CN104260836A - 一种用于水域信息采集的水域侦察机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于水域信息采集的水域侦察机器人及其控制方法。水域侦察机器人包括船体和安装在船体上的驱动单元、主控单元、水域信息采集单元、能量供应单元以及无线通信单元;所述船体采用圆柱形船体结构;所述驱动单元为贯穿船体的两个导管螺旋桨,两个导管螺旋桨对称安装在船体两侧;导管螺旋桨为内设螺旋桨的导管且导管由轻质坚固材料制成,每个导管的端口安装过滤防护网,螺旋桨位于导管内部的中间位置;一种用于水域信息采集的水域侦察机器人的控制方法,所述水域侦察机器人依靠水流推动前进,当进入死水区时,启动导管螺旋桨的驱动电机,在电子罗盘模块和流域信息的指导下对船体进行控制,实现姿态调整并脱离死水区。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于水域信息采集的水域侦察机器人及其控制方法,特别是涉及一种采用圆柱形船体结构和导管螺旋桨并主要依靠水流推动前进的水上机器人及其控制方法。
背景技术
洪灾和水质污染是最为严重的流域安全问题,与百姓的生活息息相关。洪灾是由于江、河、湖、库水位猛涨,堤坝漫溢或溃决,使洪水入境而造成的灾害,具有频发性、普遍性、破坏性、区域性等特点。我国水网密布,而且每年春季和夏季洪水时有泛滥,除沙漠、极端干旱区和高寒区外,我国其余大约2/3的国土面积都存在不同程度和不同类型的洪水灾害,除了对农业造成重大灾害外,还会造成工业甚至生命财产的巨大损失,是威胁人类生存的十大自然灾害之一。除此之外,我国的水资源存在的一个严重问题是水污染。随着工业进程的推进,水质污染和富营养化成为近年来常见的流域问题,直接关系到人们的饮水安全。
通过洪灾和水域污染的主要特征可以看出其巨大的危害性,所以洪灾和水域污染时期的水域侦察和流域灾情评估工作就显得尤为重要。目前,传统的水域侦察方式主要归结为两类:一类是飞机低空航拍,另一类是水上机器人侦察。
直升飞机或小型飞机低空航拍方法可以快速整体地对水域的情况作初步了解,为洪灾等突发事件的救援工作提供直观的图像信息。但是飞机航拍水域侦察方法受天气条件的影响较大,而且高山峡谷等地形复杂地区气候变化突然,如遇强烈气流或风雨和大雾等能见度较差天气,极易造成事故给工作人员带来危险。如果需要对水域的水位和岸堤破坏等具体情况进行全面详尽地侦察分析,飞机航拍侦察方法的人力物力成本较高,而且操作难度较大,所以本发明采用水上机器人技术进行水域信息采集。
水上机器人采用依靠水流推动前进的运动方式并配合太阳能电池板供能可以解决功耗问题,但洪灾时期流域情况复杂,水流湍急,现有的机器人结构设计的难以保证足够的水流推动力、稳定性和坚固性。
发明内容
为了弥补现有水域侦察方式存在的成本和功耗较高、操作难度大等方面的问题,以及普通船体稳定性和坚固性的不足,本发明提供一种用于水域信息采集的水域侦察机器人及其控制方法,且该水域侦察机器人主要依靠水流推动前进。
本发明采用下述技术方案:一种用于水域信息采集的水域侦察机器人,包括船体和安装在船体上的驱动单元、主控单元、水域信息采集单元、能量供应单元以及无线通信单元,主控单元分别连接水域信息采集单元、无线通信单元和能量供应单元;其特征在于:所述船体采用圆柱形船体结构,船体直径为300~500mm,圆柱形船体厚度为200~250mm,吃水深度150~200mm,船体底层由硬质材料制成;船体外侧为橡胶等弹性材料,船体内部由轻质致密泡沫填充;所述驱动单元为贯穿船体的两个导管螺旋桨,两个导管螺旋桨对称安装在船体两侧,导管螺旋桨的中心至船体下底面的距离为50~60mm;导管螺旋桨为内设螺旋桨的导管且导管由轻质坚固材料制成,外径为80~100mm,每个导管的端口安装过滤防护网,螺旋桨位于导管内部的中间位置;通过两侧驱动电机转速和转向的配合可以实现船体的三种控制模式:船体两侧驱动电机推动力和喷水方向相同时,向后喷水实现船体直线前进,向前喷水实现船体直线后退;两侧驱动电机推动力相同而喷水方向相异时,左侧导管螺旋桨向前喷水而右侧导管螺旋桨向后喷水实现船体水平方向逆时针零半径旋转;左侧导管螺旋桨向后喷水而右侧导管螺旋桨向前喷水实现船体水平方向顺时针零半径旋转;前进或后退和水平方向零半径旋转这两种运动模式的配合使用可以实现船体的曲线运动。
