一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置制造方法
【專利摘要】一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，包括超聲波接收探頭Y1、Y2、超聲波發(fā)射探頭、擴(kuò)音口、直流無刷電機(jī)、轉(zhuǎn)臺和控制器，所述轉(zhuǎn)臺旁安裝有控制器，轉(zhuǎn)臺上安裝有直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個超聲波發(fā)射探頭和兩個超聲波接收探頭Y1、Y2，超聲波接收探頭Y1、Y2位于超聲波發(fā)射探頭的正上方，超聲波發(fā)射探頭上設(shè)有擴(kuò)音口，控制器通過導(dǎo)線和超聲波接收探頭Y1、Y2、超聲波發(fā)射探頭、直流無刷電機(jī)相連接，控制器內(nèi)設(shè)有超聲波方向角測量電路；提高了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物塊的精度，具有運(yùn)行費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，可以給水下機(jī)械手的自主作業(yè)提供一種新思路，使用相當(dāng)?shù)姆奖恪?br> 【專利說明】—種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，屬于自動化設(shè)備領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]自主作業(yè)能力的水下機(jī)械手技術(shù)在一定程度上標(biāo)志著一個國家的海洋高科技的發(fā)展水平。當(dāng)前，水下機(jī)械手廣泛運(yùn)用主從式進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)過程需要操作員的操控，操控機(jī)械手末端執(zhí)行器則需要操作員特別集中精力，通常操作員會疲勞緊張，作業(yè)精度得不到保證，倘若在不利的海況下更是如此。此外，受到復(fù)雜水動力的影響，水下機(jī)械手伺服控制特性會發(fā)生改變，精密作業(yè)也難實(shí)現(xiàn)。
[0003]鑒于當(dāng)今水下機(jī)械手遙控作業(yè)高度依賴于操作員，其操作繁瑣且難以保證作業(yè)精度的情況，目前是一個急需解決的問題。為改善這種情況，本發(fā)明專利提供了一種水下檢測周圍物塊方向角的方案，它可以實(shí)現(xiàn)水下機(jī)械手對周圍物塊的方向識別，從而達(dá)到自主作業(yè)的目標(biāo)，因而減少了操作員參與的環(huán)節(jié)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置。
[0005]本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有水下機(jī)械手遙控作業(yè)高度依賴于操作員的不足。
[0006]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，包括超聲波接收探頭Y1、Y2、超聲波發(fā)射探頭、擴(kuò)音口、直流無刷電機(jī)、轉(zhuǎn)臺和控制器，所述轉(zhuǎn)臺旁安裝有控制器，轉(zhuǎn)臺上安裝有直流無刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個超聲波發(fā)射探頭和兩個超聲波接收探頭Y1、Υ2，超聲波接收探頭Yl、Υ2位于超聲波發(fā)射探頭的正上方，超聲波發(fā)射探頭上設(shè)有擴(kuò)音口，控制器通過導(dǎo)線和超聲波接收探頭Υ1、Υ2、超聲波發(fā)射探頭、直流無刷電機(jī)相連接，控制器內(nèi)設(shè)有超聲波方向角測量電路。
