專利名稱：水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于傳感技術(shù)，涉及一種針對(duì)水下作業(yè)目標(biāo)的水下接近覺(jué)傳感器。
背景技術(shù)：
水下機(jī)器人、水下工程機(jī)械和其它水下裝備在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重大 的作用。例如在海洋勘探方面，需要利用水下機(jī)器人進(jìn)行采樣作業(yè)；在救生及安全保障領(lǐng) 域，需要排除障礙物或剪切電線、纏繞物等作業(yè)等等。在上述這些對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行抓取、剪 切等作業(yè)過(guò)程中，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤及定位，這是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行各種水下作業(yè)的一個(gè)重要 步驟環(huán)節(jié)。目前水下目標(biāo)跟蹤定位常采用的方法有光視覺(jué)，通常的包括單目視覺(jué)、雙目視 覺(jué)；激光測(cè)距與視覺(jué)傳感器信息融合方法；利用前視聲納或側(cè)掃聲納以及采用聲納相控陣 等方法。上述傳感器及跟蹤定位方法在水下作業(yè)環(huán)境中存在的問(wèn)題是視覺(jué)傳感器雖然具 有較高的分辨率，但由于需要另配照明用光源，對(duì)搭載能力及能源有限的水下作業(yè)設(shè)備而 言是一個(gè)較大的局限；前視聲納或側(cè)掃聲納的主要問(wèn)題在于分辨率低，而高分辨率的3D成 像聲納價(jià)格昂貴且體積、重量多不適合中小型水下作業(yè)設(shè)備采用。上述方法的另一個(gè)問(wèn)題 在于，目標(biāo)的定位主要是基于光成像或聲成像分析，因而其實(shí)時(shí)性能受圖像處理速度的限 制。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種水下測(cè)距跟蹤用 接近覺(jué)傳感器，該傳感器成本低，體積小，重量輕，適用于各型水下裝置、定位精度高且實(shí)時(shí) 性好的水下目標(biāo)定位跟蹤。本實(shí)用新型提供的一種水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，其特征在于該接近覺(jué)傳 感器包括接近覺(jué)陣列、發(fā)射電路、接收電路、輔助電路和主控電路；輔助電路分別與發(fā)射電路、接收電路和主控電路相連，為它們提供工作電壓，并為 接近覺(jué)傳感器提供通訊接口；接近覺(jué)陣列由三個(gè)超聲探頭構(gòu)成，各超聲探頭的軸線之間的夾角為10° 15° ；發(fā)射電路與接近覺(jué)陣列的信號(hào)輸入端相連，接近覺(jué)陣列的信號(hào)輸出端與接收電路 的輸入端相連，接收電路的輸出端與主控電路相連；主控電路分別與發(fā)射電路、接收電路和輔助電路相連，對(duì)它們進(jìn)行控制；發(fā)射電路產(chǎn)生正弦信號(hào)經(jīng)接近覺(jué)陣列發(fā)射；接近覺(jué)陣列接收的經(jīng)目標(biāo)物體反射的 正弦回波信號(hào)提供給接收電路，接收電路對(duì)正弦回波信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配、信號(hào)放大和幅值 及時(shí)間濾波后產(chǎn)生中斷信號(hào)提供給主控電路，主控電路對(duì)對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行處理，得到目標(biāo) 物體的距離信息和方位信息。本實(shí)用新型將發(fā)射電路、接收電路、輔助電路和主控電路集成在一起，使得接近覺(jué) 傳感器整體尺寸小、重量輕，適用于各型水下機(jī)器人及作業(yè)工具；由三個(gè)超聲探頭構(gòu)成的接近覺(jué)陣列，通過(guò)輪流收發(fā)，可以獲得其扇形覆蓋工作區(qū)內(nèi)目標(biāo)物體的方位信息；通過(guò)中斷信 號(hào)的時(shí)間間隔換算，得到目標(biāo)的距離信息；通過(guò)通訊接口將上述得到的目標(biāo)物體距離信息 和方位信息傳遞給水下作業(yè)工具，從而定位跟蹤目標(biāo)。

