CN106313067B - 水下机器人通讯对接系统、水下机器人及集群控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下机器人通讯对接系统、水下机器人及集群控制系统，本水下机器人通讯对接系统，包括：处理器模块，与该处理器模块相连的通讯装置；其中通过通讯装置构建通讯网络以实现水下机器人的跟踪和/或定位；本发明的水下机器人通讯对接系统、水下机器人、集群控制系统及其工作方法，通过三阶段分步靠拢方式，克服了水下情况复杂，范围宽广的工作特点，采用三种通信方式满足了水下机器人在不同间距下完成汇聚，并且还能够提高水下行进效率，降低行进过程中的电能消耗，并且使电能能够均匀分配至各水下机器人，延长续航时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下机器人通讯对接系统、水下机器人及集群控制系统。
背景技术
21世纪，海洋所蕴含的丰富的能量与资源是人类在地上资源枯竭的形势下赖以生存的重要补给。同时，智能系统成为国家战略发展的新高地。于是，将智能装备应用于海洋是毋庸置疑的发展趋势。目前，水下智能装备的主要形式是水下机器人，主要功能有勘探，采集，维修，基建，军用与搜救等。相比于单个机器人，目前水下多机器人系统由于便于运输，可以发挥体系优势而尤为受到重视。
但是现今的多机器人系统十分讲究团体协作，团体协作的默契程度决定着多机器人系统的工作效率，如果对多机器人系统进行直接操作需要大量的技术人员参与，更要耗费大量的人力物力，却很难完成相互之间的配合以及行之有效的对接。如此行之，多机器人系统也许会一步步沦为可有可无的鸡肋。就此而言，机器人领域对于通信能力的需求与日俱增。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下机器人通讯对接系统，以实现当多水下机器人协同工作时，构建水下通讯网络。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下机器人通讯对接系统，包括：处理器模块，与该处理器模块相连的通讯装置；其中通过通讯装置构建水下机器人通讯网络以实现水下机器人的跟踪和/或定位和/或汇聚。
进一步，所述通讯装置包括机械波通讯模块、声呐模块和红外线模块；其中
机械波通讯模块适于产生用于远距离通讯的机械波；
声呐模块适于产生用于中距离通讯的高频超声波；以及
红外线模块适于产生用于近距离通讯的红外信号。
又一方面，本发明还提供了一种水下机器人，以实现对蓄电池电量合理分配，便于在多机器人协同行进时提高水下续航能力。
水下机器人的首端设有机械手，其末端设有夹持端，以及水下机器人内设有充放电控制模块；其中所述机械手、夹持端内设有通电回路触点，以及各通电回路触点均连通充放电控制模块；所述充放电控制模块适于通过相应通电回路触点实现对水下机器人内锂电池进行充电或放电。
进一步，所述水下机器人还包括：动力装置；所述水下机器人的主体呈梭形；所述动力装置包括三个螺旋桨式电机推进器，且分布于外壁；所述处理器模块适于控制三个螺旋桨式电机推进器协同工作，以控制水下机器人水下行进；以及绕外壁设有环形导轨，所述螺旋桨式电机推进器的支撑翼根部设有嵌于环形轨道的滑动装置；所述处理器模块适于通过滑动装置带动螺旋桨式电机推进器沿环形导轨移动，以改变各螺旋桨式电机推进器之间的夹角。
进一步，所述水下机器人还包括：所述主体的外壁设有光伏电池板，且通过充放电控制模块对锂电池进行充电。
第三方面，本发明还提供了一种集群控制系统。
所述集群控制系统包括至少两个所述水下机器人，以及用于协调各机器人工作的服务器。
进一步，各水下机器人适于在各自的活动区域进行搜索活动，当其中一水下机器人发现目标后，将目标位置发送至服务器，且由服务器通知各水下机器人；以及所述服务器适于根据各水下机器人当前的位置与目标位置确定一汇聚点，即服务器通知各水下机器人行进至该汇聚点进行汇合，并队列前往目标地点。
进一步，所述水下机器人队列，即各水下机器人首尾相连，后一水下机器人通过机械手夹持前一水下机器人的夹持端；即后一水下机器人的机械手的通电回路触点与前一水下机器人的夹持端的通电回路触点相连通；前、后水下机器人的充放电控制模块通过相应处理器模块计算各自的锂电池的电量，并调节两锂电池的电量使电量平均。
