一種用於水產品養殖觀察的水下機器人的製作方法
2023-06-02 05:48:21
專利名稱：一種用於水產品養殖觀察的水下機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種新型水下機器人的研製技術，具體說是一種一種用於水產品養殖觀察的水下機器人。
技術背景我國有廣闊的水面進行水產養殖，比如海參、鮑魚等的養殖。在海參的生長過程中，要經常觀察海參的生長情況，根據海參在海底的分布情況，及時進行海參苗的補充。根據觀察水底飼料的多少投放餌料，避免浪費。在海參的成熟期，觀察海參，確定最佳的海參收穫期。目前上述對於海參的觀察都是靠潛水員肉眼觀察判斷，潛水員觀察的範圍有限，並且由於他們不是海參養殖專業人員，不能給海參養殖專家非常準確的信息。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種可以把水下的圖像直接傳送到水面，並且圖像可以儲存，供養殖專家分析使用的水下觀察的水下機器人。
為了實現上述目的，本實用新型的設計出發點用於海參觀察的水下機器人有特殊的要求，如體積小，重量輕，安全可靠，成本低廉，用電功率低，能夠確定機器人在海中的位置。本實用新型旨在滿足上述海參觀察的主要要求，儘量減少水下機器人的傳感器數量。具體方案是由水上水下兩部分組成，通過電纜連接；水上部分包括動力單元、控制單元、顯示單元三部分，動力單元由發電機及穩壓電源組成，為水上、水下提供交流和直流電源；控制單元由相互連接的控制單杆、控制電路組成；顯示單元以視頻監視器為核心，連接有字符疊加器、視頻錄放機；水下部分是水下機器人本體，由推進器、攝像機、指北針、照明燈、電纜、防護架、浮力倉、支架組成，水平方向安裝左水平推進器、右水平推進器，在浮力倉後部，垂直方向安裝垂直推進器，在浮力倉中部，並於支架上，防護架與浮力倉安裝在一起；在浮力倉前部安裝攝像機、照明燈，攝像機通過屏蔽電纜至水上顯示部分中的監視器；在防護架上安裝有指北針；其中攝像機和照明燈安裝方式與水平夾角成40～50度；其中指北針安裝於攝像機斜下方位置，以保證在顯示單元中視頻監視器屏幕中有指北針的圖像顯示為準；其中浮力倉前部是透明的有機玻璃罩；其中攝像機可以選擇暗光型水下用攝像機，或普通的CCD攝像機；其中在支架上可以加設配重；其中所述電纜上串有浮力球；其中控制單元中控制電路包括水平方向的控制電路及垂直方向的控制電路，其中
水平方向的控制電路接收進退、轉向的單杆控制信號，首先通過信號調整匹配電路進行信號的調整匹配，再經信號限幅電路至信號變換，同時進行極性判斷，極性判斷電路的控制信號給功率級，功率級輸出至水下機器人推進器的電機；垂直方向的控制電路接收垂直的單杆控制信號，首先經調整匹配電路進行信號的調整匹配，然後經信號限幅至信號變換電路，同時進行極性判斷，極性判斷電路的控制信號給功率級，功率級輸出至水下機器人推進器的電機。
本實用新型具有如下優點1、本實用新型特點主要表現在簡單可靠，體積小，成本低。根據海參養殖觀察的實際使用要求，它去掉了一些可以節省的傳感器。指示方向的不是需要電的羅盤，而是水密封的指北針。指北針的信號通過電視圖像觀察，減少電纜導線的芯數。
2、本實用新型所述水下機器人的本體無電子線路板，增加了可靠性並減少了維護需求。
3、本實用新型輔助設備少，所以水下機器人本體設計的體積小，重量輕，便於攜帶和使用。
4、成本低廉，適合批量生產。
5、本實用新型也可用於其它水產品養殖。
圖1為本實用新型結構框圖。
圖2為圖1中控制盒結構圖。
圖3為圖1中視頻監視器顯示示意圖。
圖4為圖1中水下機器人本體機械結構示意圖。
圖5為本實用新型水平方向的控制電路的原理框圖。