圖1是水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器的電路方框圖；圖2是接近覺(jué)陣列的布置示意圖；圖3是本實(shí)用新型一種實(shí)施例的示意圖；圖4是目標(biāo)方位的判定示意圖；圖5是水下接近覺(jué)裝置工作流程圖。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說(shuō)明本實(shí)用新型，但以下實(shí)施例僅是說(shuō)明性的， 本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。如圖1所示，本實(shí)用新型提供的水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器包括接近覺(jué)陣列 1、發(fā)射電路2、接收電路3、輔助電路4和主控電路5。如圖2所示，接近覺(jué)陣列1由三個(gè)收發(fā)探頭組成，其覆蓋區(qū)域有部分重疊，整個(gè)波 束覆蓋面呈扇形；并且與第一、第二通道選擇電路24、31連接，其功能是將超聲波束發(fā)射和 將回波接收。發(fā)射電路2包括信號(hào)發(fā)生電路21、發(fā)射控制電路22、探頭諧振電路23和通道選擇 電路24。信號(hào)發(fā)生電路21依次通過(guò)發(fā)射控制電路22、探頭諧振電路23和第一通道選擇電 路24相連。信號(hào)發(fā)生電路21產(chǎn)生方波信號(hào)經(jīng)放大分頻后得到合適的頻率及幅值、且經(jīng)諧振 電路變換波形并升壓，再通過(guò)第一通道選擇電路傳送至接近覺(jué)陣列1，由接近覺(jué)陣列1發(fā) 射。接收電路3包括依次相連的第二通道選擇電路31、阻抗變換電路32、中頻放大電 路33、信號(hào)諧振電路34和濾波電路35。第二通道選擇電路31將接近覺(jué)陣列1接收到的回波信號(hào)提供給阻抗變換電路32， 進(jìn)行阻抗匹配后再經(jīng)信號(hào)放大，幅值和時(shí)間濾波后產(chǎn)生可供處理器識(shí)別的中斷信號(hào)，并提 供給微處理器51。輔助電路4包括電源41、IXD42和通信接口電路43 ；電源41分別與主控電路5、發(fā) 射電路2、接收電路3各芯片相應(yīng)引腳連接，其功能是提供各部分所要求電壓。主控電路5包括微控制器51和外部高頻晶振52。外部高頻晶振52為微控制器 51提供高頻時(shí)鐘源，微控制器51分別與發(fā)射控制電路22、第一通道選擇電路24、第二通道 選擇電路31和濾波電路35連接，并與輔助電路的電源41、通信接口電路43及IXD42相連。 微控制器51的功能是發(fā)出指令，使各部分按一定時(shí)序得以執(zhí)行，并接收外部中斷、計(jì)算回 波時(shí)間并轉(zhuǎn)換為目標(biāo)的距離值。本實(shí)用新型的工作原理為(1)信號(hào)發(fā)生電路21產(chǎn)生方波信號(hào)，經(jīng)發(fā)射控制電路22放大分頻后得到合適的頻率及幅值，經(jīng)探頭諧振電路23變換波形并升壓，通過(guò)第一選擇發(fā)射通道24，最后由接近覺(jué) 陣列1發(fā)射。(2)接近覺(jué)陣列1的三個(gè)探頭輪流收發(fā)一次稱為一個(gè)工作周期，其一個(gè)工作周期 的目標(biāo)測(cè)距值不僅提供了目標(biāo)距離信息，而且包含了目標(biāo)相對(duì)于三探頭的方位信息。(3)在水下工作時(shí)，接近覺(jué)陣列1接收到的信號(hào)很微弱，噪聲信號(hào)又比較強(qiáng)，因此， 接近覺(jué)陣列1接收的回波信號(hào)經(jīng)第二通道選擇電路31返回后，采用阻抗變換電路32 (如場(chǎng) 效應(yīng)管)進(jìn)行阻抗變換，再由中頻放大電路33進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)中仍然夾雜其他頻 率的噪聲，故在中頻放大輸出端接信號(hào)諧振電路34對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪放大；然后再一次經(jīng)濾 波電路35進(jìn)行幅值與時(shí)間濾波后產(chǎn)生可供微處理器51識(shí)別的中斷信號(hào)，該中斷信號(hào)包括 目標(biāo)距離信息和方位信息。