进一步，所述水下机器人的主体呈梭形；所述动力装置包括三个螺旋桨式电机推进器；所述处理器模块适于控制三个螺旋桨式电机推进器协同工作，以控制水下机器人水下行进；以及绕外壁设有环形导轨，所述螺旋桨式电机推进器的支撑翼根部设有嵌于环形轨道的滑动装置；所述处理器模块适于通过滑动装置带动螺旋桨式电机推进器沿环形导轨移动，以改变各螺旋桨式电机推进器之间的夹角；当各水下机器人组成队列后，各水下机器人的螺旋桨式电机推进器均呈120°分布，且适于交错设置。
本发明的有益效果是，本发明的水下机器人通讯对接系统、水下机器人、集群控制系统及其工作方法，构建稳定、可靠的水下机器人通讯网络，具体通过三阶段分步靠拢方式，克服了水下情况复杂，范围宽广的工作特点，采用三种通信方式满足了水下机器人在不同间距下完成汇聚，并且还能够通过水下机器人队列行进提高水下行进效率，降低行进过程中的电能消耗，并且使电能能够均匀分配至各水下机器人，延长续航时间。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1本发明的水下机器人的控制原理图；
图2是本发明的水下机器人立体图；
图3是本发明的水下机器人的俯视图；
图4是本发明的水下机器人的局部视图；
图5是本发明的水下机器人的螺旋桨式电机推进器移动后结构示意图一；
图6是本发明的水下机器人的螺旋桨式电机推进器移动后结构示意图二；
图7是集群控制系统的搜索区域示意图；
图8是水下机器人队列示意图；
图9是水下机器人队列后的螺旋桨式电机推进器呈交错设置的示意图。
图中：主体1、螺旋桨式电机推进器2、支撑翼201、环形导轨3、滑动装置4、从动轮组401、主动轮组402、机械手5、夹持端6。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
如图1所示，本实施例1提供了一种水下机器人通讯对接系统，包括：
处理器模块，与该处理器模块相连的通讯装置；其中通过通讯装置构建水下机器人通讯网络以实现水下机器人的跟踪和/或定位和/或汇聚。
可选的，水下机器人的通信方式例如但不限于采用三阶段分步靠拢方式，即在两机器人逐渐靠拢的过程中运用三种通信技术，具有高效率，高智能化，高稳定性的特点。具体的，将复杂的靠拢过程根据三种通讯方式根据各自通讯的特点，按照距离划分为三个不同阶段，采用三种相适应的通讯方式可以使多台水下机器人接近目标并协同进行定位(交替工作，保持一部分对目标进行尾随并进行不间断定位，另一部分适时上浮充电)。
因此，作为通讯装置一种可选的实施方式，所述通讯装置包括机械波通讯模块、声呐模块和红外线模块；其中机械波通讯模块适于产生用于远距离通讯的机械波；声呐模块适于产生用于中距离通讯的高频超声波；以及红外线模块适于产生用于近距离通讯的红外信号。
在本实施例中，由于水下机器人所处的水下情况复杂，且工作区域范围宽广的工作特点，需要进行靠拢的两水下机器人间的距离往往是或长或短而不是相对固定的，在不同的距离条件下，选择最适合其相互靠拢直至进入协同配合距离的方式。
具体的，在两水下机器人相距例如但不限于100m以上时，通过机械波控制两水下机器人靠拢，在机器人靠拢至50m以下时，通过高频超声波确定两水下机器人的精确方位，再进行进一步靠拢；当两水下机器人的距离低于50cm时，通过红外信号进行跟随对接，以构成水下机器人群协同控制群组。
实施例2
如图1所示，在实施例1基础上，本实施例2提供了一种水下机器人，水下机器人的首端设有机械手，其末端设有夹持端，以及水下机器人内设有充放电控制模块；其中所述机械手、夹持端内设有通电回路触点，以及各通电回路触点均连通充放电控制模块；所述充放电控制模块适于通过相应通电回路触点实现对水下机器人内锂电池进行充电或放电。
所述充放电控制模块例如包括但不限于采用LT1513、FS1610，以及控制芯片TPS2419。
具体的，所述充放电控制模块通过输入输出切换模块与通电回路触点的连线相连，其中，所述输入输出切换模块例如但不限于采用二选一模拟开关，且该模块开关由处理器模块控制，并且所述处理器模块适于从充放电控制模块获取蓄电池当前电量，且通过无线通讯方式或任一种已知的方式发送至另一水下机器人或者实施例3中所述服务器。
