感器采集的数据自动调节三相电机的转速，同时三相电机控制模块将采集三相电机三个绕组的电流，将其转换成电压并且放大后反馈给DSP控制器；数据采集模块用于将采集的CO2浓度，湿度以及水质样本经过采样滤波后送给DSP处理，它能实现不同点数据多通道扫描采样；DSP控制模块将采集的数据和已经采集的图像信息通过天线传输模块发送给地面控制终端(采用Zigbee)，用户也可向机器人发送控制指令；所有的模块都是由电源管理模块提供稳定的电源。
[0038]需要说明的是，机器人和PC控制终端采用Zigbee无线网路通信协议进行数据交换，它们间的通信方式采用全双工的通信方式，两者能够互发或接数据，如机器人将采集到的一些数据实时发送给PC控制终端，而PC控制终端的上位机则实时显示水质的监测、水质数据与图像数据的无线传输以及水体的采样工作；用户既可以通过操控键盘或鼠标的方式控制正在作业的机器人，也可以通过PC终端实时看见安装在机器人上面的摄像头采集的图像数据。
[0039]如图3所示为DSP核心控制模块框图，DSP核心控制模块主要包含一些接口电路以及状态显示电路，其中IXD显示电路用于显示机器人状态数据，同时也用于检测各接口电路采集的数据是否正确；伺服电机控制电路用于控制及驱动伺服电机，这些伺服电机为超声波和摄像头旋转180度角提供动力，DSP控制器控制并且处理各模块采集的信息，使整个系统协调稳定工作。
[0040]如图4所示为超声波避障模块框图，超声波避障模块主要有两部分组成:发送通道和接收通道。其中发送通道将DSP控制器产生的40KHz矩形脉冲信号功率放大后驱动超声波发生器产生超声波；接收通道接收反射回来的超声波，然后经过前置放大滤波后，经过检波器检波，最后输出。DSP控制器可以根据舵机转角和接收信号确定障碍物的方位和距离，并根据这些信息计算出对应的控制量来控制动力和快速反应模块。
[0041]如图5所示为数据采集模块框图，数据采集模块主要用于采集CO2浓度，湿度以及水质等参数，它由多个通道组成，每个通道分别采集一种数据，然后在每个不同时刻，由DSP控制器产生通道地址信号控制模拟开关选通不同的通道，所有通道都共享后面的低通滤波和增益网络，最后将采集的数据传输给DSP控制器。数据采集模块需要将传感器采集的微弱物理信号转换为电信号，放大滤波后输送给DSP控制器，DSP控制器对这些数据进一步处理后通过天线发送给控制终端。
[0042]如图6所示为三相电机控制模块框图，三相电机控制模块采用检测线圈电流的方式作为控制三相电机的反馈量，然后将电流转换为电压后传送给DSP控制器，同时DSP控制器根据反馈的信号控制驱动逆变电路PWM波的占空比。
[0043]如图7所示为快速反应控制模块框图，快速反应控制模块由大功率驱动电路和直流电机组成，当机器人在行驶过程中，超声波避障模块检测到障碍物信息，DSP控制器根据这些信息计算出障碍物的方位，并且产生对应的控制量给快速反应模块。快速反应模块总共有2个，分别部署在船头部位的船舷两侧，这样可以保证为机器人旋转产生最大扭矩。DSP控制器根据超声波检测到的障碍物位置信息计算出不同占空比的脉宽调制信号，该调制信号用于控制快速反应模块的直流电机转速，从而产生不同的转矩。
[0044]另外，图像采集模块是通过CMOS摄像头实时采集图像数据，并且将采集的数据存入FIFO堆栈中，然后通过DSP控制接口传输给DSP控制器处理。
[0045]天线传输模块通过DSP控制器将处理后的采集数据及图像数据通过WIFI模块发送到PC控制终端。
[0046]电源管理模块是在12V输入的情况下由不同的线性稳压芯片产生所需的电压大小，这些不同幅度的电压为整个电路系统提供稳定的工作条件。
[0047]本发明水上智能机器人能够实现对沼泽地水面气体和水质多点多通道分时采样，能在有雾的环境下精确检测20-40cm外的障碍物，自动避障时间为2s左右，停船时间为4s左右，对于水表生长有水草等植物水域，机器人能顺利通过。机器人与控制终端实现双向全双工传输通信，一方面机器人可以在有雾的情况下，将周围10cm以内环境图像数据传输给控制终端，控制终端以视频和曲线的方式实时监测其状态；另一方面控制终端向机器人发送控制指令，对水域环境进行采样。这将在环境检测、民用养殖等领域有比较好的应用前景。
