的PWM信号占空比为48％时，电机进入高速转动模式。

进一步，所述通讯模块可外接电源。

进一步，所述微控制器模块为STM32系列单片机。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

(1)采用标准化的接口，布线简洁明了，生产效率高；

(2)通过装置的各组建模块化控制成本，采用先进的微控制器和数据处理技术来提高传输效率和可靠性，不仅降低了生产成本，还提高了传输效率和可靠性；

(3)采用高质量无刷直流电机和先进的无刷控制电和算法，实现装置动力强劲、控制精准、可靠性高的优点；

(4)通过高精密光纤陀螺仪传感器、重力传感器、地磁传感器和压力传感器的数据融合技术，可实现水下自动导航和精确定位，能准确实时准确了解装置的位置；

(5)通过1080P高分辨CCD摄像头获取高清图像数据，经过压缩加密算法，实现图像数据高效实时传输和数据存储；

(6)通过远程供电、运动姿态遥控数据、视频图像数据传输线路的电力载波传输融合技术的电力宽带功能，实现2芯电缆供电、遥控指令控制和视频数据传输三结合，既提高效率，又降低成本。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。

附图说明

本实用新型的附图说明如下：

图1为智能水下机器人装置的原理框图。

图2为智能水下机器人装置的微控制器电路连接示意图。

图3为智能水下机器人装置的高精度惯性导航电路连接示意图。

图4为智能水下机器人装置的电机调制模块中第一部分电路连接示意图。

图5为智能水下机器人装置的电机调制模块中第二部分电路连接示意图。

图6为智能水下机器人装置的电机调制模块中第三部分电路连接示意图。

图7为智能水下机器人装置的电机调制模块中第四部分电路连接示意图。

图8为智能水下机器人装置的通讯接口中第一部分电路连接示意图。

图9为智能水下机器人装置的通讯接口中第二部分电路连接示意图。

图10为智能水下机器人装置中的第一稳压电路连接示意图。

图11为智能水下机器人装置中的第二稳压电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1至图11所示；一种智能水下机器人装置，它包括有：微控制器模块1、控制箱2、电源稳压供电模块3、电源箱4、SPK转换模块5、云台摄像头6、输入模块7、输出模块8、传感器模块9、实时时钟模块10、无线网络模块11、电机调制模块12、电机13、通讯模块14、存储模块15以及上位机16；

所述微控制器模块1与所述电源稳压供电模块3、云台摄像头6、输入模块7、输出模块8、传感器模块9、实时时钟模块10以及存储模块15连接；

所述控制箱2与所述电源箱4、无线网络模块11以及通讯模块14连接；

所述电源稳压供电模块3还与所述SPK转换模块5、云台摄像头6以及通讯模块14连接；

所述SPK转换模块5还与所述输入模块7和通讯模块14连接；

所述输出模块8还与所述电机调制模块12连接；

所述电机调制模块12还与所述电机13和通讯模块14连接。

所述电源稳压供电模块3包括有第一稳压电路和第二稳压电路；

所述第一稳压电路能将市电220V稳压至直流5V；所述第二稳压电路能将直流5V稳压至直流3.3V。

当电机调制模块12中的PWM信号占空比低于37％时，电机不转动，此时电机为锁定状态；

当电机调制模块12中的PWM信号占空比为37％时，电机进入低速转动模式；

当电机调制模块12中的PWM信号占空比为48％时，电机进入高速转动模式。

所述通讯模块14可外接电源。

所述微控制器模块为STM32系列单片机。

本实用新型采用标准化的接口，布线简洁明了，生产效率高；通过装置的各组建模块化控制成本，采用先进的微控制器和数据处理技术来提高传输效率和可靠性，不仅降低了生产成本，还提高了传输效率和可靠性；采用高质量无刷直流电机和先进的无刷控制电和算法，实现装置动力强劲、控制精准、可靠性高的优点；通过高精密光纤陀螺仪传感器、重力传感器、地磁传感器和压力传感器的数据融合技术，可实现水下自动导航和精确定位，能准确实时准确了解装置的位置；通过1080P高分辨CCD摄像头获取高清图像数据，经过压缩加密算法，实现图像数据高效实时传输和数据存储；通过远程供电、运动姿态遥控数据、视频图像数据传输线路的电力载波传输融合技术的电力宽带功能，实现2芯电缆供电、遥控指令控制和视频数据传输三结合，既提高效率，又降低成本。