圖6為本實用新型水平方向的控制電路原理圖。
圖7為本實用新型垂直方向的控制電路的原理框圖。
圖8為本實用新型垂直方向的控制電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
本實用新型是一種有纜水下觀察用水下機器人。由水上水下兩部分組成(圖1)，通過電纜連接；水上部分包括，動力單元、控制單元、顯示單元三部分。動力單元可由柴油發電機或汽油發電機及穩壓電源組成，為水上、水下提供交流和直流電源，交流電源給顯示單元供電。控制單元由控制單杆、控制電路組成，操作員扳動單杆就可以控制水下機器人的前進、後退、左轉、右轉、上升、下降等運動。控制單杆安裝在控制盒裡，與控制電路相連，如圖2所示(圖中84為左右水平推進器單杆，85為垂直推進器單杆，9為攝像機開關，10為背帶)。顯示單元以視頻監視器為核心，連接有字符疊加器、視頻錄放機，在視頻監視器上可以實時的看到水下的情況，並由視頻錄放機記錄視頻圖像，供以後的分析使用。視頻監視器可以選用最簡單的9英寸的黑白電視，更清楚的畫面可以通過錄放機回放觀察；通過字符疊加器，可以由人工隨時輸入目前的船的位置，限制水下機器人電纜的長度，水下機器人和母船在水平面的相對距離不大的情況下，母船的位置就可以認為是機器人的位置。
如圖4所示，水下部分是水下機器人本體。本體由推進器、攝像機1、指北針2、照明燈3、電纜4、防護架5、浮力倉6、支架7組成，推進器共有三個，由配置的直流電機帶動螺旋槳轉動。水平方向安裝左、右水平推進器81、82，安裝在浮力倉6後部，控制機器人的前進、後退、左傳、右轉等運動。垂直方向安裝垂直推進器83，安裝在浮力倉6中部，於支架7上，控制機器人上升、下降運動。防護架5與浮力倉6安裝在一起；在浮力倉6的左前部安裝一個攝像機1，通過屏蔽電纜至水上顯示部分中的監視器；在浮力倉6的右前部安裝一個照明燈3；浮力倉6前部是透明的有機玻璃罩。攝像機1可以選擇暗光型水下用攝像機，或普通的CCD攝像機。攝像機1和照明燈3都對準斜下方(即與水平夾角為45度)，便於觀察海底的情況(這樣攝像機不用安裝在雲臺上)。在防護架5上安裝一個防水密封指北針2，於攝像機1斜下方位置，保證在顯示單元中視頻監視器屏幕的右下角有指北針2的圖像顯示，可以直接看到指北針2的讀數(如圖3所示)，這樣可以不用電纜傳輸信號。水下機器人不需要安裝深度計，可以通過攝像機1判斷水下機器人距離水底的高度，以節省傳感器和電纜的芯數。水下機器人的水下本體上沒有電路板，減少水下機器人損壞的可能性，減少維護工作量。
通過在支架7上捆綁鉛塊配重，使水下機器人本體有微小的正浮力。由於水下機器人本體的體積小，負載能力差，所以水上、水下連接的電纜採用為中性浮力的。在電纜外部串上浮力球將電纜做成中性浮力的電纜。所述電纜分別給3個推進器電機、照明燈供電，還用於給攝像機供電和傳輸視頻信號。
本實用新型的水下機器人所有的控制電路全在水上，非常便於電路的維護。水上的控制電路包括，控制水下機器人在水平方向上前進、後退、左轉、右轉的控制電路和控制水下機器人上升、下降的控制電路。控制電路的信號經過功率級的線性功率放大，推動直流電機轉動，電機帶動螺旋槳的旋轉，驅動機器人本體進行不同的運動。
控制單元中控制電路包括水平方向的控制電路及垂直方向的控制電路，其中參見圖5，水平方向的控制電路接收進退、轉向的單杆控制信號，首先通過信號調整匹配電路進行信號的調整匹配，再經信號限幅電路至信號變換，同時進行極性判斷；極性判斷電路的控制信號給功率級，使功率級換向，進而控制水下機器人電機的轉向。水下機器人就會按照要求做相應的運動。
