CN105843248A - 一种水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下航行器领域,旨在提供一种水下机器人。该水下机器人包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统;控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路;结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;用户操作系统由用户终端及辅助部件组成。本发明尺寸小,重量轻,操作简便,无需吊车、船等其它设备辅助,没有任何专业背景的个人即可操作。价格低廉,面向大众消费群体。能够完成水下摄像、水下照相、水下游戏等功能,具有很强的娱乐性、实用性和趣味性。具有智能,能够自动完成水下摄像任务,无需人员帮助。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器领域,尤其涉及一种水下机器人。
背景技术
机器人技术是一种新兴的智能制造技术,在国内外受到广泛应用。大疆无人机和云洲智能无人船的兴起就说明了这一点。自主水下机器人是一种能够在水面以下几米甚至上千米、上万米深度进行自主航行的机器人,具有自动航行、自主导航、自主执行水下任务的能力。与无人机、无人车和无人船相比,自主水下机器人所处的任务环境更加复杂,所使用的传感器和推进系统也有不同。具体表现在:1)高频无线电波在水下十几米以下深度无法使用,将会导致操作人员与水下机器人难以保持良好的通信联系;而采用水声通信机,不仅成本高,且通信速率和容量都无法与无线电波相比;2)电子元部件等任何非水密电子部件、机械部件、推进部件均须做水密、耐压保护,否则将发生渗水、漏水导致不能正常水下航行。
目前,水下机器人用户基本上全部是国家、地方或者企业、高校,价格十分昂贵,体积和重量都很大,装载的传感器为科学仪器,所以面向大众用户的水下机器人出现空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,克服现有技术的不足,提供一种水下机器人。
为解决技术问题,本发明的解决方案是:
提供一种水下机器人,包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统;
所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;其中,耐压舱和耐压前罩均固定于载体框架中;耐压舱有两个,分别为前端耐压舱和后端耐压舱,均由亚克力管制成;耐压前罩由玻璃钢制成,耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置;所述控制与导航系统设于前端耐压舱中,电池则安装在后端耐压舱中;推进器共有4个,其中2个分别安装在载体框架中部位置的左右两侧,另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧;
所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块、和通信电子线路;各模块和电路的连接关系是:自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块,实现数据通信和供电;自动驾驶模块设有电磁继电器,用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断。
所述任务载荷系统包括DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器;其中,DSP和FPGA安装在前端耐压舱中,摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内;DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器,FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器,FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连;
所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成;用户终端是具有触摸可视化屏幕和无线通信接口的遥控设备,能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递;辅助部件包括耳机和手写笔。
本发明中,所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池;所述推进器采用12V、30W有刷直流电机和双叶螺旋桨,直流电机具有水下动密封结构;所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机,并连接了64M的SD存储卡;所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天线;所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块;所述深度传感器采用YF-CS300D低功耗压力传感器;所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器,且由无磁性材料制成的密封舱封闭;所述DSP采用TMS320F28335型号的产品;所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品;所述摄像机采用炫光M800摄像头,其左右两端各安装一个灯;所述照相机采用Canon/佳能IXUS160;所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F夏普红外测距传感器;所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器;所述触摸可视化屏幕采用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏;所述无线通信接口采用EDIMAX EW-7811Un迷你USB无线网卡。
