CN106428479A - 一种无人遥控水下机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人遥控水下机器人及其控制方法，所述水下机器人设有浮体结构、壳体、密封装置；所述壳体外表面装配有固定架；所述固定架上设有连接体；所述连接体与配重结构连接；所述配重结构另一端连接螺旋推进器；所述密封装置通过紧密配合的方式固定在壳体一端，其密封装置与壳体组合的空间为耐压舱；所述耐压舱内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台；所述的多自由度云台上安装有两个摄像头；所述多自由度云台上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片。其优点表现在：结构简单、控制灵活易实现多自由度控制、体积小方便携带、各个姿态下推进动力强。

Description

一种无人遥控水下机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说，是一种无人遥控水下机器人及其控制方法。

背景技术

随着国家加大对海洋资源的开发力度，原本水下作业主要是依靠人和简单的潜水设备，复杂而危险的海底环境对人的生命安全构成相当大的威胁，潜水员下潜50米以下就很难完成这种的水下作业任务，这就必须依赖于一种新的智能化的机器设备来代替人去执行海底作业任务，水下机器人就应运而生。承担水下工程、水下搜救、考古科研、市政管道消防管道调查、水利、公安、水产养殖、海洋生物观测、海洋汽油管道调查、能源勘探、水质污染检测等工作。

现有的小型水下无人遥控水下机器人，都是假定水下部分的稳定性，及在没有外界推力的状态下，浮心和重心位置保证了机器人的静态稳定，通过不同方向的推进器来实现前进和后退、左移和右移、转向、上升和下降。从而对多自由度的操控必须通过多个推进器来实现，或者采用矢量推进器来实现。但是存在以下不足：

首先，现有的水下机器人静态平衡稳定的条件为浮心和重心位置具有高度差，其高度差至少要大于70mm才能使水下机器人保持稳定，因此，按照此标准设计水下机器人体积相对较大，且结构复杂；

其次，为了使得水下机器人在空间具有六个自由度运动，即三维空间中水下机器人向X轴移动、Y轴移动、Z轴移动、X轴转动、Y轴转动、Z轴转动，水下机器人上的推进器安装在三维空间坐标轴的方向上，即X轴，Y轴,Z轴方向上，当水下机器人需要向X轴方向运动，就控制相应的推进器在该方向上转动提供动力，而Y轴或Z轴上的推进器则停止工作，推动力比较单一，推动力小，且水下机器人在姿态转换时不易控制；

另外，现有的水下机器人的姿态转换运动时，会引起俯仰角θ，横滚角φ，偏航角ψ变化，而没有一种控制方法能够纠正角度偏差，使得摄像头不稳定，影响摄像头传输影像。

再者，现有的小型无人遥控水下机器人存在运动速度慢，尤其是水下机器人上升和沉降速度慢，水下运动不灵活高效等缺点。而且如果多电机实现多自由度的控制，在运行过程中只有少部分电机提供主要的动力，利用率不高。

综上所述，亟需一种体节小、推动力强、水下操作灵活高效、摄像头稳定、运动速度快的无人遥控水下机器人及控制方法，但是关于这种水下机器人及控制方法目前还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种体节小、推动力强、水下操作灵活高效、摄像头稳定、水下运动速度快的无人遥控水下机器人。

本发明的再一的目的是，提供一种无人遥控水下机器人控制方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种无人遥控水下机器人,所述水下机器人设有浮体结构、壳体、密封装置；所述壳体为圆柱形；所述壳体外表面装配有固定架；所述固定架上设有连接体；所述连接体与配重结构连接；所述配重结构另一端连接螺旋推进器；所述螺旋推进器间隔90度对称排列；所述螺旋推进器的朝向一致；所述密封装置通过紧密配合的方式固定在壳体一端，其密封装置与壳体组合的空间为耐压舱；所述耐压舱内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台；所述主控板通过I2C或其它通讯协议和螺旋推进器的控制器进行通讯，通过串口和多自由度云台的控制器进行通讯；所述多自由度云台上连接有俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机；所述的多自由度云台上安装有两个摄像头；所述多自由度云台上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片。