[0007]所述超聲波方向角測量電路內(nèi)的超聲波接收探頭Yl、Υ2分別與電阻Rl、R8的一端相連接，電阻R1、R8的另一端分別與集成運(yùn)放ICla、IClb的反向端相連接，電阻R3、R10分別接在集成運(yùn)放ICla、IClb的同向端，町、1?2、1?3、1(:1&和R8、R9、R1、IClb分別構(gòu)成兩路運(yùn)算放大電路，C1、L1和C3、L2分別構(gòu)成兩路LC選頻電路，電阻R4、R11分別與電壓比較器IC2a、IC2b的反相端相連接，電阻R5、R12分別接在電壓比較器IC2a、IC2b的同向端，電壓比較器IC2a、IC2b的輸出端分別與電阻R6、R13的一端相連接，電壓比較器IC2a、IC2b的輸出端接在異或門IC3的輸入端，異或門IC3的輸出端是電阻R7與電容C2所構(gòu)成的選頻濾波電路的輸入端。
[0008]所述超聲波方向角測量電路內(nèi)的超聲波接收探頭Yl、Y2接收來自障礙物返回的超聲波回響信號，超聲波接收頭內(nèi)部包含有一個調(diào)諧電路，使得只有頻率接近40Khz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾，通過以運(yùn)算放大器ICla、IClb為關(guān)鍵元器件的放大電路把接收到的超聲波回響信號進(jìn)行放大，然后通過電容C1和電感L1組成的選頻電路再一次進(jìn)行濾波處理，選頻之后的兩路正弦信號再分別經(jīng)過電壓比較器IC2a、IC2b進(jìn)行對地比較，利用電阻R6進(jìn)行限流后，使得兩路電壓比較器IC2a、IC2b分別輸出一路TTL電平，即U0l、U02 ;^。2是占空比接近50%的方波，頻率都是接近40KHz，但存在一定的相位差，通過檢測這兩路占空比接近50%方波相位的超前或者滯后來判定前方物塊位于超聲波接收器的左邊或者右邊。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:能夠在水下檢測周圍物塊的方向角，便能控制水下機(jī)械手運(yùn)動到物塊的附近，從而機(jī)械手可以對物塊實(shí)施相應(yīng)的動作；它克服了水下機(jī)械手作業(yè)過程中過多的人工參與環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了水下作業(yè)機(jī)械手的準(zhǔn)確位移控制和自主作業(yè)，提高了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物塊的精度，具有運(yùn)行費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，可以給水下機(jī)械手的自主作業(yè)提供一種新思路，使用相當(dāng)?shù)姆奖悖瑧?yīng)具有廣泛的市場前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置的立體圖；
圖2是本發(fā)明一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置超聲波方向角測量電路的原理圖；圖中:1、超聲波接收探頭￥1、Y22、超聲波發(fā)射探頭3、擴(kuò)音口 4、直流無刷電機(jī) 5、轉(zhuǎn)臺6、控制器。

【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0012]一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，包括超聲波接收探頭Y1、Y2、超聲波發(fā)射探頭2、擴(kuò)音口 3、直流無刷電機(jī)4、轉(zhuǎn)臺5和控制器6,所述轉(zhuǎn)臺5旁安裝有控制器6,轉(zhuǎn)臺5上安裝有直流無刷電機(jī)4，直流無刷電機(jī)4的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個超聲波發(fā)射探頭2和兩個超聲波接收探頭Υ1、Υ2，超聲波接收探頭Υ1、Υ2位于超聲波發(fā)射探頭2的正上方，超聲波發(fā)射探頭2上設(shè)有擴(kuò)音口 3，控制器6通過導(dǎo)線和超聲波接收探頭Υ1、Υ2、超聲波發(fā)射探頭2、直流無刷電機(jī)4相連接，控制器6內(nèi)設(shè)有超聲波方向角測量電路。
