CN106314731B - 水下探测打捞机器人及工作方法、控制系统 - Google Patents

水下探测打捞机器人及工作方法、控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水下探测打捞机器人及工作方法、控制系统，其中，本水下机器人包括：主体，在该主体的外壁设有动力装置，且主体的前端设有机械手；一处理器模块适于通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进，以及还控制机械手实现抓取动作；本发明的水下机器人及其工作方法、控制系统能够实现水下打捞作业，并且还能有效提高水下机器人的水下行进效率，以及还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。

Description

水下探测打捞机器人及工作方法、控制系统
技术领域
本发明涉及一种水下探测打捞机器人及工作方法、控制系统。
背景技术
21世纪，是海洋的世纪，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，21世纪也是智能装备的世纪，智能系统的广泛应用大大的提高了劳动的效率，成为了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。其中利用水下机器人进行海洋勘探对于人类开发海洋，走向深蓝有着重大意义。同时水下机器人的定位能力对于海底取样，打捞遗失物品挽回损失等方面有着重大意义。
鉴于水下机器人的工作环境以及重点所针对的水下探测打捞的主要功能。首先应该考虑到的是单个水下机器人由于自身条件的限制，无法快速准确地发现海底样本或需要打捞或者定位的物品。于是，多机器人系统已经成为不二之选。
随着时代的发展，一种高效率，高智能化，高稳定性的多机器人系统的出现已是势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下机器人及其工作方法，以实现水下机器人执行水下打捞任务。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下机器人，包括：主体，在该主体的外壁设有动力装置，且主体的前端设有机械手；一处理器模块适于通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进，以及还控制机械手实现抓取动作。
进一步，所述主体呈梭形；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。
进一步，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：与处理器模块相连的摄像装置、通信装置；所述处理器模块通过摄像装置识别目标，以及通过通信装置构建通讯网络以实现跟踪和定位；所述通信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。
进一步，所述水下机器人还包括：由若干锂电池组串联构成的电池组，以及用于控制电池组充放电的充放电控制模块；所述主体的外壁设有光伏电池板，且该光伏电池板的输出端与充放电控制模块的供电输入端相连。
又一方面，本发明还提供了一种所述水下机器人的工作方法。
所述工作方法包括：通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进；以及控制机械手实现抓取动作。
进一步，所述主体呈梭形；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；并且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，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，即与第一螺旋桨式电机推进器以主体的中心轴对称设置。
第三方面，本发明还提供了一种水下机器人群协同控制系统，以实现多水下机器人构成水下机器人群协同控制群组，以提高打捞效率。
为了解决上述技术问题，本水下机器人群协同控制系统包括至少两个水下机器人。
进一步，所述水下机器人还包括：与处理器模块相连的摄像装置、通信装置；所述处理器模块通过摄像装置识别目标，以及通过通信装置构建通讯网络以实现跟踪和定位；所述通信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；并且当任一水下机器人找寻到目标后设为主水下机器人，通过通信装置召集其余水下机器人汇集至主水下机器人处。
本发明的有益效果是，本发明的水下机器人及其工作方法、控制系统能够实现水下打捞作业，并且还能有效提高水下机器人的水下行进效率，以及还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。
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是本发明的水下机器人立体图；
图2是本发明的水下机器人的俯视图；
图3是本发明的水下机器人的局部视图；
图4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二。
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。
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至图5所示，本实施例1提供了一种水下机器人，包括：主体1，在该主体1的外壁设有动力装置，且主体的前端设有机械手5；一处理器模块适于通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进，以及还控制机械手5实现抓取动作，以实现水下打捞工作。
所述主体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
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3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4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5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。
作为水下机器人一种可选的实施方式，所述水下机器人还包括：与处理器模块相连的摄像装置、通信装置；所述处理器模块通过摄像装置识别目标，以及通过通信装置构建通讯网络以实现跟踪和定位；具体的，母船通过接收各水下机器人的通信装置对相应水下机器人进行定位。
具体的，本水下机器人的通信方式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，作为通信装置一种可选的实施方式，所述通信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。
所述水下机器人还包括：由若干锂电池组串联构成的电池组，以及用于控制电池组充放电的充放电控制模块(例如但不限于采用LT1513)；所述主体1的外壁设有光伏电池板，且该光伏电池板的输出端与充放电控制模块的供电输入端相连。
所述处理器模块例如但不限于采用ARM9处理器。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例2还提供了一种水下机器人的工作方法。
本工作方法包括：通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进；以及控制机械手实现抓取动作。
其中，关于水下机器人的结构及其工作方式如实施例1所述。
作为水下机器人的一种可选的工作方法。
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，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。
实施例3
在实施例1基础上，本实施例3提供了一种水下机器人群协同控制系统，
所述水下机器人群协同控制系统包括至少两个如实施例1所述的水下机器人。
关于水下机器人群协同控制系统，具体的，当任一水下机器人找寻到目标后设为主水下机器人，通过通信装置召集其余水下机器人汇集至主水下机器人处。
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，其特征在于，包括：
主体，在该主体的外壁设有动力装置，且主体的前端设有机械手；
一处理器模块适于通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进，以及还控制机械手实现抓取动作；
所述主体呈梭形；
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；
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。
2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人还包括：与处理器模块相连的摄像装置、通信装置；
所述处理器模块通过摄像装置识别目标，以及
通过通信装置构建通讯网络以实现跟踪和定位；
所述通信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。
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：
由若干锂电池组串联构成的电池组，以及用于控制电池组充放电的充放电控制模块；
所述主体的外壁设有光伏电池板，且该光伏电池板的输出端与充放电控制模块的供电输入端相连。
4.一种如权利要求1所述的水下机器人的工作方法，其特征在于，
通过控制动力装置以控制水下机器人水下行进；以及
控制机械手实现抓取动作。
5.根据权利要求4所述的水下机器人的工作方法，其特征在于，
所述主体呈梭形；
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；并且
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。
6.根据权利要求5所述的水下机器人的工作方法，其特征在于，
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，即
与第一螺旋桨式电机推进器以主体的中心轴对称设置。
7.一种水下机器人群协同控制系统，其特征在于，包括至少两个如权利要求1所述的水下机器人。
8.根据权利要求7所述的水下机器人群协同控制系统，其特征在于，所述水下机器人还包括：与处理器模块相连的摄像装置、通信装置；
所述处理器模块通过摄像装置识别目标，以及
通过通信装置构建通讯网络以实现跟踪和定位；
所述通信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；
红外线模块适于产生用于近距离通讯的红外信号；以及
当任一水下机器人找寻到目标后设为主水下机器人，通过通信装置召集其余水下机器人汇集至主水下机器人处。
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