所述螺旋推进器共有4个，分别为第一螺旋推进器、第二螺旋推进器、第三螺旋推进器、第四螺旋推进器。

所述水下机器人通过脐带缆和水面上的浮标通讯模块连接，水上浮标通讯模块通过无线连接与现场用户的PC连接，现场用户通过3G/4G信号与云端连接，云端通过互联网和任意的互联网用户连接。

所述的俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机位于三维空间坐标轴方向上，两两相互垂直的方式排列。

所述配重结构的位置置于浮体结构的近端。

所述连接体为折叠式结构。

所述浮体结构为半圆形。

所述的水下机器人包括壳体、螺旋推进器、连接体；所述壳体为球形，其两端设有开口；所述开口装配有连接体，所述连接体上连接有螺旋推进器；所述螺旋推进器共有4个，分别为第一螺旋推进器、第二螺旋推进器、第三螺旋推进器、第四螺旋推进器；所述螺旋推进器的朝向一致；所述螺旋推进器与连接体间设有配重结构；所述连接体与壳体密封形成耐压舱；所述耐压舱内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台；所述主控板通过I2C或其它通讯协议和螺旋推进器的控制器进行通讯，通过串口和多自由度云台的控制器进行通讯；所述多自由度云台上连接有俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机；所述的俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机位于三维空间坐标轴上，两两相互垂直的方式排列；所述的多自由度云台上安装有两个摄像头；所述多自由度云台上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种无人遥控水下机器人控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过反馈控制实现水下机器人多自由度的运行和操控，主控板接受PC端给定的命令，然后根据姿态传感器检测到的姿态数据反馈信息，构成闭环的反馈控制，通过已经设计好的控制器计算后输出给螺旋推进器的控制器，螺旋推进器的控制器控制螺旋推进器运动到达给定的控制命令；

步骤S2，通过主控芯片纠正多自由度云台角度偏差，如果水下机器人传感器读到的ψ发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台的控制器，多自由度云台的控制器通过设定的控制算法控制偏航角控制电机向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头保持稳定；如果水下机器人传感器读到的θ发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台的控制器，多自由度云台的控制器通过设定的控制算法控制俯仰角控制电机向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头保持稳定；如果水下机器人传感器读到φ的发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台的控制器，多自由度云台的控制器通过设定的控制算法控制横滚角控制电机向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头保持稳定；

步骤S3，通过上3D眼镜控制多自由度云台运动，现场用户使用的3D眼镜进行抬头或者低头操作时，3D眼镜会将改变的φ值通过通信线路发送到主控板，主控板再将命令发送到多自由度云台的控制器，控制器控制横滚电机改变相应的角度进行响应；现场用户使用的3D眼镜进行左转头或者右转头操作时，3D眼镜会将改变的ψ值通过通信线路发送到主控板，主控板再将命令发送到多自由度云台控制器，控制器控制偏航角控制电机改变相应的角度进行响应；3D眼镜进行向前倾斜或向后倾斜时，3D眼镜会将改变的θ值通过通信电路发送到主板，主板再将命令发送到多自由度云台控制器，控制器俯仰角控制电机改变相应的角度进行响应。