如图2至图6所示，所述水下机器人包括：所述水下机器人的主体1呈梭形；所述动力装置包括三个螺旋桨式电机推进器，且呈120°分布于外壁；所述处理器模块适于控制三个螺旋桨式电机推进器协同工作，以控制水下机器人水下行进。
具体的，所述水下机器人水下行进方式包括但不限于沉浮、转向、横移、纵倾，具体行进与各螺旋桨式电机推进器的对应关系如表1所示。
水下机器人行进与各螺旋桨式电机推进器的对应关系表
| 行进方式 | 推进器一 | 推进器二 | 推进器三 |
| 上升 | 正转 | 正转 | 正转 |
| 下沉 | 反转 | 反转 | 反转 |
| 调整到水平姿态 | 正转 | 反转 | 反转 |
| 调整到竖直姿态 | 反转 | 正转 | 正转 |
| 前进 | 反转 | 反转 | 反转 |
| 后退 | 正转 | 正转 | 正转 |
| 水平时左转 | 不转或反转 | 反转 | 正转 |
| 水平时右转 | 不转或反转 | 反转 | 正转 |
| 水平时斜上倾 | 正转 | 反转 | 反转 |
| 水平时斜下倾 | 反转 | 正转 | 正转 |
表1中，第一螺旋桨式电机推进器简称为推进器一，以此类推。
优选的，为了进一步提高水下机器人行进效率，例如减小水下机器人行进中的转弯半径；绕外壁设有环形导轨3，所述螺旋桨式电机推进器的支撑翼201根部设有嵌于环形轨道的滑动装置4；所述处理器模块适于通过滑动装置4带动螺旋桨式电机推进器沿环形导轨3移动(如图4箭头F1所示)，以改变各螺旋桨式电机推进器之间的夹角。
具体的，所述滑动装置4包括：位于环形导轨3内的从动轮组401，以及位于主体1内的主动轮组402，以及该主动轮组402由一直流电机带动转动，且该直流电机由处理器模块控制；优选的，所述主动轮组402的行进轨道位于主体1内壁，所述主动轮组402中至少设有一个锁止齿轮，且行进轨道设有与该锁止齿轮配合的锁止齿，当直流电机停转后，锁止齿轮与锁止齿配合，对滑动装置4、螺旋桨式电机推进器的位置进行锁定。
例如当水下机器人水下转弯时，第一螺旋桨式电机推进器作为转弯支点，第二、第三螺旋桨式电机推进器相向移动，且并拢(如图5中箭头F2和箭头F3所示)，即与第一螺旋桨式电机推进器以主体1的中心轴对称设置；其中，第一螺旋桨式电机推进器不转或反转，其余两螺旋桨式电机推进器正转，进而实现水下机器人小半径转弯，降低转弯半径，降低能耗。
作为水下转弯的一种形式，如图6所示，当水下机器人由垂直姿态调整为水平姿态时(如箭头F4所示)，第一螺旋桨式电机推进器作为转弯支点，第二、第三螺旋桨式电机推进器相向移动，且并拢，即与第一螺旋桨式电机推进器以主体1的中心轴对称设置；其中，第一螺旋桨式电机推进器反转，其余两螺旋桨式电机推进器正转，进而实现水下机器人快速姿态调整，节约姿态调整时的电量需求。
可选的，母船(安装服务器)通过接收各水下机器人的通讯装置对相应水下机器人进行定位。
所述水下机器人还包括：所述主体的外壁设有光伏电池板，且通过充放电控制模块对锂电池进行充电。
所述处理器模块例如但不限于采用ARM9处理器。
实施例3
如图7至图9所示，本实施例3还提供了一种集群控制系统，包括至少两个如实施例2所述的水下机器人，以及用于协调各机器人工作的服务器(位于母船上)。
各水下机器人适于在各自的活动区域进行搜索活动，当其中一水下机器人发现目标后，将目标位置发送至服务器，且由服务器通知各水下机器人；以及所述服务器适于根据各水下机器人当前的位置(例如图7中A和B)与目标位置确定一汇聚点(如图7中y)，即服务器通知各水下机器人行进至该汇聚点进行汇合，并队列前往目标地点(如图7中x所示)。其中汇合路径如图7中虚线所示，汇聚点y移动至目标地点x的路径由各水下机器人列队后同时进行，如图7中实线所示。
所述汇聚点具体为各水下机器人汇聚后到达目的地能量消耗最少的地点。
所述水下机器人队列，即各水下机器人首尾相连，后一水下机器人通过机械手夹持前一水下机器人的夹持端；即后一水下机器人的机械手的通电回路触点与前一水下机器人的夹持端的通电回路触点相连通；前、后水下机器人的充放电控制模块通过相应处理器模块计算各自的锂电池的电量，并调节两锂电池的电量使电量平均，进而达到均匀分配延长续航能力的目的。
