本發(fā)明涉及檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種機(jī)器魚尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

機(jī)器魚尾鰭的擺動(dòng)為機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，尾鰭擺動(dòng)時(shí)的擺幅、擺動(dòng)頻率以及初始偏角都影響著整個(gè)系統(tǒng)的功耗。針對(duì)能耗分析的主要技術(shù)手段分為兩大類，即軟件仿真方法和硬件實(shí)驗(yàn)方法。軟件仿真方法有：NS-2,OPNET,SensorSim以及Samovar等。外部實(shí)驗(yàn)的方法電流探針法、基于軟件探針等方法。

電流探針法利用電流探針采集輸出電壓，即利用電流探針將采集的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，根據(jù)線性函數(shù)方程計(jì)算消耗的能量。

軟件探針法通過插入能耗測(cè)量代碼，并配合外部硬件電路計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗，如SOPT系統(tǒng)(傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，該系統(tǒng)包括四個(gè)部分：①被測(cè)部分，包括無線傳感網(wǎng)平臺(tái)以及電池；②驗(yàn)證校準(zhǔn)部分，如數(shù)字萬用表；③數(shù)據(jù)獲取部分，包括抗干擾電流探針以及信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊；④PC部分，主要用于記錄分析數(shù)據(jù)。如Dutta(傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗調(diào)度器)使用一種稱為iCount的組件，通過在原工作程序中插入代碼，控制開關(guān)電路的輸出。該組件是基于傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS平臺(tái)，使用其獨(dú)特的語法開發(fā)，在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)調(diào)用。使用外部硬件電路配合組件捕獲輸出的脈沖寬度和周期，從而計(jì)算出能量消耗。

軟件仿真方法多基于靜態(tài)的節(jié)點(diǎn)，無法測(cè)試運(yùn)動(dòng)的情況。電流探針法抗干擾性和穩(wěn)定性較好，但該方法測(cè)量范圍和精度有限，對(duì)硬件要求較高，適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和建立各個(gè)模塊的仿真模型，對(duì)于機(jī)器魚在水中游動(dòng)的環(huán)境，這種測(cè)試方法并不適宜。軟件探針法具有較好的抗干擾性，但受節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)限制，對(duì)硬件要求較高，而且會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的工作造成不可估量的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、能夠適應(yīng)有水環(huán)境的機(jī)器魚尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種機(jī)器魚尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：測(cè)流電阻、運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控制器和上位機(jī)，所述測(cè)流電阻串聯(lián)在舵機(jī)的供電電路中，所述運(yùn)算放大器的兩端與所述測(cè)流電阻的兩端相連接，所述運(yùn)算放大器用于將所述測(cè)流電阻兩端的電壓放大，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述運(yùn)算放大器相連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于將運(yùn)算放大器放大后的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，所述主控器與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述主控器用于控制將所述數(shù)字電壓信號(hào)傳輸至所述上位機(jī)。

可選的，所述系統(tǒng)還包括：無線通信模塊，所述無線通信模塊與所述主控制器相連接，所述主控制器控制所述無線通信模將所述數(shù)字電壓信號(hào)傳輸至所述上位機(jī)。

可選的，所述上位機(jī)用于根據(jù)所述數(shù)字電壓信號(hào)計(jì)算得到所述測(cè)流電阻兩端的電壓值、流過所述測(cè)流電阻的電流值和機(jī)器魚尾鰭的能耗。

可選的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)為MAX1169。

可選的，所述運(yùn)算放大器采用TI公司生產(chǎn)的低功耗CMOS運(yùn)算放大器OPA2333。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：本發(fā)明提供的機(jī)器魚尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在舵機(jī)的供電回路中串聯(lián)測(cè)流電阻，并利用運(yùn)算放大器將測(cè)流電阻兩端的電壓放大，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后上傳到上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)收到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，得到機(jī)器魚尾鰭的能耗。該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)硬件的要求低，與現(xiàn)有技術(shù)中的對(duì)硬件要求極高、只能應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的方法相比，本發(fā)明提供的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求不高，能夠應(yīng)用在有水的環(huán)境，而且，通過檢測(cè)電阻測(cè)量舵機(jī)電壓，進(jìn)而得到機(jī)器魚尾鰭能耗的測(cè)量方式精度高，且基于該原理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有很大優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例尾鰭能耗監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、能夠適應(yīng)有水環(huán)境的機(jī)器魚尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，所述系統(tǒng)包括：測(cè)流電阻、運(yùn)算放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、主控制器和上位機(jī)，所述測(cè)流電阻串聯(lián)在舵機(jī)的供電電路中，所述運(yùn)算放大器的兩端與所述測(cè)流電阻的兩端相連接，所述運(yùn)算放大器用于將所述測(cè)流電阻兩端的電壓放大，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述運(yùn)算放大器相連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于將運(yùn)算放大器放大后的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，所述主控器與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述主控器用于控制將所述數(shù)字電壓信號(hào)傳輸至所述上位機(jī)。