本发明优点在于：

1、本发明的一种无人遥控水下机器人及控制方法，结构简单、控制灵活易实现多自由度控制、体积小方便携带、各个姿态下推进动力强；

2、水下机器人的浮心和重心基本重合，与现有水下机器人浮心和重心具有至少大于70mm的高度差相比，本发明的水下机器人能够在复杂水流环境中稳定性好；

3、水下机器人为对称结构，且四个螺旋推进器方向一致，通过改变水下机器人的姿态配合四个螺旋推进器来实现水下机器人向任何一个方向移动，和三自由度的空间操作；

4、耐压舱内的多自由度的云台可以确保摄像头的稳定，并且任意方向的观察；

5、自由度的云台搭载双摄像头，摄像头分别向上位机传输不同视角的影像，上位机通过解析可以形成3D的影像；

6、耐压舱体和螺旋桨推进器之间的连接体可折叠，进一步提高机器人的可携带性；配重结构可以改变水下机器人静止时刻的受力情况，以便于简化控制方法；

7、水下机器人通过脐带缆和浮标通讯模块连接，现场用户通过WiFi或其它无线连接浮标通讯模块可以实时的控制水下机器人和观看水下机器人采集的视频信息；

8、水下机器人可以通过反馈控制方法，实现水下机器人多自由度的运行和操控；

9、水下机器人在姿态转换时，其角度一旦改变，通过控制芯片来纠正角度偏差，稳定性好；

10、通过上位机控制多自由度云台转动，其上位机是指人操控的PC端，其多自由度云台响应的速度快，可保证最小视角的延伸，给用户最佳体验；

11、现场用户端的配合的3D眼镜与多自由度云台可实现同步运动，便于对多自由度云台的控制操作。

附图说明

附图1是本发明的一种无人遥控水下机器人结构示意图。

附图2为多自由度云台连接关系示意图。

附图3为螺旋推进器的结构示意图。

附图4为上下运动姿态示意图。

附图5为左右运动姿态示意图。

附图6为前后运动姿态示意图。

附图7为水下机器人运行连接示意图。

附图8为本发明的一种无人遥控水下机器人控制方法控制框图。

附图9为多自由度云台控制框图。

附图10为本发明的另一种无人遥控水下机器人结构示意图。

附图11为另一种多自由度云台连接关系示意图。

附图12为另一种上下运动姿态示意图。

附图13为另一种左右运动姿态示意图。

附图14为另一种前后运动姿态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.浮体结构 2.壳体

21.固定架 22.连接体

23.配重结构 3.密封装置

4.螺旋推进器 41.第一螺旋推进器

42.第二螺旋推进器 43.第三螺旋推进器

44.第四螺旋推进器 45.中心轴

46.叶片 47.保护环

5、耐压舱 6.多自由度云台

61.俯仰角控制电机 62.横滚角控制电机

63.偏航角控制电机 64.摄像头

8.水下机器人 81.脐带缆

82.浮标通讯模块 83.现场用户

84.云端 85.互联网用户

实施例1

请参照图1，图1是本发明的一种无人遥控水下机器人8结构示意图。一种无人遥控水下机器人8，所述水下机器人8设有浮体结构1、壳体22、密封装置3；所述壳体22为圆柱形；所述壳体22外表面装配有固定架21；所述固定架21上设有连接体22；所述连接体22为折叠式结构；所述连接体22与配重结构23连接；所述配重结构23另一端连接螺旋推进器4；所述螺旋推进器4间隔90度对称排列；所述螺旋推进器4共有4个，分别为第一螺旋推进器41、第二螺旋推进器42、第三螺旋推进器43、第四螺旋推进器44；所述螺旋推进器4的朝向一致；所述密封装置3通过紧密配合的方式固定在壳体22一端，其密封装置3与壳体22组合的空间为耐压舱5；所述耐压舱5内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台6；所述主控板通过I2C或其它通讯协议和螺旋推进器4的控制器进行通讯，通过串口和多自由度云台6的控制器进行通讯。

请参照图2，图2为多自由度云台6连接关系示意图。所述多自由度云台6上连接有俯仰角控制电机61、横滚角控制电机62、偏航角控制电机63；所述的俯仰角控制电机61、横滚角控制电机62、偏航角控制电机63位于三维空间坐标轴方向上，两两相互垂直的方式排列；所述的多自由度云台6上安装有两个摄像头64；所述多自由度云台6上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片；

请参照图3，图3为螺旋推进器4的结构示意图。所述的螺旋推进器4包括中心轴45、叶片46、保护环47；所述的中心轴45一端设有叶片46，另一端呈子弹头形；所述叶片46外周面设有保护环47。所述保护环47呈锥台形，其小端面位于浮体结构1的一端。