一种用于水域信息采集的水域侦察机器人的控制方法,其特征在于:所述水域侦察机器人依靠水流推动前进,当水域侦察机器人进入死水区时,启动导管螺旋桨的驱动电机,在电子罗盘模块和流域信息的指导下对船体进行控制,实现姿态调整并脱离死水区;当需要在指定水域持续信息采集时,启动驱动电机逆水流方向推动机器人,从而使机器人速度减缓以增加在指定水域的信息采集时间;当需要前往指定水域采集信息时,启动驱动电机顺水流方向推动机器人,从而使机器人加速抵达目标水域。
本设计提供一种能够侦察洪灾或污染水域情况的水域侦察机器人,通过将水位和水域画面信息与位置信息融合后利用GPRS进行数据回传,可以全流域侦察洪灾情况并根据数据分析判断侦察水域的受灾情况。
本发明有以下优点和有益效果:
(1) 该水域侦察机器人可以对流经水域的水位和画面信息进行全流域侦察,与现有的飞机航拍侦察手段相比,投入人力物力成本较少,受天气状况的影响较小;而且机器人设备成本低、结构简单且易实现,降低了使用门槛;设备的投放和回收便捷,可以快速应用到洪灾侦察或全流域的环境检测中。
(2) 与现有水上机器人的豆荚形单体船和双体船结构相比,该机器人采用的圆柱形船体结构设计,使船体在水中获得的推动力更大,橡胶等材质的使用使得船体整体防撞性能较强,适合依靠水流推动前进的动力特点,也可以应对洪灾等水域恶劣的工作环境;蓄电池和电路板安装位置较低,降低船体重心,导管螺旋桨提供的推动力方向与船体重心在同一水平面,可以减轻螺旋桨启动时船体的摇晃,从而提高了船体重心稳定性。
该机器人圆柱形船体两侧对称位置安装贯穿船体的导管螺旋桨,提高推进效率的同时也能够保护设在导管内部的螺旋桨;导管螺旋桨竖直方向贴近圆柱形船体的下底面,与水面保持合适的距离可以防止水面漂浮杂物堵塞导管,可以适应复杂的水域环境。
(3) 水域侦察机器人主要依靠水流推动前进,在进入死水区或者需要前往指定水域持续信息采集时才启动电机,使机器人按指定方式运动,而且相对常见的水上测量装置而言,机器人船身尺寸较小,功耗较低;供能单元利用太阳能板将太阳能转换为电能存储在蓄电池中,为各模块的工作供电,可以实现较长时期和大范围的流域信息侦察工作。
船体两侧驱动电机推动力和推动方向相同时可以沿导管方向直线前进或后退,两侧驱动电机的推动力相同而推动方向相异时可以对船体快速进行零半径旋转;两侧驱动电机推动力相异而推动方向相同时,实现船体行进间的运动方向修正,因此可以通过对两侧驱动电机的控制灵活地实现机器人航线的修正或摆脱死水区域。
附图说明
图1是水域侦察机器人船体结构示意图。
图2是水域侦察机器人船体结构剖面图。
图3是水域侦察机器人船体结构主视图。
图4是水域侦察机器人船体结构俯视图。
图5是水域侦察机器人的系统模块图。
图6是机器人的信息逻辑结构图。
图7 是水域侦察机器人的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
一种用于水域信息采集的水域侦察机器人,包括船体和安装在船体上的驱动单元、主控单元、水域信息采集单元、能量供应单元以及无线通信单元,主控单元分别连接水域信息采集单元、无线通信单元和能量供应单元;所述船体采用圆柱形船体结构,船体直径为300~500mm,圆柱形船体厚度为200~250mm,吃水深度150~200mm,船体底层由硬质材料制成;船体外侧为橡胶等弹性材料,船体内部由轻质致密泡沫填充;所述驱动单元为贯穿船体的两个导管螺旋桨,两个导管螺旋桨对称安装在船体两侧,导管螺旋桨的中心至船体下底面的距离为50~60mm;导管螺旋桨为内设螺旋桨的导管且导管由轻质坚固材料制成,外径为80~100mm,每个导管的端口安装过滤防护网,螺旋桨位于导管内部的中间位置;通过两侧驱动电机转速和转向的配合可以实现船体的三种控制模式:船体两侧驱动电机推动力和喷水方向相同时,向后喷水实现船体直线前进,向前喷水实现船体直线后退;两侧驱动电机推动力相同而喷水方向相异时,左侧导管螺旋桨向前喷水而右侧导管螺旋桨向后喷水实现船体水平方向逆时针零半径旋转;左侧导管螺旋桨向后喷水而右侧导管螺旋桨向前喷水实现船体水平方向顺时针零半径旋转;前进或后退和水平方向零半径旋转这两种运动模式的配合使用可以实现船体的曲线运动。