[0013]所述超聲波方向角測量電路內(nèi)的超聲波接收探頭Yl、Υ2分別與電阻Rl、R8的一端相連接，電阻R1、R8的另一端分別與集成運(yùn)放ICla、IClb的反向端相連接，電阻R3、R10分別接在集成運(yùn)放ICla、IClb的同向端，Rl、R2、R3、ICla和R8、R9、R1、IClb分別構(gòu)成兩路運(yùn)算放大電路。Cl、L1和C3、L2分別構(gòu)成兩路LC選頻電路，電阻R4、R11分別與電壓比較器IC2a、IC2b的反相端相連接，電阻R5、R12分別接在電壓比較器IC2a、IC2b的同向端，電壓比較器IC2a、IC2b的輸出端分別與電阻R6、R13的一端相連接，電壓比較器IC2a、IC2b的輸出端接在異或門IC3的輸入端，異或門IC3的輸出端是電阻R7與電容C2所構(gòu)成的選頻濾波電路的輸入端。
[0014]所述超聲波方向角測量電路內(nèi)的超聲波接收探頭Yl、Y2接收來自障礙物返回的超聲波回響信號，超聲波接收頭內(nèi)部包含有一個調(diào)諧電路，使得只有頻率接近40Khz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾，通過以運(yùn)算放大器ICla、IClb為關(guān)鍵元器件的放大電路把接收到的超聲波回響信號進(jìn)行放大，然后通過電容C1和電感L1組成的選頻電路再一次進(jìn)行濾波處理，選頻之后的兩路正弦信號再分別經(jīng)過電壓比較器IC2a、IC2b進(jìn)行對地比較，利用電阻R6進(jìn)行限流后，使得兩路電壓比較器IC2a、IC2b分別輸出一路TTL電平，即H ;^。2是占空比接近50%的方波，頻率都是接近40KHZ，但存在一定的相位差，通過檢測這兩路占空比接近50%方波相位的超前或者滯后來判定前方物塊位于超聲波接收器的左邊或者右邊。
[0015]超聲波回響信號處理電路設(shè)計的關(guān)鍵部分就在于把兩路有一定相位差的方波通過異或門IC3變成另外一種占空比、頻率的方波，并通過電阻R7和C2組成的低通選頻電路進(jìn)行濾波處理，從而把兩路超聲波回響信號的相位差大小轉(zhuǎn)換為輸出的穩(wěn)定的恒定直流電壓Uo2的大小，因而，水下前方物塊的方向角與一對超聲波接收頭Yl、Y2測得的兩個回響信號的相位差成一定線性關(guān)系。
[0016]本發(fā)明的工作原理:超聲波接收探頭大小及間距的選取會對系統(tǒng)的性能有著很大的影響，它直接決定了方向角檢測的精度，首先，這個時間差不能做的太大，也不能做的太小，針對頻率為40KHz的超聲波，時間差最大不能大于25 μ S，否則會干擾方向角的正常測量，時間差最小值要根據(jù)控制器內(nèi)嵌入式系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時間來確定，因此，兩個超聲波接收探頭Yl、Υ2的尺寸大小和兩個超聲波接收探頭Yl、Υ2在PCB板上的距離必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，太大不可取。只要嵌入式系統(tǒng)的外部中斷響應(yīng)速度足夠快，小一點(diǎn)倒無妨。嵌入式系統(tǒng)U2控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出頻率為40ΚΗζ、周期為25 μ S的超聲波信號。當(dāng)水下檢測前方物塊方向角裝置的周圍沒有物塊時，超聲波接收探頭Υ1、Υ2接收不到回波信號，嵌入式系統(tǒng)U2也就不能檢測到接近40ΚΗζ的兩路方波信號，那么水下檢測前方物塊方向角裝置會以某一速度不停地旋轉(zhuǎn)來搜索周圍的物塊，旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)盤的實(shí)時位置通過電位器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的輸出電壓，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后交給嵌入式系統(tǒng)U2，嵌入式系統(tǒng)U2處理并計算出旋轉(zhuǎn)角度值a