请参照图4-图6，图4为上下运动姿态示意图，图5为左右运动姿态示意图，图6为前后运动姿态示意图。水下机器人8任何一个方向的运动姿态转换是通过控制螺旋推进器4的转向以及不同螺旋推进器4的作用位置来实现的。即上下运动姿态、左右运动姿态、前后运动姿态间可相互转换。机器人放入水中如图4所示的上下运动姿态可以通过螺旋推进器4的推力实现机器人的上升和下潜；第一螺旋推进器41和第二螺旋推进器42正转提供向上的推力，第三螺旋推进器43和第四螺旋推进器44反转提供向下的推力可以使机器人从上下运动姿态变成左右运动姿态，通过机身的传感器探测到机身达到设定的左右运动姿态，四个螺旋推进器4同时正转可以实现向左右方向运动；同样的在静止状态可以通过控制四个螺旋推进器4让水下机器人8到达自己想要的运动姿态，然后再向控制的方向运动。如图4所示的上下运动姿态也可以直接通过第一螺旋推进器41、第三螺旋推进器43和第二螺旋推进器42、第四螺旋推进器44的差动使得水下机器人8改变方向到达想要控制机器人达到的方向，即通过对称方向的螺旋推进器4的差动改变水下机器人8的运动姿态，通过不同运动姿态由四个螺旋推进器4的推力推使水下机器人8向任意方向运动。

请参照图7，图7为水下机器人运行连接示意图。水下机器人8通过脐带缆81和水面上的浮标通讯模块82连接，水上浮标通讯模块82通过WiFi或其它无线连接与现场用户83的PC连接，现场用户83可以通过3G/4G信号与云端84连接，云端84可以通过互联网和任意的互联网用户85连接。现场用户83可以通过PC端将命令发送给浮标通讯模块，浮标通讯模块82通过脐带缆81让命令转发给水下机器人8进行响应。同时，水下机器人8的立体摄像头64和多种传感器测到的信息通过脐带缆81发送给浮标通讯模块82，浮标通讯模块82通过WiFi将信息转发给现场用户83的PC端，现场用户83可以通过PC端观看立体影像，同时现场用户83可以通过3G/4G信号将立体影像上传到云端84，任意一位互联网用户85都可以访问云端84观看实时的视频信息。而且，得到现场用户83授权的互联网用户85也可以通过云端84向水下机器人8发送命令，可以实时的控制水下机器人8和观看水下机器人8采集的视频信息。

本发明的一种无人遥控水下机器人8控制方法包括以下步骤：步骤S1，通过反馈控制实现水下机器人8多自由度的运行和操控；

请参照图8，图8为本发明的一种无人遥控水下机器人控制方法控制框图。一种无人遥控水下机器人8控制方法，主控板接受PC端给定的命令，然后根据姿态传感器检测到的姿态数据反馈信息，构成闭环的反馈控制，通过已经设计好的控制器计算后输出给螺旋推进器4的控制器，螺旋推进器4的控制器控制螺旋推进器4运动到达给定的控制命令。

新型水下机器人8控制方案设计的理论依据：

坐标系建立：设定载体相对于原点参考坐标系x,y,z。记载体坐标系的俯仰角为θ，横滚角为φ，偏航角为ψ，可得载体坐标系相对于地理参考坐标系的旋转坐标为：

由于三个轴两两正交，则可知，任意空间姿态均可由这三种旋转实现：先转动偏航角ψ，再转动俯仰角度θ，最后转动横滚角度φ，根据欧拉公式得到的旋转矩阵为：

新旧姿态之间关系可以由新旧载体坐标系的关系得出：

新型水下机器人8的动力学模型：通过模型的近似螺旋推进器4的推力F和反扭矩M与螺旋桨转速ω²之间是倍数关系设为K_F,K_M。

假定所有4个旋翼产生的升力都能很好的与垂直方向(载体坐标系的Z轴)平行排列，在低速或者静态情况下建立新型水下机器人8的动力学模型。定义推力T为四个螺旋桨升力的总和。因此，在载体坐标系中表示的水下机器人8的合力为：

将F进行坐标变换，得到新型水下机器人8在地理参考坐标系的受力为：

设定新型水下机器人8的体积为V，则根据牛顿第二定律可得新型水下机器人8在地理参考坐标系中动力学方程为：

定义M_θ，M_φ，M_ψ分别为新型水下机器人8载体坐标系x,y,z坐标轴的转矩，I_θ、I_φ、I_ψ分别为新型水下机器人8载体坐标系x,y,z坐标轴的转动惯量。由载体坐标系两两正交则得水下机器人8的转动方程为：