在船体上方安装长方体的电路外壳,电路外壳下半部分内嵌于船体,电路外壳的顶部安装太阳能板,所述能量供应单元由蓄电池和为蓄电池充电的太阳能板构成,且蓄电池安装在电路外壳下方的船体内;所述水域信息采集单元包括广角摄像头和水声换能器,所述广角摄像头设在电路外壳侧面,所述水声换能器设在船体底部中心并用于检测洪水深度,在电路外壳内密封有多层电路板。
实施例2
一种用于水域信息采集的水域侦察机器人的控制方法,所述水域侦察机器人依靠水流推动前进,当水域侦察机器人进入死水区时,启动导管螺旋桨的驱动电机,在电子罗盘模块和流域信息的指导下对船体进行控制,实现姿态调整并脱离死水区;当需要在指定水域持续信息采集时,启动驱动电机逆水流方向推动机器人,从而使机器人速度减缓以增加在指定水域的信息采集时间;当需要前往指定水域采集信息时,启动驱动电机顺水流方向推动机器人,从而使机器人加速抵达目标水域。
所述的水域侦察机器人根据由电子罗盘模块和流域信息获得的船体运动方向和采集目标方向之间的夹角,通过控制船体两侧电机的转速和转向对船体水平方向进行适时调整,从而使目标方向与运动方向基本吻合。
图1所示为水域侦察机器人船体结构示意图,图2是水域侦察机器人船体结构剖面图,图3是水域侦察机器人船体结构主视图,图4是水域侦察机器人船体结构俯视图。水域侦察机器人包括船体和安装在船体上的驱动单元、主控单元、水域信息采集单元、能量供应单元以及无线通信单元,主控单元分别连接水域信息采集单元、无线通信单元和能量供应单元。该机器人采用圆柱形船体结构,该机器人采用圆柱形船体结构,船体1直径为500mm,圆柱形船体厚度为200mm,吃水深度160mm,船体1底层由硬质材料制成;船体1外侧为橡胶等弹性材料,船体1内部由致密泡沫填充;所述驱动单元为贯穿船体1的导管螺旋桨2,两个导管螺旋桨2对称安装在船体两侧,导管螺旋桨的中心至船体下底面的距离为50mm;导管螺旋桨2的导管由轻质坚固材料制成,外径为80mm,每个导管的端口安装过滤防护网3,螺旋桨位于导管内部的中间位置,导管螺旋桨2驱动电机的旋转可以为机器人的运动提供动力;通过两侧驱动电机转速和转向的配合可以实现船体1的三种控制模式:船体1两侧驱动电机推动力和推动方向相同时,实现船体1沿导管方向直线前进或后退;两侧驱动电机推动力相同而推动方向相异时,实现船体1水平方向顺时针或逆时针的零半径旋转;前进或后退和水平方向零半径旋转这两种运动模式的配合可以实现船体1的曲线运动。
该机器人圆柱形船体1上方安装长方体的电路外壳4,电路外壳4下半部分内嵌于船体1,电路外壳4下方的船体内安装蓄电池5,外壳4接口部分均有密封槽,内部密封有多层电路板6;电路外壳4的侧面安装有广角摄像头7,可以进行水域画面的拍摄;电路外壳4的顶部安装太阳能板9,圆柱形船体1底部中心安装水声换能器8用于检测洪水深度,太阳能板9安装在电路外壳4上表面。
如图5所示为水域侦察机器人的系统模块图,由图可知水域侦察机器人设有控制处理器以及受控于控制处理器的水位信息采集模块、图像采集模块、GPS导航模块、罗盘定位模块、电源管理模块、用于数据回传的无线通信模块和用于机器人在死水区前进的推进电机模块。其中控制处理器为带有A/D采集功能的低功耗处理器;水位信息采集模块设有水位传感器,可以获取水域深度数据;图像采集模块利用广角摄像模块对水域的实际情况进行拍摄获取画面信息;GPS模块和罗盘定位模块为水位和画面信息提供位置信息,使得所获信息具有实际参考价值;电源管理模块设有太阳能板和蓄电池,蓄电池采用镍氢充电电池,在充电管理芯片CN3772的控制下将太阳能转化为电能存储于蓄电池为系统供电;无线通信模块主要用于机器人采集的水域数据的回传和机器人摆脱死水区的远程控制;导管螺旋桨的推进电机在机器人进入死水区或偏离航线时启用,使机器人摆脱死水区进入正常行进路线。