i，超聲波發(fā)射信號一旦碰到前方的障礙物后便立即返回，使得超聲波接收探頭Yl、Y2檢測到回波信號，嵌入式系統(tǒng)U2通過外部中斷引腳來判定Yl、Y2對應(yīng)的方波信號U0l、Uo3的相位超前或滯后(判斷相位超前或滯后的方法是由嵌入式系統(tǒng)U2檢測中斷響應(yīng)的時間先后)，如果Uu的相位超前U&，代表物塊位于超聲波接收器軸線的偏左方向，那么當(dāng)U0l的相位滯后Uo3時,代表物塊位于超聲波接收器軸線的偏右方向，圖一中的輸出信號υο2為一直流量，直流電壓Uo2的大小與兩路回響信號的相位差成線性關(guān)系，把直流量U&進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)后，便可以交給嵌入式系統(tǒng)U2處理并轉(zhuǎn)換，便可得到前方物塊相對于超聲波接收器軸線的方向角α2 ;由此，可以計算得到水下周圍物塊的絕對方向角大小，即絕對方向角的大小=旋轉(zhuǎn)角度值ct 1+相對方向角值α 2 ;轉(zhuǎn)臺由無刷直流電機(jī)帶動，當(dāng)搜尋到物塊時，控制器控制轉(zhuǎn)臺上的無刷直流電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動，并自動開始計算方向角，因此大大提高了智能化水平。
【權(quán)利要求】
1.一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，包括超聲波接收探頭Yl、Y2、超聲波發(fā)射探頭(2)、擴(kuò)音口(3)、直流無刷電機(jī)(4)、轉(zhuǎn)臺(5)和控制器(6)，其特征是:所述轉(zhuǎn)臺(5)旁安裝有控制器(6)，轉(zhuǎn)臺(5)上安裝有直流無刷電機(jī)(4)，直流無刷電機(jī)(4)的轉(zhuǎn)軸上安裝有一個超聲波發(fā)射探頭(2)和兩個超聲波接收探頭Yl、Y2，超聲波接收探頭Yl、Y2位于超聲波發(fā)射探頭(2 )的正上方，超聲波發(fā)射探頭(2 )上設(shè)有擴(kuò)音口( 3 )，控制器(6 )通過導(dǎo)線和超聲波接收探頭Yl、Y2、超聲波發(fā)射探頭(2 )、直流無刷電機(jī)(4)相連接，控制器(6 )內(nèi)設(shè)有超聲波方向角測量電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，其特征是:所述超聲波方向角測量電路內(nèi)的超聲波接收探頭Yl、Y2分別與電阻Rl、R8的一端相連接，電阻R1、R8的另一端分別與集成運(yùn)放ICla、IClb的反向端相連接，電阻R3、R10分別接在集成運(yùn)放ICla、IClb的同向端，町、1?2、1?3、1(:1&和R8、R9、R10、IClb分別構(gòu)成兩路運(yùn)算放大電路，Cl、LI和C3、L2分別構(gòu)成兩路LC選頻電路，電阻R4、Rll分別與電壓比較器IC2a、IC2b的反相端相連接，電阻R5、R12分別接在電壓比較器IC2a、IC2b的同向端，電壓比較器IC2a、IC2b的輸出端分別與電阻R6、R13的一端相連接，電壓比較器IC2a、IC2b的輸出端接在異或門IC3的輸入端，異或門IC3的輸出端是電阻R7與電容C2所構(gòu)成的選頻濾波電路的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下檢測周圍物塊方向角的控制裝置，其特征是:所述超聲波方向角測量電路內(nèi)的超聲波接收探頭Yl、Y2接收來自障礙物返回的超聲波回響信號，超聲波接收頭內(nèi)部包含有一個調(diào)諧電路，使得只有頻率接近40Khz的信號才能被接收，而其它頻率的信號則被過濾，通過以運(yùn)算放大器ICla、IClb為關(guān)鍵元器件的放大電路把接收到的超聲波回響信號進(jìn)行放大，然后通過電容Cl和電感LI組成的選頻電路再一次進(jìn)行濾波處理；選頻之后的兩路正弦信號再分別經(jīng)過電壓比較器IC2a、IC2b進(jìn)行對地比較，利用電阻R6進(jìn)行限流后，使得兩路電壓比較器IC2a、IC2b分別輸出一路TTL電平，即Uo1、Uo2， Ut52是占空比接近50%的方波，頻率都是接近40KHz，但存在一定的相位差；通過檢測這兩路占空比接近50%的方波的相位的超前或者滯后來判定前方物塊位于超聲波接收器的左邊或者右邊。
【文檔編號】G01S3/802GK104407320SQ201410681561
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】周乃義, 劉國平, 陳庭勛, 李抗 申請人:浙江海洋學(xué)院