本发明中,所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种:鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或三体结构。
本发明中,所述水下机器人长度为30cm,重量为10kg。
本发明中,所述自动驾驶模块还包括与通讯模块相连的接口,用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
本发明中,所述自动驾驶模块中包括机动控制器;机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得:
τM=Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzW sinθ
上述公式中:τM是垂直面的纵倾力矩,是控制输出量;θ是水下机器人的当前纵倾角,θd是水下机器人当前的目标纵倾角,两者均为水下机器人的状态量,能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到;(θ-θd)是水下机器人的纵倾角误差,q是水下机器人的垂直角速率,两者为控制输入量;Kpθ2是水下机器人的纵倾角误差系数,Kdθ2是水下机器人的垂直角速率系数,BGzW sinθ是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩,三者能通过试验测定获得,是已知参数。
本发明中,所述自动驾驶模块中包括升降控制器;升降控制器力的控制输出量通过下述公式计算获得:
其中,F是垂直面的升降力,是控制输出量;D是水下机器人的当前深度,Dd是水下机器人当前的目标深度,两者是水下机器人的状态量,能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到;(D-Dd)是水下机器人的深度误差,是水下机器人的升降速率,两者是控制输入量;Kp是水下机器人的深度误差系数,Kd是水下机器人的垂直角速率系数,KI是水下机器人的深度误差积分系数,∫(D-θd)dt是深度误差积分,均能通过试验测定获得,是已知参数。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果及优点:
1.本发明尺寸小,重量轻,操作简便,无需吊车、船等其它设备辅助,没有任何专业背景的个人即可操作。
2.本发明价格低廉,面相大众消费群体,能够让每个工作者有能力消费。
3.本发明能够完成水下摄像、水下照相、水下游戏等功能,具有很强的娱乐性、实用性和趣味性。
4.本发明具有智能,能够自动完成水下摄像任务,无需人员帮助。
附图说明
图1是本发明的组成和功能示意图;
图2是本发明的用户操控示意图;
图3是本发明的水下机器人工作原理示意图。
具体实施方式
首先需要说明的是,本发明涉及机器人技术。在本发明的实现过程中,可能会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为,如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后,在结合现有公知技术的情况下,本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴,申请人不一一列举。另外,本发明的实现依赖于多种电子元器件的应用,而这些电子元器件均为现有技术,且有成熟产品可市场购置获得,例如下面提到的自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块、电磁继电器、DSP、FPGA、红外传感器、激光传感器和磁力传感器等等。
本发明在总体设计方面,根据水下机器人组成和功能结构划分将水下机器人分为结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统,其组成和原理如图1所示。装载了任务载荷系统的耐压舱能实现更换,可根据任务要求更换相应的载荷系统。本发明的载体形式采用开放式框架结构和流线型外形。对于水下机器人外形而言,高立扁外形相比于鱼雷形、球形等外形,具有尺寸小、阻力性能好、航速较高、垂直运动能力强等优点。水下机器人长度为30cm,重量为10kg。载体框架可以选用玻璃钢,这类材料与金属和木材相比,具有高的比强度、无磁性、不腐蚀、能防蛀、低成本等优点,通过水动力分析、耐波性计算和水池试验进行验证。按照续航力、航速、任务等指标要求,进行动力需求分析,计算所需理论功率,为动力设备选取提供依据。借鉴现有自主水下机器人动力技术,采用锂电池和螺旋桨推进器作为主动力设备,具有效率高、环保、可正反转运行、抗冲击性好、易于自动控制等优点。在任务模块接口方面,将从安装、供电、通信接口、控制命令、驱动装置等角度,为任务模块开发一套便捷转换接口。
本发明的具体描述如下:
水下机器人包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统;