如图6所示为水域侦察机器人的信息逻辑结构图,机器人侦察的水域水位和画面信息与GPS模块提供的位置信息融合和回传到总控基站,如果通信信号无法进行正常数据传送,则暂时存储在SD存储卡中并择机回传;根据位置信息的变化情况和画面信息可以判断机器人是否正常行进,如果进入死水区域,在电子罗盘模块的信息指导下可以对机器人进行远程控制,启动导管螺旋桨的推进电机使机器人摆脱死水区域。
如图7 所示为水域侦察机器人的工作流程图,机器人在水流的推动下前进,间隔固定时间将进行一次侦察,获得该时刻所在水域的水位和画面信息,并与机器人的位置信息融合和通过GPRS回传到基站,用于水域情况的分析。
实际操作过程中机器人的具体工作步骤如下:
(1) 开始,初始化MCU,太阳能供电系统启动;
(2) 水域侦察机器人通过传感器完成对水位收集、受灾图片的采集;通过卫星定位系统(GPS)来实现轨迹监控;并通过GPRS系统来实现对经过融合的水位探测信息及采集图片的数据进行传送;
(3) 根据位置信息判断机器人行进状态,如果进入死水区,水域侦察机器人的电机启动,利用船载太阳能电源为船体姿态调整、脱离死水区供电。
Claims (4)
1.一种用于水域信息采集的水域侦察机器人,包括船体(1)和安装在船体上的驱动单元、主控单元、水域信息采集单元、能量供应单元以及无线通信单元,主控单元分别连接水域信息采集单元、无线通信单元和能量供应单元;其特征在于:所述船体(1)采用圆柱形船体结构,船体(1)直径为300~500mm,圆柱形船体厚度为200~250mm,吃水深度150~200mm,船体(1)底层由硬质材料制成;船体(1)外侧为橡胶等弹性材料,船体(1)内部由轻质致密泡沫填充;所述驱动单元为贯穿船体(1)的两个导管螺旋桨(2),两个导管螺旋桨(2)对称安装在船体两侧,导管螺旋桨(2)的中心至船体下底面的距离为50~60mm;导管螺旋桨(2)为内设螺旋桨的导管且导管由轻质坚固材料制成,外径为80~100mm,每个导管的端口安装过滤防护网(3),螺旋桨位于导管内部的中间位置;通过两侧驱动电机转速和转向的配合可以实现船体(1)的三种控制模式:船体(1)两侧驱动电机推动力和喷水方向相同时,向后喷水实现船体(1)直线前进,向前喷水实现船体直线后退;两侧驱动电机推动力相同而喷水方向相异时,左侧导管螺旋桨(2)向前喷水而右侧导管螺旋桨(2)向后喷水实现船体(1)水平方向逆时针零半径旋转;左侧导管螺旋桨(2)向后喷水而右侧导管螺旋桨(2)向前喷水实现船体(1)水平方向顺时针零半径旋转;前进或后退和水平方向零半径旋转这两种运动模式的配合使用可以实现船体(1)的曲线运动。
2.根据权利要求1所述的用于水域信息采集的水域侦察机器人,其特征在于:在船体(1)上方安装长方体的电路外壳(4),电路外壳(4)下半部分内嵌于船体(1),电路外壳(4)的顶部安装太阳能板(9),所述能量供应单元由蓄电池(5)和为蓄电池(5)充电的太阳能板(9)构成,且蓄电池(5)安装在电路外壳(4)下方的船体内;所述水域信息采集单元包括广角摄像头(7)和水声换能器(8),所述广角摄像头(7)设在电路外壳(4)侧面,所述水声换能器(8) 设在船体(1)底部中心并用于检测洪水深度,在电路外壳(4)内密封有多层电路板(6)。
3.一种用于水域信息采集的水域侦察机器人的控制方法,其特征在于:所述水域侦察机器人依靠水流推动前进,当水域侦察机器人进入死水区时,启动导管螺旋桨(2)的驱动电机,在电子罗盘模块和流域信息的指导下对船体(1)进行控制,实现姿态调整并脱离死水区;当需要在指定水域持续信息采集时,启动驱动电机逆水流方向推动机器人,从而使机器人速度减缓以增加在指定水域的信息采集时间;当需要前往指定水域采集信息时,启动驱动电机顺水流方向推动机器人,从而使机器人加速抵达目标水域。
4.根据权利要求3所述的用于水域信息采集的水域侦察机器人的控制方法,其特征在于:所述的水域侦察机器人根据由电子罗盘模块和流域信息获得的船体(1)运动方向和采集目标方向之间的夹角,通过控制船体两侧电机的转速和转向对船体(1)水平方向进行适时调整,从而使目标方向与运动方向基本吻合。
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