其中M_θ＝(F₁-F₃)l，M_φ＝(F₂-F₄)l。l为水下机器人8重心到每个螺旋桨的主轴的长度。

M_ψ是由四个螺旋桨之间的反扭矩形成的，设c＝K_M/K_F则得：

M_ψ＝M₁-M₂+M₃-M₄

＝cF₁-cF₂+cF₃-cF₄

为使得控制逻辑简单化，定义被控对象的输入量:

则可得系统的运动方程为：

步骤S2，其步骤S1中，通过闭环反馈控制对水下机器人8运动操控后，其水下机器人8的俯仰角θ、横滚角φ、偏航角ψ会有偏差，通过主控芯片纠正多自由度云台6角度偏差，请参照图9，图9为多自由度云台6控制框图。水下机器人8在进行姿态转换时，其俯仰角、横滚角、偏航角会发生变化，通过控制多自由度云台6来纠正角度偏差，具体如下：水下机器人8的多自由度平台上设有俯仰角控制电机61、横滚角控制电机62、偏航角控制电机63。在上位机没有给定多自由度云台6转动命令的时候，主控板记录水下机器人8姿态这一时刻的θ，φ，ψ的值，如果水下机器人8传感器读到的ψ发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台6的控制器，多自由度云台6的控制器通过设定的控制算法控制偏航角控制电机63向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头64保持稳定；如果水下机器人8传感器读到的θ发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台6的控制器，多自由度云台6的控制器通过设定的控制算法控制俯仰角控制电机61向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头64保持稳定；如果水下机器人8传感器读到φ的发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台6的控制器，多自由度云台6的控制器通过设定的控制算法控制横滚角控制电机62向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头64保持稳定。

步骤S3，通过上3D眼镜控制多自由度云台6运动，其多自由度云台6响应的速度快，可保证最小视角的延伸，给用户最佳体验，现场用户83使用的3D眼镜进行抬头或者低头操作时，3D眼镜会将改变的φ值通过通信线路发送到主控板，主控板再将命令发送到多自由度云台6的控制器，控制器控制横滚电机改变相应的角度进行响应；现场用户83使用的3D眼镜进行左转头或者右转头操作时，3D眼镜会将改变的ψ值通过通信线路发送到主控板，主控板再将命令发送到多自由度云台6控制器，控制器控制偏航角控制电机63改变相应的角度进行响应。3D眼镜进行向前倾斜或向后倾斜时，3D眼镜会将改变的θ值通过通信电路发送到主板，主板再将命令发送到多自由度云台6控制器，控制器俯仰角控制电机61改变相应的角度进行响应。使得机器人姿态和多自由度云台6的动作可以和操控设备，如3D眼镜和PAD的运动状态的配合来实现，即3D眼镜的姿态和多自由度云台6为同步运动，当3D眼镜向右移动时，其多自由度云台6也向右移动。

需要说明的是：配重结构23的位置置于浮体结构1的近端，其配重结构23可以抬高重心，使得重心和浮心基本重合，在复杂水流环境中稳定性好，灵活机动，可高效工作，其次，其传统水下机器人8的设计标准是浮心和重心的高度差至少大于70mm,其体积较大，连接结构复杂，与传统水下机器人8相比，体节小，结构简单；另外，配重结构23可以改变水下机器人8静止时刻的受力情况，以便于简化控制方法，配重结构23可以根据需求改变配重，改变机器人水下静止时刻的受力，以便实现最优控制；

螺旋推进器4为四个，且四个螺旋推进器4的朝向相同，使得水下机器人8在六个自由度方向同时能够使四个螺旋推进器4提供动力，推动力强。螺旋推进器4的中心轴45一端部为子弹头形设计，保护环47为锥台形设计，有效减小流体阻力；螺旋推进器4对称分布在一周上，在控制水下机器的运动姿态转换时，通过控制螺旋推进器4转向以及作用位置就可实现运动的姿态的转换，实现前进和后退、左移和右移、转向、上升和下降，灵活性好；螺旋推进器4的数量不限本实施的个数，可根据实际情况安装不同数量的螺旋推进器4；