參見圖6，水平方向的控制電路，具體由第1～2、6～7運算放大器IC1～IC2、IC6～IC7組成的電路進行信號調整匹配電路，並且實現轉向功能。第1～4、8～11二極體D1～D4、D8～D11組成信號限幅電路，分別起到限幅的功能。第3～4、8～9運算放大器IC3～IC4和IC8～IC9組成的信號變換電路分別實現信號變換的功能，使控制信號變為0～5V。第5、10運算放大器IC5和IC10進行極性判斷。第16～17線性功率放大器IC16～IC17組成功率級，功率級輸出至水下機器人左、右水平推進器的電機。
如圖7所示，垂直方向的控制電路接收垂直的單杆控制信號，首先經調整匹配電路進行信號的調整匹配，然後經信號限幅至信號變換電路，同時進行極性判斷，極性判斷電路的控制信號給功率級，使功率級換向，控制水下機器人電機的轉向。
圖8是垂直方向的控制電路，具體由第11運算放大器IC11組成的電路進行信號調整匹配，第15～18二極體D15～D18組成信號限幅電路，起到限幅的功能；第12～13運算放大器IC12～IC13組成的信號變換電路實現信號變換的功能。第14運算放大器IC14進行極性判斷。第15線性功率放大器IC15構成功率級，功率級輸出至水下機器人垂直推進器的電機。
本實用新型操作過程及結果是水下機器人本體是水下密封的，操作員通過扳動單杆控制水下機器人本體的運動。單杆水平方向的控制信號，送到IC1、IC2和IC6、IC7組成的電路進行信號調整，並且實現轉向功能。D1～D4和D8～D11分別起到限幅的功能(使信號最高為5V)。IC4和IC9組成的電路分別實現信號變換的功能，使控制信號從-5V～+5V變為0～5V。IC5和IC10進行極性判斷(是判斷單杆信號是前進或者是後退，是左轉或者是右轉)。功率線性放大模塊可以購買現成的產品。功率線性放大模塊輸出的功率信號，通過電纜送給水下機器人本體上水平方向的2個推進器電機，控制水下機器人水平方向上的運動。單杆垂直方向的控制信號，送給IC11組成的電路進行信號調整。D1 5～D18起到限幅的功能(使信號最高為5V)。IC13組成的電路實現信號變換的功能(把-5V～+5V的控制信號變成0～5V的控制信號)。IC14進行極性判斷(判斷單杆信號是上升還是下降)。功率線性放大模塊可以購買現成的產品。功率線性放大模塊輸出的功率信號，通過電纜送給水下機器人本體上垂直方向的推進器電機，控制水下機器人垂直方向上的運動。
水下機器人本體上的攝像機，是在密封的浮力倉6中，攝到的水下圖像，通過屏蔽電纜送到水上監視器，並通過錄像機，可以記錄攝到的內容。在監視器圖像上可以看到指北針顯示的機器人航向和字符疊加器標記的機器人的位置。
本實用新型水上部分給水下部分送控制和驅動信號，控制水下機器人本體上升、下降、前進、後退、左傳、右轉等運動。水上部分的視頻監視器接收水下部分攝像機1的視頻信號，觀察水下海參的生長情況。
本實用新型同時適用於其它海或淡水養殖的水產品。
本實用新型體積小(長40釐米，寬30釐米)，在水下運動時，對海參的影響小。重量輕方便搬運和使用。安全可靠，使用方便也是本實用新型的一項重要指標。養殖專家對於高科技的產品不熟悉，也沒有維修能力，為了使水下機器人的性能可靠，本實用新型最大限度的減少水下機器人的傳感器，但是要完全滿足海參觀察的要求。儘量減少在水下的電子設備，做到無水下電路板。這些設計可以大大的提高水下機器人的可靠性。用於觀察海參的船都是小舢板，在舢板上只能安裝一臺小功率柴油發電機，水下機器人的功率低，所用的柴油發電機的體積就小。由於功率小，也可以使用蓄電池作為動力源。