所述系統(tǒng)還包括：無線通信模塊，所述無線通信模塊與所述主控制器相連接，所述主控制器控制所述無線通信模將所述數(shù)字電壓信號(hào)傳輸至所述上位機(jī)。

所述上位機(jī)用于根據(jù)所述數(shù)字電壓信號(hào)計(jì)算得到所述測(cè)流電阻兩端的電壓值、流過所述測(cè)流電阻的電流值和機(jī)器魚尾鰭的能耗。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)為MAX1169。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1169的參考電壓采用的是其內(nèi)部參考電壓，其電壓輸入范圍為0V～+4.096V。因此，運(yùn)算放大器OPA2333的輸出電壓需在0V～+4.096V范圍內(nèi)，因?yàn)檫\(yùn)算放大器OPA2333所構(gòu)成的放大電路的放大倍數(shù)為10倍，因此運(yùn)算放大器OPA2333輸入電壓應(yīng)介于0V～0.4096V范圍內(nèi)，即測(cè)流電阻兩端的電壓范圍應(yīng)在0V～0.4096V范圍內(nèi)。機(jī)器魚尾鰭擺動(dòng)頻率在1-2Hz，擺動(dòng)幅度在10°-40°范圍內(nèi)，舵機(jī)的最大工作電流約為0.7A，故選擇阻值為0.4Ω的低電感金屬薄膜電阻作為測(cè)流電阻。

所述運(yùn)算放大器采用TI公司生產(chǎn)的低功耗CMOS運(yùn)算放大器OPA2333。舵機(jī)在換向過程中，測(cè)流電阻兩端最小電壓600uV，因此要求運(yùn)算放大電路應(yīng)具有高輸入阻抗、很高的共模抑制比、低噪聲、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。TI公司生產(chǎn)的低功耗CMOS運(yùn)算放大器OPA2333具有超低失調(diào)電壓(26uV)、極低的靜態(tài)電流(17uA)、Rail-to-Rail輸入輸出特性、以及級(jí)低的溫漂等特性。同時(shí)，OPA2333提供了非常好的共模抑制比(CMRR)，放大倍數(shù)可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)，并且該放大器驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)不需要外接外圍電路來達(dá)到阻抗匹配。

在舵機(jī)供電電路中串聯(lián)一個(gè)小阻值的測(cè)流電阻R_SENSE。舵機(jī)在正常工作過程中，采用運(yùn)算放大器對(duì)測(cè)流電阻R_SENSE兩端的電壓V_a進(jìn)行放大，并使用A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將運(yùn)算放大器放大后的模擬電壓V_b轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，主控制器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后將結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)結(jié)果，利用公式(1)和公式(2)計(jì)算出測(cè)流電阻R_SENSE兩端的電壓V_a以及流過測(cè)流電阻R_SENSE的電流I_SENSE：

V_a＝V_b/K (1)

I_SENSE＝V_a/R_SENSE (2)

則機(jī)器魚尾鰭能耗為：

E＝VI_SENSEt

測(cè)流電阻R_SENSE阻值的選取考慮以下幾點(diǎn)：一、電壓損失。若測(cè)流電阻R_SENSE較大，則其分壓也會(huì)較大，則會(huì)影響舵機(jī)的正常工作。為了使其分壓損失最小，需選用阻值盡量小的測(cè)流電阻R_SENSE。二、精確性。若測(cè)流電阻R_SENSE較大，可使較小的電流被更精確地測(cè)量。為了獲得最好的測(cè)量效果，需結(jié)合已選擇的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1169的最大輸入電壓以及運(yùn)算放大器電路的放大倍數(shù)來對(duì)測(cè)流電阻大小進(jìn)行考慮。三、能量損失。當(dāng)舵機(jī)工作電流較大時(shí)，測(cè)流電阻R_SENSE上的能量損失將比較顯著，若不考慮該問題，在舵機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作的過程中，測(cè)流電阻R_SENSE上的能量消耗將會(huì)較大。其溫度也會(huì)隨著升高，測(cè)流電阻R_SENSE的阻值也會(huì)產(chǎn)生溫度漂移，從而造成測(cè)量誤差。

本發(fā)明提供的機(jī)器魚尾鰭能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在舵機(jī)的供電回路中串聯(lián)測(cè)流電阻，并利用運(yùn)算放大器將測(cè)流電阻兩端的電壓放大，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后上傳到上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)收到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，得到機(jī)器魚尾鰭的能耗。該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)硬件的要求低，與現(xiàn)有技術(shù)中的對(duì)硬件要求極高、只能應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的方法相比，本發(fā)明提供的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的要求不高，能夠應(yīng)用在有水的環(huán)境，而且，通過檢測(cè)電阻測(cè)量舵機(jī)電壓，進(jìn)而得到機(jī)器魚尾鰭能耗的測(cè)量方式精度高，且基于該原理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有很大優(yōu)勢(shì)。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。