实施例2：如图1至图11所示；一种智能水下机器人装置，它包括有：微控制器模块1、控制箱2、电源稳压供电模块3、SPK转换模块5、云台摄像头模块6、输入模块7、输出模块8、传感器模块9、实时时钟模块10、无线网络通讯模块11、电机调制模块12、电机组13、外接电源/通讯模块14、数据存储模块15以及上位机16。

外接电源/通讯模块14的电源输出端口P1与电源稳压供电模块3的输入端P3连接；

外接电源/通讯模块14的信号输出端口P2与SPK转换模块5接口P4连接；

电机调制模块12的电源接口P5与外接电源/通讯模块14的电源输出端口P1连接；

微控制器模块1的电源接口P6与电源稳压供电模块3的第一输出端P71连接；

云台摄像头模块6的电源接口P8与电源稳压供电模块3的第二输出端P72连接；

SPK转换以太网模块5的电源接口P9与电源稳压供电模块3的第三输出端P73连接；

微控制器模块1的SPI接口P10与传感器模块9的P11接口连接；

微控制器模块1的I2C接口P12与实时时钟模块10的P13接口连接；

微控制器模块1的SPI接口P14与数据存储模块15的P15接口连接；

微控制器模块1的GPIO接口P18与输入模块7的P19接口连接；

微控制器模块1的GPIO接口P20与输出模块8的P21接口连接；

输出模块8的P22接口与电机调制模块12的PWM接口P23连接；

SPK转换模块5的输出接口P24与输入模块7的输入/输出接口P25连接；

云台摄像头模块6的DCMI接口P28与微控制器模块1的DCMI接口P29连接；

电机调制模块12的电机相线输出接口P30与电机组13相线输入接口P31连接；

控制箱2通过零浮力缆线P26与外接电源/通讯模块14的信号输入端口P6连接；

无线网络通讯模块11的接口P35与控制箱P34接口连接；无线无线网络通讯模块11的接口P50还与上位机16的接口P60连接。

工作时，外部供电经过电源稳压供电模块3给微控制器模块1、输入模块7、输出模块8、无线网络通讯模块11、电机调制模块12和云台摄像头模块6供电。

微控制器模块1通过UART口与后台通讯，接收到后台发出的指令后，通过微控制器UART口及SPK转换模块5发送或执行指令。

本实用新型采用了ST公司最新微控制处理器STM32H743ZIT6作为装置的控制核心，该微控制器是基于ARM公司Cortex-M7架构的超高性能、多功能、低功耗的32位微处理器，高性能的主控能运算速度快、存储容量大、接口丰富、能快速完成数据融合算法计算、精确实现对系统装置的大量数据传输与控制。在本系统中，各电路模块化、集中化，既是提高稳定性和可靠性，又使整机缩小化，外观精致。

如图3所示，U3是融合了角速度、加速度、地磁和压力感知于一体的10轴高精度传感器，3.3V供电，3.3V连接到供电电路，传感器感知的10轴数据通过I2C接口传输至微控制器。

工作时，U3传感器能够探测地球自转3轴角速度、地球3轴重力加速度、地球3轴地磁场和水的压力，通过前面9轴数据融合算法实现装置的精确惯性导航平面定位，而压力传感器测量装置位置的水压，实现装置深度定位。

如图4至图7所示，电机驱动模块是由微控制器芯片和一系列电阻、电容、电感和MOS管组成，其中PWM的输入端连接到单片机输出模块的PWM输出端，电机的驱动端连接到三相无刷电机的输入端。驱动电路的12V供电口接到电源模块的12V输出端。综合电机的相数、连接方式与工作性能的关系，本系统采用三项星形全桥驱动方式，采用6个N沟道的MOS管，高电平导通，控制方式采用二二导通和三三导通。

工作时，当PWM信号占空比低于37％时电机不转动，此时为锁定状态；当PWM信号占空比为37％时电机为低速转动模式；当PWM信号占空比为48％时电机为高速转动模式。