具体的，若两个以上的水下机器人形成队列，则确定某一水下机器人的锂电池电量最高，则通过各水下机器人的机械手、夹持端构建充电或放电回路，将电量最高的锂电池的电量对其他水下机器人的锂电池进行充电，重新分配电能，并且能保证在队列中位于首端的水下机器人能够获得足够持续的电能，继而带领水下机器人队列共同前往目的地。
并且形成队列能够有效的降低水中阻力，起到节约电能的效果。
所述水下机器人的主体呈梭形；所述动力装置包括三个螺旋桨式电机推进器；所述处理器模块适于控制三个螺旋桨式电机推进器协同工作，以控制水下机器人水下行进；以及绕外壁设有环形导轨，所述螺旋桨式电机推进器的支撑翼根部设有嵌于环形轨道的滑动装置；所述处理器模块适于通过滑动装置带动螺旋桨式电机推进器沿环形导轨移动，以改变各螺旋桨式电机推进器之间的夹角；当各水下机器人组成队列后，各水下机器人的螺旋桨式电机推进器均呈120°分布，且适于交错设置，以使水下机器人列队在行进过程中降低能耗，延长水下机器人的水下作业时间。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种水下机器人通讯对接系统，其特征在于，包括：
处理器模块，与该处理器模块相连的通讯装置；其中
通过通讯装置构建水下机器人通讯网络；
所述通讯装置包括机械波通讯模块、声呐模块和红外线模块；其中
机械波通讯模块适于产生用于远距离通讯的机械波；
声呐模块适于产生用于中距离通讯的高频超声波；以及
红外线模块适于产生用于近距离通讯的红外信号。
2.一种设有如权利要求1所述的水下机器人通讯对接系统的水下机器人，其特征在于，
水下机器人的首端设有机械手，其末端设有夹持端，以及水下机器人内设有充放电控制模块；其中
所述机械手、夹持端内设有通电回路触点，以及各通电回路触点均连通充放电控制模块；
所述充放电控制模块适于通过相应通电回路触点实现对水下机器人内锂电池进行充电或放电。
3.根据权利要求2所述的水下机器人，其特征在于，
所述水下机器人还包括：动力装置；
所述水下机器人的主体呈梭形；
所述动力装置包括三个螺旋桨式电机推进器，且分布于外壁；
所述处理器模块适于控制三个螺旋桨式电机推进器协同工作，以控制水下机器人水下行进；以及
绕外壁设有环形导轨，所述螺旋桨式电机推进器的支撑翼根部设有嵌于环形轨道的滑动装置；
所述处理器模块适于通过滑动装置带动螺旋桨式电机推进器沿环形导轨移动，以改变各螺旋桨式电机推进器之间的夹角。
4.根据权利要求3所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人还包括：
所述主体的外壁设有光伏电池板，且通过充放电控制模块对锂电池进行充电。
5.一种集群控制系统，其特征在于，包括至少两个如权利要求2所述的水下机器人，以及用于协调各机器人工作的服务器。
6.根据权利要求5所述的集群控制系统，其特征在于，
各水下机器人适于在各自的活动区域进行搜索活动，当其中一水下机器人发现目标后，将目标位置发送至服务器，且由服务器通知各水下机器人；以及
所述服务器适于根据各水下机器人当前的位置与目标位置确定一汇聚点，即
服务器通知各水下机器人行进至该汇聚点进行汇合，并队列前往目标地点。
7.根据权利要求6所述的集群控制系统，其特征在于，
所述水下机器人队列，即各水下机器人首尾相连，后一水下机器人通过机械手夹持前一水下机器人的夹持端；即
后一水下机器人的机械手的通电回路触点与前一水下机器人的夹持端的通电回路触点相连通；
前、后水下机器人的充放电控制模块通过相应处理器模块计算各自的锂电池的电量，并调节两锂电池的电量使电量平均。
8.根据权利要求7所述的集群控制系统，其特征在于，
所述水下机器人还包括：动力装置；
所述水下机器人的主体呈梭形；
所述动力装置包括三个螺旋桨式电机推进器；
所述处理器模块适于控制三个螺旋桨式电机推进器协同工作，以控制水下机器人水下行进；以及
绕外壁设有环形导轨，所述螺旋桨式电机推进器的支撑翼根部设有嵌于环形轨道的滑动装置；
所述处理器模块适于通过滑动装置带动螺旋桨式电机推进器沿环形导轨移动，以改变各螺旋桨式电机推进器之间的夹角；
当各水下机器人组成队列后，各水下机器人的螺旋桨式电机推进器均呈120°分布，且适于交错设置。
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