所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;其中,耐压舱和耐压前罩均固定于载体框架中;耐压舱有两个,分别为前端耐压舱和后端耐压舱,均由亚克力管制成;耐压前罩由玻璃钢制成,耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置;所述控制与导航系统设于前端耐压舱中,电池则安装在后端耐压舱中;推进器共有4个,其中2个分别安装在载体框架中部位置的左右两侧,另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧;
所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块(用于实现自救功能)和通信电子线路;各模块和电路的连接关系是:自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块,实现数据通信和供电;自动驾驶模块设有电磁继电器,用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断。
所述任务载荷系统包括DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器;其中,DSP和FPGA安装在前端耐压舱中,摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内;DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器,FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器,FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连;
所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成;用户终端是具有触摸可视化屏幕和无线通信接口的遥控设备,能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递;辅助部件包括耳机和手写笔。
各设备的选型:所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池;所述推进器采用12V、30W有刷直流电机和双叶螺旋桨,直流电机具有水下动密封结构;所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机,并连接了64M的SD存储卡;所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天线;所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块;所述深度传感器采用YF-CS300D低功耗压力传感器;所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器,且由无磁性材料制成的密封舱封闭;所述DSP采用TMS320F28335型号的产品;所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品;所述摄像机采用炫光M800摄像头,其左右两端各安装一个灯;所述照相机采用Canon/佳能IXUS160;所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F夏普红外测距传感器;所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器;所述触摸可视化屏幕采用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏;所述无线通信接口采用EDIMAX EW-7811Un迷你USB无线网卡。
水下机器人的外形是下述形状中的任意一种:鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或三体结构。水下机器人长度为30cm,重量为10kg。
自动驾驶模块还包括与通讯模块相连的接口,用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
自动驾驶模块中包括机动控制器;机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得:
τM=Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzW sinθ
上述公式中:
τM是垂直面的纵倾力矩,是控制输出量;θ是水下机器人的当前纵倾角,θd是水下机器人当前的目标纵倾角,两者均为水下机器人的状态量,能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到;(θ-θd)是水下机器人的纵倾角误差,q是水下机器人的垂直角速率,两者为控制输入量;Kpθ2是水下机器人的纵倾角误差系数,Kdθ2是水下机器人的垂直角速率系数,BGzW sinθ是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩,三者能通过试验测定获得,是已知参数。
自动驾驶模块中包括升降控制器;升降控制器力的控制输出量通过下述公式计算获得:
其中,F是垂直面的升降力,是控制输出量;D是水下机器人的当前深度,Dd是水下机器人当前的目标深度,两者是水下机器人的状态量,能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到;(D-Dd)是水下机器人的深度误差,是水下机器人的升降速率,两者是控制输入量;Kp是水下机器人的深度误差系数,Kd是水下机器人的垂直角速率系数,KI是水下机器人的深度误差积分系数,∫(D-θd)dt是深度误差积分,均能通过试验测定获得,是已知参数。