(4)微處理器51控制發(fā)射控制電路22的發(fā)射的周波數(shù)，第一、第二通道選擇電路 的通道選擇，以及濾波電路35的幅值與時(shí)間濾波電路中關(guān)門信號(hào)。微處理器51對(duì)中斷信 號(hào)進(jìn)行處理，目標(biāo)距離信息由中斷信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算得到、方位信息由中斷信號(hào)產(chǎn)生的 通道選擇標(biāo)志位判斷獲取。(5)目標(biāo)信息通過(guò)通信接口電路43傳給水下工具，使之能實(shí)時(shí)跟蹤作業(yè)目標(biāo)。下面舉一典型的采用水下接近覺(jué)傳感器進(jìn)行目標(biāo)定位跟蹤的實(shí)例如圖3所示，對(duì)于水下作業(yè)機(jī)械手100而言接近覺(jué)傳感器200安裝在腕部，傳感器 所發(fā)射的超聲波成扇形覆蓋工作區(qū)。傳感器三個(gè)探頭輪流收發(fā)一次稱為一個(gè)工作周期，當(dāng) 目標(biāo)物體300在某個(gè)探頭的工作覆蓋區(qū)時(shí)，其探測(cè)到的目標(biāo)距離值由超聲波在水中的傳播 時(shí)間計(jì)算得到；當(dāng)沒(méi)有回波返回時(shí)，表明目標(biāo)不在此工作覆蓋區(qū)。因此，接近覺(jué)傳感器不僅 根據(jù)回波時(shí)間測(cè)得目標(biāo)距離值，而且根據(jù)一周期內(nèi)三探頭值的有無(wú)也可判斷出目標(biāo)相對(duì)傳 感器探頭的方向，如圖4所示，其中0表示無(wú)回波信號(hào)、1表示有回波。本發(fā)明的工作流程如圖5所示1.啟動(dòng)程序初始化完畢。2.為節(jié)省功耗，在等待時(shí)，控制器應(yīng)運(yùn)行在低功耗模式。3.在接收到上位機(jī)通過(guò)串口傳輸過(guò)來(lái)的命令，經(jīng)確認(rèn)啟動(dòng)或停止探頭工作，并置 相應(yīng)標(biāo)志位；4.如是停止工作，則進(jìn)入低功耗模式，等待；如果是開始工作，則選擇發(fā)射通道， 相應(yīng)接近覺(jué)發(fā)射；5.打開相應(yīng)接收通道，接收回波；如有回波，計(jì)算距離并置相應(yīng)標(biāo)志位1，否則距 離為空，相應(yīng)標(biāo)志位為0;6.發(fā)射控制測(cè)量程序。一次測(cè)量結(jié)束后，程序應(yīng)判斷是否收到新的上位機(jī)傳輸?shù)?命令；無(wú)，繼續(xù)執(zhí)行探測(cè)任務(wù)；有，且是停止探測(cè)的任務(wù)，則進(jìn)入低功耗模式暫停探測(cè)任務(wù)， 等待下一次新命令出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行新的命令。
權(quán)利要求一種水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，其特征在于該接近覺(jué)傳感器包括接近覺(jué)陣列(1)、發(fā)射電路(2)、接收電路(3)、輔助電路(4)和主控電路(5)；輔助電路(4)分別與發(fā)射電路(2)、接收電路(3)和主控電路(5)相連，為它們提供工作電壓，并為接近覺(jué)傳感器提供通訊接口；接近覺(jué)陣列(1)由三個(gè)超聲探頭構(gòu)成，各超聲探頭的軸線之間的夾角為10°～15°；發(fā)射電路(2)與接近覺(jué)陣列(1)的信號(hào)輸入端相連，接近覺(jué)陣列(1)的信號(hào)輸出端與接收電路(3)的輸入端相連，接收電路(3)的輸出端與主控電路(5)相連；主控電路(5)分別與發(fā)射電路(2)、接收電路(3)和輔助電路(4)相連，對(duì)它們進(jìn)行控制；發(fā)射電路(2)產(chǎn)生正弦信號(hào)經(jīng)接近覺(jué)陣列(1)發(fā)射；接近覺(jué)陣列(1)接收的經(jīng)目標(biāo)物體反射的正弦回波信號(hào)提供給接收電路(3)，接收電路(3)對(duì)正弦回波信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配、信號(hào)放大和幅值及時(shí)間濾波后產(chǎn)生中斷信號(hào)提供給主控電路，主控電路對(duì)對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)物體的距離信息和方位信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，其特征在于發(fā)射電路(2) 