连接体22为折叠式结构，进一步提高机器人的可携带性，占用空间小；圆柱形壳体22设计，内部空间利用率高，且流动阻力小；浮体结构1可以改变水下机器人8静止状态所受的合力，浮体结构1为半圆形设计，可减少运动过程中的助力；耐压舱5内还预留有即插即用的插拔口，可以根据工作需要添加需要的传感器。多自由度云台6可以确保摄像头64稳定，并且任意方向观察；

由水下机器人8的对称结构决定水下机器人8高度的灵活性的基础上，通过不同的姿态可以向不同的方向前进和艇身的姿态。同时在水下机器人8前进或者改变姿态的过程中由多自由度的云台可以保证摄像头64的稳定，和任意角度的视频观察方向，另外自由度的云台搭载双摄像头64，摄像头64分别向上位机传输不同视角的影像，上位机通过解析可以形成3D的影像；

运动传感数据为水下机器人8的航行姿态数据，包括：三轴加速度、三轴偏转角、三轴角加速度、三轴磁通量等。信息传感数据为水下机器人8的环境数据，包括：下潜深度、距离水底深度等；

浮标通讯模块82浮于水面上，并且与现场用户83和云端84进行通信，用于通过脐带缆81与水下机器人8连接以通过脐带缆81接收上述运动及任务指令，并在水下机器人8的拖曳下运动，同时获取水下机器人8的定位信息和姿态信息；

浮标通讯模块82上还设有自动收线缆系统，自动收放线缆系统位于浮标通讯模块82的上方，用于调整脐带缆81的长度以控制浮标通讯系统在水下机器人8的拖曳下运动。具体地，自动收放线缆系统能够根据设定的深度，自动调整脐带缆81的长短，从而保证水下机器人8的定位精度。在本发明的实施例中，CAN线缆的长度可以为200米。

实施例2

请参照图10，图10为本发明的另一种无人遥控水下机器人结构示意图。所述的水下机器人8包括壳体22、螺旋推进器4、连接体22；所述壳体22为球形，其两端设有开口；所述开口装配有连接体22，所述连接体22上连接有螺旋推进器4；所述螺旋推进器4共有4个，分别为第一螺旋推进器41、第二螺旋推进器42、第三螺旋推进器43、第四螺旋推进器44；所述螺旋推进器4的朝向一致；所述螺旋推进器4与连接体22间设有配重结构23；所述连接体22与壳体22密封形成耐压舱5；所述耐压舱5内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台6；所述主控板通过I2C或其它通讯协议和螺旋推进器4的控制器进行通讯，通过串口和多自由度云台6的控制器进行通讯。

请参照图11，图11为另一种多自由度云台连接关系示意图。所述多自由度云台6上连接有俯仰角控制电机61、横滚角控制电机62、偏航角控制电机63；所述的俯仰角控制电机61、横滚角控制电机62、偏航角控制电机63位于三维空间坐标轴上，两两相互垂直的方式排列；所述的多自由度云台6上安装有两个摄像头64；所述多自由度云台6上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片；

请参照图3，图3为螺旋推进器的结构示意图。所述的螺旋推进器4包括中心轴45、叶片46、保护环47；所述的中心轴45一端设有叶片46，另一端呈子弹头形；所述叶片46外周面设有保护环47。所述保护环47呈锥台形，其小端面位于浮体结构1的一端。

请参照图7，图7为水下机器人运行连接示意图。水下机器人8通过脐带缆81和水面上的浮标通讯模块82连接，水上浮标通讯模块82通过WiFi或其它无线连接与现场用户83的PC连接，现场用户83可以通过3G/4G信号与云端84连接，云端84可以通过互联网和任意的互联网用户85连接。现场用户83可以通过PC端将命令发送给浮标通讯模块82，浮标通讯模块82通过脐带缆81让命令转发给水下机器人8进行响应。同时，水下机器人8的立体摄像头64和多种传感器测到的信息通过脐带缆81发送给浮标通讯模块82，浮标通讯模块通过WiFi将信息转发给现场用户83的PC端，现场用户83可以通过PC端观看立体影像，同时现场用户83可以通过3G/4G信号将立体影像上传到云端84，任意一位互联网用户85都可以访问云端84观看实时的视频信息。而且，得到现场用户83授权的互联网用户85也可以通过云端84向水下机器人8发送命令，可以实时的控制水下机器人8和观看水下机器人8采集的视频信息。