工作时，当电调模块上的微控制器的PB0端口接收到PWM信号后，经过预先编写的程序，在PB1、PB2、PB3和PD2、PD3、PD4输出相应的H桥驱动信号，每一项由2个N型半导体构成，当微控制器接受到主控器发送的驱动信号时，在PB1、PB2、PB3和PD2、PD3、PD4输出驱动H桥的电平信号，当开关管T导通时，H产生接到控制信号时，产生驱动电机的三相电流，当A+B-、C+B-、C+A-、B+A-、B+C-、A+C-时电机转动，同时电机转速由输入的电流大小有关，即与输入控制器的PWM信号占空比有着直接的关系。

如图8和图9所示，电力线载波(PLC)通信是利用现有电力线(零浮力缆线)，通过载波方式将数字信号进行传输。该系统以微控制器为核心实现系统的智能控制。因为数据仅在有限控制范围内传输，束缚PLC应用的五大困扰将不复存在，远程对系统的控制我们也能通过传统网络先连接到PC然后再将控制信号发送给微处理器实现远程控制系统。该系统中要求与PC通过电力线通信终端连接完成数据传输功能，能够在电力线(零浮力缆线)环境下稳定传输数据，具有较强抗干扰能力。

如图10和图11所示，所述第一稳压电路能将市电220V稳压至直流5V；所述第二稳压电路能将直流5V稳压至直流3.3V。

本实用新型采用标准化的接口，布线简洁明了，生产效率高；通过装置的各组建模块化控制成本，采用先进的微控制器和数据处理技术来提高传输效率和可靠性，不仅降低了生产成本，还提高了传输效率和可靠性；采用高质量无刷直流电机和先进的无刷控制电和算法，实现装置动力强劲、控制精准、可靠性高的优点；通过高精密光纤陀螺仪传感器、重力传感器、地磁传感器和压力传感器的数据融合技术，可实现水下自动导航和精确定位，能准确实时准确了解装置的位置；通过1080P高分辨CCD摄像头获取高清图像数据，经过压缩加密算法，实现图像数据高效实时传输和数据存储；通过远程供电、运动姿态遥控数据、视频图像数据传输线路的电力载波传输融合技术的电力宽带功能，实现2芯电缆供电、遥控指令控制和视频数据传输三结合，既提高效率，又降低成本。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种智能水下机器人装置，其特征在于，所述装置包括有：微控制器模块(1)、控制箱(2)、电源稳压供电模块(3)、电源箱(4)、SPK转换模块(5)、云台摄像头(6)、输入模块(7)、输出模块(8)、传感器模块(9)、实时时钟模块(10)、无线网络模块(11)、电机调制模块(12)、电机(13)、通讯模块(14)、存储模块(15)以及上位机(16)；

所述微控制器模块(1)与所述电源稳压供电模块(3)、云台摄像头(6)、输入模块(7)、输出模块(8)、传感器模块(9)、实时时钟模块(10)以及存储模块(15)连接；

所述控制箱(2)与所述电源箱(4)、无线网络模块(11)以及通讯模块(14)连接；

所述电源稳压供电模块(3)还与所述SPK转换模块(5)、云台摄像头(6)以及通讯模块(14)连接；

所述SPK转换模块(5)还与所述输入模块(7)和通讯模块(14)连接；

所述输出模块(8)还与所述电机调制模块(12)连接；

所述电机调制模块(12)还与所述电机(13)和通讯模块(14)连接。

2.如权利要求1所述的智能水下机器人装置，其特征在于，所述电源稳压供电模块(3)包括有第一稳压电路和第二稳压电路；

所述第一稳压电路能将市电220V稳压至直流5V；所述第二稳压电路能将直流5V稳压至直流3.3V。

3.如权利要求1所述的智能水下机器人装置，其特征在于，

当电机调制模块(12)中的PWM信号占空比低于37％时，电机不转动，此时电机为锁定状态；

当电机调制模块(12)中的PWM信号占空比为37％时，电机进入低速转动模式；

当电机调制模块(12)中的PWM信号占空比为48％时，电机进入高速转动模式。

4.如权利要求1所述的智能水下机器人装置，其特征在于，所述通讯模块(14)可外接电源。

5.如权利要求1所述的智能水下机器人装置，其特征在于，所述微控制器模块为STM32系列单片机。