一种水下超声波高度计、水下机器人及泳池清洁机器人

技术领域

本申请涉及水下机器人领域，尤其是涉及一种水下超声波高度计、水下机器人及泳池清洁机器人。

背景技术

高度计是针对众多工业应用领域进行设计的、具有各种量程的高精度测量仪器。其中，水下高度计作用于水下环境，常用于测量水底高度或与障碍物之间的距离。由于水作为传播介质具有强传导率，电磁波在其中无法传播，而声波是通过物体的振动来进行传播的，在水下环境中可以很好的传播。同时，由于超声波具有指向性强，能量大，传播距离远等优点，利用超声波进行测距有着广泛的应用。水下高度计的工作原理可以概括为，通过水声换能器以固定频率发射单波束声波，并根据发射声波与接收到回波的时间差进行测距。

目前已有的水下超声波高度计分为工业级和非工业级。其中，工业级的产品均为金属外壳内防止具有复杂叠层工艺的换能器，高度计具有价格高昂、体积较大的特点，常用于工业级的水下产品使用，如深海环境中对海洋海底的探测等。

非工业级的水下超声波高度计包括以下几种：(1)采用换能器做防水设计，电路板独立非防水；(2)采用两个换能器分别密封，其中一个发射超声波，另一个接收超声波；(3)对电路板和换能器都做防水设计。但是，本申请的发明人发现，上述现有技术中存在以下问题：(1)采用换能器做防水设计，电路板是独立的但为非防水结构，这样就导致电路板无法直接在水下使用，需要进行二次防水封装；(2)采用两个换能器分别密封，通常其中一个发射超声波，另一个接收超声波，这样会造成高度计体积大、成本高；(3)对电路板和换能器都做防水设计，能够实现厘米级测距但测距范围有限(例如5m内)，或能实现十米级测距但无法测较近距离(例如厘米级)，测量范围具有局限性。

发明内容

本申请旨在提供一种体积小巧且能够实现厘米级到十米级测距的解决方案。

根据本申请的第一个方面，提出一种水下超声波高度计，可以包括壳体、电缆、超声波电路模块、声学匹配模块和减振模块，其中：超声波电路模块、声学匹配模块、减振模块设置在壳体内；电缆插设于壳体，与超声波电路模块电连接，且突出于壳体的顶部；超声波电路包括采集板、发射板和换能器，其中：采集板的一端与电缆电连接，另一端与发射板电连接；发射板还与换能器电连接；声学匹配模块包括背层胶体和匹配层胶体，背层胶体设置于减振模块与换能器之间，匹配层胶体设置于换能器与壳体的底部内表面之间，匹配层胶体中添加碳粉、铁粉、钨粉、钼粉、铜粉、钴粉、镍粉、钛粉、钽粉、铝粉、锡粉、铅粉及对应氧化粉末中的任意一种或多种；采集板、发射板和换能器间隔设置于壳体顶部内表面下方；减振模块、背层胶体、换能器和匹配层胶体依次叠层设置，且匹配层胶体贴合于壳体的底部内表面；超声波电路模块、声学匹配模块、减振模块与壳体之间的空隙中填充防水材料。

本申请提出的一种水下超声波高度计，将电路板与换能器放置壳体内，不需要针对电路板二次防水设计；使用非金属壳体封装和灌胶工艺防水，使得体积小巧；同时本申请方案的层叠结构可以兼容探测远距离与近距离盲区。根据本申请提出的方案，能够实现一种体积小巧且能够实现厘米级到十米级测距的水下超声波高度计。

根据一些实施例，一种水下超声波高度计中的壳体材料可以为塑料。

根据该实施方案，本申请提出的一种水下超声波高度计易于封装，成本低廉，并且在非工业场景下的防水效果好。

根据一些实施例，一种水下超声波高度计中的换能器可以为单个压电陶瓷片。

根据该实施方案，本申请提出的一种水下超声波高度计成本低廉，将压电陶瓷片作为超声波换能器，结合本申请的层叠工艺，实现测量效果好、性能稳定且能实现消费级应用。

根据本申请的第二个方面，提出一种水下机器人，可以包括如本申请第一个方面所述的水下超声波高度计。

根据本申请的第三个方面，提出一种泳池清洁机器人，可以包括如本申请第一个方面所述的水下超声波高度计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1为本申请的水下超声波高度计的结构示意图；

图2为本申请的泳池清洁机器人的工作过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请的水下超声波高度计的结构示意图。

参见图1，一种水下超声波高度计包括壳体10、电缆20、超声波电路模块30、声学匹配模块40和减振模块50。

在一些具体实施例中，超声波电路模块30、声学匹配模块40、减振模块50设置在壳体10内。在一些具体实施例中，电缆20穿过所述壳体10的顶部与超声波电路模块30电连接。在一些具体实施例中，超声波电路模块30包括采集板31、发射板32和换能器33。在一些具体实施例中，采集板31的一端通过连接线70与电缆20电连接，另一端通过连接线70与发射板32电连接。发射板32还与换能器33电连接。

上述的水下超声波高度计测距的工作过程如下。电缆20接收外界信号源发出的发射波电信号，并将发射波电信号传输到发射板32。发射板32通过连接线70将发射波电信号传输到到换能器33。换能器33将发射波电信号转化为机械波(即超声波)并发出。换能器33发出的超声波遇到目标物后返回到换能器33。换能器33再将返回的超声波转换为返回波电信号。采集板31通过连接线70采集换能器33接收到的返回波电信号。采集板31通过电缆20将返回波电信号传输到外界信号源。这样，外界信号源可以根据发射波电信号和返回波电信号之间的时间差来计算高度计载体与目标物之间的距离。