请参照图12-图14，图12为另一种上下运动姿态示意图，图13为另一种左右运动姿态示意图，图14为另一种前后运动姿态示意图。水下机器人8不同方向的运动姿态转换是通过控制螺旋推进器4的转向以及不同螺旋推进器4的作用位置来实现。即上下运动姿态、左右运动姿态、前后运动姿态间可相互转换。机器人放入水中如图12所示的上下运动姿态可以通过螺旋推进器4的推力实现机器人的上升和下潜；第一螺旋推进器41和第二螺旋推进器42正转提供向上的推力，第三螺旋推进器43和第四螺旋推进器44反转提供向下的推力可以使机器人从上下运动姿态变成左右运动姿态，通过机身的传感器探测到机身达到设定的左右运动姿态，四个螺旋推进器4同时正转可以实现向左右方向运动；同样的在静止状态可以通过控制四个螺旋推进器4让水下机器人8到达自己想要的运动姿态，然后再向控制的方向运动。如图12所示的上下运动姿态也可以直接通过第一螺旋推进器41、第三螺旋推进器43和第二螺旋推进器42、第四螺旋推进器44的差动使得水下机器人8改变方向到达想要控制机器人达到的方向。

本实施例与实施例1相比，其控制方法相同，结构形状基本相同，最主要的不同之处在于：本实施例没有具体的浮体结构1，其壳体22为球形，球形壳体22具有浮体结构1的作用，实质是浮体结构1的简化形式，使得整个结构更加简单，体节更小，同时通过配重改变静止状态的所受的合力以达到预期的效果便于控制。另外,壳体2的形状不局限与是实施例1中的圆柱形和实施例2中的球形，壳体2的形状可根据减少阻力的目的进行其它形状的设计，其圆柱形壳体2和球形壳体2只是本发明的优选实施例。

本发明的一种无人遥控水下机器人及控制方法，结构简单、控制灵活易实现多自由度控制、体积小方便携带、各个姿态下推进动力强；水下机器人8的浮心和重心基本重合，与现有水下机器人8浮心和重心具有至少大于70mm的高度差相比，本发明的水下机器人8能够在复杂水流环境中稳定性好；水下机器人8为对称结构，且四个螺旋推进器4方向一致，通过改变水下机器人8的姿态配合四个螺旋推进器4来实现水下机器人8向任何一个方向移动，和三自由度的空间操作；耐压舱5内的多自由度的云台可以确保摄像头64的稳定，并且任意方向的观察；自由度的云台搭载双摄像头64，摄像头64分别向上位机传输不同视角的影像，上位机通过解析可以形成3D的影像；耐压舱5体和螺旋桨推进器之间的连接体22可折叠，进一步提高机器人的可携带性；配重结构23可以改变水下机器人8静止时刻的受力情况，以便于简化控制方法；水下机器人8通过脐带缆81和浮标通讯模块82连接，现场用户83通过WiFi或其它无线连接浮标通讯模块82可以实时的控制水下机器人8和观看水下机器人8采集的视频信息；水下机器人8可以通关反馈控制方法，实现水下机器人8多自由度的运行和操控；水下机器人8在姿态转换时，其角度一旦改变，通过控制芯片来纠正角度偏差，稳定性好；通过上位机控制多自由度云台6转动，其上位机是指人操控的PC端，其多自由度云台6响应的速度快，可保证最小视角的延伸，给用户最佳体验；现场用户83端的配合的3D眼镜与多自由度云台6可实现同步运动，便于对多自由度云台6的控制操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无人遥控水下机器人,其特征在于，所述水下机器人设有浮体结构、壳体、密封装置；所述壳体为圆柱形；所述壳体外表面装配有固定架；所述固定架上设有连接体；所述连接体与配重结构连接；所述配重结构另一端连接螺旋推进器；所述螺旋推进器间隔90度对称排列；所述螺旋推进器的朝向一致；所述密封装置通过紧密配合的方式固定在壳体一端，其密封装置与壳体组合的空间为耐压舱；所述耐压舱内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台；所述主控板通过I2C或其它通讯协议和螺旋推进器的控制器进行通讯，通过串口和多自由度云台的控制器进行通讯；所述多上连接有俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机；所述的多自由度云台上安装有两个摄像头；所述多自由度云台上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片。