包括信號(hào)發(fā)生電路(21)、發(fā)射控制電路(22)、探頭諧振電路(23)和通道選擇電路(24)，信 號(hào)發(fā)生電路(21)依次通過(guò)發(fā)射控制電路(22)、探頭諧振電路(23)和第一通道選擇電路 (24)相連；信號(hào)發(fā)生電路(21)產(chǎn)生方波信號(hào)經(jīng)放大分頻后得到合適的頻率及幅值、且經(jīng)諧振電 路變換波形并升壓，再通過(guò)第一通道選擇電路傳送至接近覺(jué)陣列(1)，由接近覺(jué)陣列(1)發(fā)射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，其特征在于接收電路 (3)包括依次相連的第二通道選擇電路(31)、阻抗變換電路(32)、中頻放大電路(33)、信號(hào) 諧振電路(34)和濾波電路(35)；第二通道選擇電路(31)將接近覺(jué)陣列(1)接收到的回波信號(hào)提供給阻抗變換電路 (32)，進(jìn)行阻抗匹配后經(jīng)信號(hào)放大，再經(jīng)幅值和時(shí)間濾波后產(chǎn)生中斷信號(hào)，并提供給微處理 器(51)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，其特征在于主控電路(5) 包括微控制器(51)和外部高頻晶振(52)，外部高頻晶振(52)為微控制器(51)提供高頻時(shí) 鐘源給微控制器(51)，微控制器(51)分別與發(fā)射控制電路(22)、第一通道選擇電路(24)、 第二通道選擇電路(31)和濾波電路(35)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，其特征在于輔助電路(4) 包括電源(41)、液晶顯示器(42)和通信接口電路(43)；電源(41)分別與主控電路(5)、發(fā) 射電路⑵和接收電路⑶各芯片相應(yīng)引腳連接，液晶顯示器(42)和通信接口電路(43) 均與微處理器(51)相連；信號(hào)發(fā)生電路(21)產(chǎn)生方波信號(hào)經(jīng)放大分頻后得到合適的頻率及幅值、且經(jīng)諧振電 路變換波形并升壓，再通過(guò)第一通道選擇電路傳送至接近覺(jué)陣列(1)，由接近覺(jué)陣列(1)發(fā) 射。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種水下測(cè)距跟蹤用接近覺(jué)傳感器，包括接近覺(jué)陣列、發(fā)射電路、接收電路、輔助電路和主控電路。接近覺(jué)陣列由三個(gè)超聲探頭構(gòu)成，各超聲探頭的軸線之間的夾角為10°～15°；發(fā)射電路產(chǎn)生正弦信號(hào)經(jīng)接近覺(jué)陣列發(fā)射；接近覺(jué)陣列接收的經(jīng)目標(biāo)物體反射的正弦回波信號(hào)提供給接收電路，接收電路對(duì)正弦回波信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配、信號(hào)放大和幅值及時(shí)間濾波后產(chǎn)生中斷信號(hào)提供給主控電路，主控電路對(duì)對(duì)中斷信號(hào)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)物體的距離信息和方位信息。接近覺(jué)傳感器的三超聲探頭輪流發(fā)射超聲波脈沖并接收回波，根據(jù)回波時(shí)間測(cè)得目標(biāo)距離值，同時(shí)通過(guò)一個(gè)周期內(nèi)三通道值的有無(wú)判斷出目標(biāo)相對(duì)探頭的方向，據(jù)此實(shí)時(shí)跟蹤定位作業(yè)目標(biāo)。
文檔編號(hào)B63C11/00GK201673255SQ20102019028
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者余琨, 唐國(guó)元, 徐國(guó)華, 徐筱龍, 曾志林, 辛宇 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)