声学匹配模块40包括背层胶体41和匹配层胶体42。背层胶体41设置于减振模块50与换能器33之间，匹配层胶体42设置于换能器33与壳体10的底部内表面之间。

采集板31、发射板32和换能器33间隔设置于壳体10顶部内表面下方。减振模块50、背层胶体41、换能器33和匹配层胶体42依次叠层设置，且匹配层胶体42贴合于壳体10的底部内表面。

超声波电路模块30、声学匹配模块40、减振模块50与壳体10之间的空隙中填充有防水材料60。

背层胶体41用于减少换能器33的振荡时间。匹配层胶体42用于换能器33和水介质之间的阻抗匹配，减少或消除声学失配。匹配层胶体42和背层胶体41共同作用，以克服超声波测距过程中近距离测量时的盲区。背层胶体41和匹配成胶体42还用于保护换能器33，防止震动对换能器33造成损害。电缆20用于对上述的水下超声波高度计供电，以及进行数据传输。

根据上述实施方式的水下超声波高度计，将电路板与换能器放置同一个密闭的壳体内，同时内部填充防水材料，不需要针对电路板二次防水设计；使用壳体和灌胶工艺防水，无金属密封防水，使得体积小巧；同时上述实施方式的包括减振模块、背层胶体、匹配层胶体的层叠结构可以兼容测量较远距离和较近距离的盲区。根据本申请提出的方案，能够实现一种体积小巧且能够实现厘米级到十米级测距的水下超声波高度计。

可选地，背层胶体41中可以添加碳粉、铁粉、钨粉、钼粉、铜粉、钴粉、镍粉、钛粉、钽粉、铝粉、锡粉、铅粉及对应氧化粉末中的任意一种或多种。可选地，背层胶体41中添加的任意一种或多种碳粉、铁粉、钨粉、钼粉、铜粉、钴粉、镍粉、钛粉、钽粉、铝粉、锡粉、铅粉及对应氧化粉末占背层胶体41体积的比例在20％-80％之间。可选地，背层胶体41的厚度在1mm-4mm范围内。根据上述实施方式的水下超声波高度计，背层胶体41具有良好的吸声减振效果，从而进一步使得换能器33的效果良好。

可选地，匹配层胶体42中可以添加碳粉、铁粉、钨粉、钼粉、铜粉、钴粉、镍粉、钛粉、钽粉、铝粉、锡粉、铅粉及对应氧化粉末中的任意一种或多种。可选地，匹配成胶体42的厚度在0.5mm-1.5mm范围内。可选地，匹配层胶体42中添加的任意一种或多种碳粉、铁粉、钨粉、钼粉、铜粉、钴粉、镍粉、钛粉、钽粉、铝粉、锡粉、铅粉及对应氧化粉末占匹配层胶体42体积的比例在20％-80％之间。

根据上述实施方式的水下超声波高度计，匹配成胶体42的具有良好的阻抗匹配效果，从而使得换能器33的灵敏度和准确性高。

可选地，壳体10的材质为塑料，例如聚氯乙烯。可选地，换能器33为压电陶瓷片。根据上述实施方式的水下超声波高度计，壳体材料和换能器容易得到且价格低廉，能够在实现良好防水作用的同时做到降到成本。

可选地，减振模块50为泡沫胶体，用于减少换能器33的振荡时间，同时可以防止超声回波。可选地，减振材料50的材料可以为氨酯泡沫、乳胶泡沫、聚酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫，EVA泡沫中的任意一种。可选地，减振材料50的厚度在2mm-4mm之间。可选地，减振材料50的硬度在40-70A之间。可选地，减振材料50的表观密度在100-200kg/m

可选地，防水材料60为环氧胶、聚氨酯、有机硅胶中的任意一种。根据上述实施方案的水下超声波高度计，能够实现密封防水良好，以及能有效防止盐雾和震动对高度计损害的效果。

可选地，匹配层胶体42的厚度为四分之一波长的奇数倍。

表1为本申请提出的水下超声波高度计的实测情况。在表1中，申请人在距本申请提出的水下超声波高度计15cm-2000cm远范围内的多个不同距离位置处设置障碍物，并利用本申请提出的水下超声波高度计对障碍物的距离进行多次测试。

测试结果显示，本申请提出的水下超声波高度计在15cm-2000cm范围内的不同距离位置上的测量距离相较于障碍物的实际设置距离之间的误差较小，测量结果准确，并且在多次测量中均保持性能稳定，具有较高的实用性。

表1

图2为本申请的泳池清洁机器人的工作过程示意图。如图2所示的实施例中，一种泳池清洁机器人中包括图1所示的水下超声波高度计。下面结合图1对泳池清洁机器人的工作过程进行描述。

在图2所示的实施例中，泳池清洁机器人202用于清洁泳池200的内壁。泳池清洁机器人202包括信号源211和水下超声波高度计212。

在清洁过程中，泳池清洁机器人202需要探测其自身到泳池左内壁201之间的水平距离，信号源211将发射波电信号发送给水下超声波高度计212。

水下超声波高度计212中的电缆20接收信号源211发送的发射板电信号，将发射波电信号传输到发射板32。发射板32通过连接线70将发射波电信号传输到到换能器33。换能器33将发射波电信号转化为发射超声波并向水平方向发送。发射超声波到达泳池左内壁201之后，返回为返回超声波。换能器33再将返回超声波转换为返回波电信号。采集板31通过连接线70采集换能器33接收到的返回波电信号。采集板31通过电缆20将返回波电信号传输到信号源211。信号源211根据发射波电信号与返回波电信号之间的时间差，计算得出泳池清洁机器人202到泳池左内壁201之间的距离。

根据上述实施方式的泳池清洁机器人，利用水下超声波高度计测量机器人与目标物之间的距离，从而实现有效避让障碍物、提升清洁效率和覆盖程度的有益效果。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。