用户操控原理如图2所示,本发明的用户操控模块具有与水下机器人的无线通信接口,实现载体控制单元与任务模块的双向数据传输和通信。用户具有触摸屏幕、按钮和无线通信接口,安装有我们所自行开发的用户操控软件。用户可将操控指令通过用户终端通信接口以网络、蓝牙等无线方式发送给水下机器人自动驾驶模块,来操控浅水航行的水下机器人,从而实现用户终端对水下机器人的各种交互和信息传输等功能。
水下机器人工作如图3所示,使用者持用户终端1向本发明的水下机器人发送长波指令,水下机器人由耐压舱6内的电池提供电能,利用耐压舱7内的自主导航模块计算位置,然后再利用耐压舱7内的自动驾驶模块调节推进器2、3、4、5的推力和力矩,实现自主航行;耐压舱6内的电池为机器人提供电子部件动力、任务模块动力和推进器动力,支持机器人长时间水下续航。耐压前罩11内的灯8和9、照相机、摄像机11、激光传感器和红外传感器等任务模块进行观测或作业,例如照相机任务模块可完成水下数百张高清晰拍照,摄像机任务模块可完成全方位高清晰水下摄影。
Claims (7)
1.一种水下机器人,包括结构系统、控制与导航系统、任务载荷系统和用户操作系统;其特征在于,
所述结构系统包括载体框架、耐压舱、耐压前罩、推进器和电池;其中,耐压舱和耐压前罩均固定于载体框架中;耐压舱有两个,分别为前端耐压舱和后端耐压舱,均由亚克力管制成;耐压前罩由玻璃钢制成,耐压前罩、前端耐压舱和后端耐压舱依次布置;所述控制与导航系统设于前端耐压舱中,电池则安装在后端耐压舱中;推进器共有4个,其中2个分别安装在载体框架中部位置的左右两侧,另2个推进器分别安装在载体框架尾部的左右两侧;
所述控制与导航系统包括自动驾驶模块、自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块和通信电子线路;各模块和电路的连接关系是:自动驾驶模块通过通信电子线路分别连接自主导航模块、电机驱动模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块、应急模块,实现数据通信和供电;自动驾驶模块设有电磁继电器,用于控制自主导航模块、姿态传感器模块、深度传感器、通讯模块和应急模块的供电电源通断;
所述任务载荷系统包括DSP、FPGA、摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器;其中,DSP和FPGA安装在前端耐压舱中,摄像机、照相机、灯、红外传感器、激光传感器和磁力传感器安装在耐压前罩内;DSP通过水密连接器分别连接激光传感器和磁力传感器,FPGA通过水密连接器分别连接摄像机、照相机、灯和红外传感器,FPGA和DSP分别与自动驾驶模块相连;
所述用户操作系统由用户终端及辅助部件组成;用户终端是具有触摸可视化屏幕和无线通信接口的遥控设备,能通过无线通信方式与水下机器人实现信号传递;辅助部件包括耳机和手写笔。
2.根据权利要求1所述的水下机器人,其特征在于,所述电池采用NICJOY耐杰12V锂电池;所述推进器采用12V、30W有刷直流电机和双叶螺旋桨,直流电机具有水下动密封结构;所述自动驾驶模块采用STM32F103ZET6单片机,并连接了64M的SD存储卡;所述通讯模块采用GSM小吸盘无线电天线;所述姿态传感器模块采用GY-801三轴磁场加速度陀螺仪大气压强模块;所述深度传感器采用YF-CS300D低功耗压力传感器;所述磁力传感器采用HMC5883三维磁力传感器,且由无磁性材料制成的密封舱封闭;所述DSP采用TMS320F28335型号的产品;所述FPGA采用EP4CE10E22C8N型号的产品;所述摄像机采用炫光M800摄像头,其左右两端各安装一个灯;所述照相机采用Canon/佳能IXUS160;所述红外传感器采用GP2Y0A02YK0F夏普红外测距传感器;所述激光传感器采用M18漫反射激光传感器;所述触摸可视化屏幕采用诺基亚Lumia 630 635 638 RM-1010 978触摸屏;所述无线通信接口采用EDIMAX EW-7811Un迷你USB无线网卡。
3.根据权利要求1所述的水下机器人,其特征在于,所述水下机器人的外形是下述形状中的任意一种:鱼雷形、立扁形、平扁形、蝶形、双体结构或三体结构。
4.根据权利要求1所述的水下机器人,其特征在于,所述水下机器人长度为30cm,重量为10kg。
5.根据权利要求1所述的水下机器人,其特征在于,所述自动驾驶模块还包括与通讯模块相连的接口,用于与水下互联网、云计算系统、人工智能系统或水下物联网的设备与系统实现对接。
6.根据权利要求1所述的水下机器人,其特征在于,所述自动驾驶模块中包括机动控制器;机动控制器的垂直面的纵倾力矩控制输出量通过下述公式计算获得:
τM=Kpθ2(θ-θd)+Kdθ2q+BGzWsinθ
上述公式中:
τM是垂直面的纵倾力矩,是控制输出量;
θ是水下机器人的当前纵倾角,θd是水下机器人当前的目标纵倾角,两者均为水下机器人的状态量,能通过水下机器人的姿态传感器测量和计算得到;
(θ-θd)是水下机器人的纵倾角误差,q是水下机器人的垂直角速率,两者为控制输入量;
Kpθ2是水下机器人的纵倾角误差系数,Kdθ2是水下机器人的垂直角速率系数,BGzWsinθ是水下机器人的重力/浮力垂直静力矩,三者能通过试验测定获得,是已知参数。
7.根据权利要求1所述的水下机器人,其特征在于,所述自动驾驶模块中包括升降控制器;升降控制器力的控制输出量通过下述公式计算获得:
其中,F是垂直面的升降力,是控制输出量;
D是水下机器人的当前深度,Dd是水下机器人当前的目标深度,两者是水下机器人的状态量,能通过水下机器人的深度传感器测量和计算得到;
(D-Dd)是水下机器人的深度误差,是水下机器人的升降速率,两者是控制输入量;
Kp是水下机器人的深度误差系数,Kd是水下机器人的垂直角速率系数,KI是水下机器人的深度误差积分系数,∫(D-θd)dt是深度误差积分,均能通过试验测定获得,是已知参数。
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160810 |