權利要求1.一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於由水上水下兩部分組成，通過電纜連接；水上部分包括動力單元、控制單元、顯示單元三部分，動力單元由發電機及穩壓電源組成，為水上、水下提供交流和直流電源；控制單元由相互連接的控制單杆、控制電路組成；顯示單元以視頻監視器為核心，連接有字符疊加器、視頻錄放機；水下部分是水下機器人本體，由推進器、攝像機(1)、指北針(2)、照明燈(3)、電纜(4)、防護架(5)、浮力倉(6)、支架(7)組成，水平方向安裝左水平推進器(81)、右水平推進器(82)，在浮力倉(6)後部，垂直方向安裝垂直推進器(83)，在浮力倉(6)中部，並於支架(7)上，防護架(5)與浮力倉(6)安裝在一起；在浮力倉(6)前部安裝攝像機(1)、照明燈(3)，攝像機(1)通過屏蔽電纜至水上顯示部分中的監視器；在防護架(5)上安裝有指北針(2)。
2.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中攝像機和照明燈安裝方式與水平夾角成40～50度。
3.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中指北針(2)安裝於攝像機斜下方位置，以保證在顯示單元中視頻監視器屏幕中有指北針(2)的圖像顯示為準。
4.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中浮力倉(6)前部是透明的有機玻璃罩。
5.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中攝像機(1)可以選擇暗光型水下用攝像機，或普通的CCD攝像機。
6.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中在支架(7)上可以加設配重。
7.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中所述電纜上串有浮力球。
8.按照權利要求1所述一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，其特徵在於其中控制單元中控制電路包括水平方向的控制電路及垂直方向的控制電路，其中水平方向的控制電路接收進退、轉向的單杆控制信號，首先通過信號調整匹配電路進行信號的調整匹配，再經信號限幅電路至信號變換，同時進行極性判斷，極性判斷電路的控制信號給功率級，功率級輸出至水下機器人推進器的電機；垂直方向的控制電路接收垂直的單杆控制信號，首先經調整匹配電路進行信號的調整匹配，然後經信號限幅至信號變換電路，同時進行極性判斷，極性判斷電路的控制信號給功率級，功率級輸出至水下機器人推進器的電機。
專利摘要本實用新型公開一種一種用於水產品養殖觀察的水下機器人，由包括動力單元、控制單元、顯示單元的水上部分和水下機器人本體為核心的水下部分組成，其中控制單元由相互連接的控制單杆、控制電路組成；顯示單元以視頻監視器為核心，連接有字符疊加器、視頻錄放機；水下機器人本體由推進器、攝像機、指北針、照明燈、電纜、防護架、浮力倉、支架組成，水平方向安裝左水平推進器、右水平推進器，在浮力倉後部，垂直方向安裝垂直推進器，防護架與浮力倉安裝在一起；在浮力倉前部安裝攝像機、照明燈，攝像機通過屏蔽電纜至水上顯示部分中的監視器；在防護架上安裝有指北針。採用本實用新型可以把水下的圖像直接傳送到水面，並且圖像可以儲存，供養殖專家分析使用。
文檔編號B25J9/18GK2740362SQ200420113468
公開日2005年11月16日 申請日期2004年11月17日 優先權日2004年11月17日
發明者於開洋 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所