[0048]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
【主权项】
1.基于DSP的水上智能机器人，其特征在于包括:用于在水中行驶的船体； 超声波避障模块，用于检测阻碍机器人行驶的障碍物； 数据采集模块，用于实时采集环境数据、以及待测水域水质样本； 图像采集模块，用于实时采集图像数据； 快速反应模块，用于为机器人躲避障碍物提供快速反应动力； 天线传输模块，用于完成机器人与控制终端的数据传输； 三相电机控制模块，用于为机器人水中行驶提供动力及方向控制； 电源管理模块，用于为机器人提供工作电源； DSP核心控制器模块，用于作为机器人中央处理单元； 上述所有模块均安装在船体上，所述超声波避障模块、数据采集模块、图像采集模块、快速反应模块、天线传输模块、三相电机控制模块、电源管理模块均与DSP核心控制器模块相连接，但各模块之间相互独立，所述DSP核心控制器模块用于各模块的控制调度和各模块采集数据处理，保证机器人的稳定工作。2.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述超声波避障模块包括发送通道和接收通道；由DSP核心控制器模块产生矩形脉冲信号，发送通道将脉冲信号功率放大后驱动超声波发生器发送超声波；接收通道接收反射回来超声波，经过前置放大滤波后，经过检波器，得到接收信号传输给DSP核心控制器模块，由DSP核心控制器模块根据接收信号计算确定障碍物方位和距离。3.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述快速反应模块包括两个快速反应控制器，分别部署在船头部位的船舷两侧；每个快速反应控制器由大功率驱动电路和直流电机组成，由DSP核心控制器模块根据障碍物方位和距离产生对应控制量，控制快速反应模块的直流电机转速工作，产生不同的转矩，从而实现机器人躲避障碍物。4.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述数据采集模块由多采集通道、模拟开关、低通滤波器和增益网络组成，每个采集通道采集一种数据，不同时刻由DSP核心控制器模块产生通道地址信号控制模拟开关选择不同数据的采集，经过低通滤波器和增益网络后，采集数据回传DSP核心控制器模块。5.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述图像采集模块通过CMOS摄像头实时采集图像数据，传输至DSP核心控制器模块进行数据处理。6.按权利要求1所述基于DSP的水上智能机器人，其特征在于，所述三相电机控制模块采用检测线圈电流的方式作为控制三相电机的反馈量，将电流转换为电压后传送给DSP核心控制器模块，同时由DSP核心控制器模块根据反馈电信号控制驱动其三相逆变电路，实现机器人的方向控制和稳定行驶。
【专利摘要】本发明属于水质监测与水体采样领域，提供一种基于DSP的水上智能机器人，用于完成恶劣天气下，浅滩、沼泽等复杂危险水域的水质环境监测任务。本发明包括：用于在水中行驶的船体；超声波避障模块，用于检测阻碍机器人行驶的障碍物；数据采集模块，用于实时采集环境数据、以及待测水域水质样本；图像采集模块，用于实时采集图像数据；快速反应模块，用于为机器人躲避障碍物提供快速反应动力；天线传输模块，用于完成机器人与控制终端的数据传输；三相电机控制模块，用于为机器人水中行驶提供动力及方向控制；电源管理模块，用于为机器人提供工作电源；DSP核心控制器模块，用于作为机器人中央处理单元。
【IPC分类】B25J13/08, G01N33/18
【公开号】CN104914226
【申请号】CN201510307219
【发明人】孙向阳, 周郭牛, 景心平, 聂在平, 李颖
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月7日