2.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述螺旋推进器共有4个，分别为第一螺旋推进器、第二螺旋推进器、第三螺旋推进器、第四螺旋推进器。

3.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人通过脐带缆和水面上的浮标通讯模块连接，水上浮标通讯模块通过无线连接与现场用户的PC连接，现场用户通过3G/4G信号与云端连接，云端通过互联网和任意的互联网用户连接。

4.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述的俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机位于三维空间坐标轴方向上，两两相互垂直的方式排列。

5.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述配重结构的位置置于浮体结构的近端。

6.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述连接体为折叠式结构。

7.根据权利要求1所述的水下机器人，其特征在于，所述浮体结构为半圆形。

8.一种无人遥控水下机器人,其特征在于，所述的水下机器人包括壳体、螺旋推进器、连接体；所述壳体为球形，其两端设有开口；所述开口装配有连接体，所述连接体上连接有螺旋推进器；所述螺旋推进器共有4个，分别为第一螺旋推进器、第二螺旋推进器、第三螺旋推进器、第四螺旋推进器；所述螺旋推进器的朝向一致；所述螺旋推进器与连接体间设有配重结构；所述连接体与壳体密封形成耐压舱；所述耐压舱内设有主控板、重力加速度仪、地磁传感器、陀螺仪传感器、压力传感器、声呐传感器、姿态传感器、湿度传感器、多自由度云台；所述主控板通过I2C或其它通讯协议和螺旋推进器的控制器进行通讯，通过串口和多自由度云台的控制器进行通讯；所述多自由度云台上连接有俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机；所述的俯仰角控制电机、横滚角控制电机、偏航角控制电机位于三维空间坐标轴上，两两相互垂直的方式排列；所述的多自由度云台上安装有两个摄像头；所述多自由度云台上还设有控制器，其控制器内设有主控芯片。

9.一种无人遥控水下机器人控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，通过反馈控制实现水下机器人多自由度的运行和操控，主控板接受PC端给定的命令，然后根据姿态传感器检测到的姿态数据反馈信息，构成闭环的反馈控制，通过已经设计好的控制器计算后输出给螺旋推进器的控制器，螺旋推进器的控制器控制螺旋推进器运动到达给定的控制命令；

步骤S2，通过主控芯片纠正多自由度云台角度偏差，如果水下机器人传感器读到的ψ发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台的控制器，多自由度云台的控制器通过设定的控制算法控制偏航角控制电机向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头保持稳定；如果水下机器人传感器读到的θ发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台的控制器，多自由度云台的控制器通过设定的控制算法控制俯仰角控制电机向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头保持稳定；如果水下机器人传感器读到φ的发生改变，主控芯片会将此时的变化差值发给多自由度云台的控制器，多自由度云台的控制器通过设定的控制算法控制横滚角控制电机向相反方向偏转相同的差值从而使得立体摄像头保持稳定；

步骤S3，通过上3D眼镜控制多自由度云台运动，现场用户使用的3D眼镜进行抬头或者低头操作时，3D眼镜会将改变的φ值通过通信线路发送到主控板，主控板再将命令发送到多自由度云台的控制器，控制器控制横滚电机改变相应的角度进行响应；现场用户使用的3D眼镜进行左转头或者右转头操作时，3D眼镜会将改变的ψ值通过通信线路发送到主控板，主控板再将命令发送到多自由度云台控制器，控制器控制偏航角控制电机改变相应的角度进行响应；3D眼镜进行向前倾斜或向后倾斜时，3D眼镜会将改变的θ值通过通信电路发送到主板，主板再将命令发送到多自由度云台控制器，控制器俯仰角控制电机改变相应的角度进行响应。