CN106995047A - 一种多功能智能水下机器人 - Google Patents

一种多功能智能水下机器人 Download PDF

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黄桥高
潘光
秦登辉
罗扬
王菲
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63CLAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects

Abstract

本发明公开了一种多功能智能水下机器人,包括机械系统、电子系统和软件系统,所述机械系统包括框架结构、密封舱体、摄像头、执行机构及附件;所述电子系统由主控开关、主电源、电缆和各个用电器组成,为舱内主控计算机、各种传感器和外围发备提供了交互界面;所述软件系统包括上位机和下位机两层架构,上位机系统是AUV的行动指挥中心,负责对下位机上传的信息进行处理,判断进行动作决策,然后给下位机发送指令,下位机再分配给推进器、机械臂、气动装置等执行机构以完成既定任务;在信息到策略的过程中,AUV根据不同的优先级执行不同的任务,直至最后浮出水面。本发明具有活动范围大、机动灵活的特点,可被广泛应用于军事和民用领域。

Description

一种多功能智能水下机器人
技术领域
本发明涉及机械、电子和软件技术领域,具体地说,涉及一种多功能智能水下机器人。
背景技术
随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增多,人类消耗的自然资源越来越多,陆地上的资源正在日益减少,而占地球表面积71%的海洋和海洋底部却蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。海洋作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一,已经成为各国的重要战略目标,是近几年国际上激烈竞争的焦点之一,有很多国家都在进行海洋资源开发,以美国为代表的发达国家更是把海洋开发列为国家的长远计划。我国作为一个海洋大国,蓝色国土约为陆地国上面积的三分之一,且在这辽阔的海域内蕴藏的极其丰富的资源。智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)现已成为探索海洋、开发海洋所必不可少的重要装备,是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的重要保证。
实际上,随着微电子技术、计算机技术、人工智能技术、小型化导航设备以及控制软硬件技术的发展,AUV已成为各发达国家海洋技术研究的前沿。AUV不仅仅意味着是无人驾驶的无缆水下潜器,更重要的是它有自身的动力源和独立的控制系统,能够自主执行复杂海洋环境中的预定航行任务。与遥控式水下潜器(Remotely operated vehicle,ROV)相比,AUV具有活动范围大、下潜深、不怕电缆纠缠、可进入复杂海洋环境中、不需要庞大的水面支持系统、占用甲板面积小、作业费用低等优点。因此,从民用方面的水下调查、海洋开发、海底工程施工和水下搜救到军用方面的反水雷战、水下侦察等都是其具体的应用领域。AUV根据功能和机动特性可分为两种:巡航式信息型,用于勘测、搜索、物品运输等,在其执行任务期间连续航行,一般靠舵面和螺旋桨推进器实现运动控制;悬停式作业型,用于水下物体的检查并完成一定操作,工作时保持在水中的位置和姿态,一般需要多个推进器和控制面产生需要的控制力和力矩。这两种AUV在功能上的差异决定了其结构及机动特性上存在较大的不同,因此,一种型号的AUV很难同时胜任不同的任务需求。目前,使命需求的不断复杂化和多样化迫使AUV朝着系统化、多功能化及集群技术方向发展。现有技术中的智能水下机器人存在功能单一、活动范围小、操作不便等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷,提供一种多功能智能水下机器人,采用开架式布局和模块化设计,允许根据需要选择第三方工具和传感器集成到AUV内部,以实现更多订制功能,具有活动范围大、机动灵活的特点,可被广泛应用于军事和民用领域。
其具体技术方案为:
一种多功能智能水下机器人,包括机械系统、电子系统和软件系统,所述机械系统包括框架结构、密封舱体、摄像头、执行机构及附件;所述电子系统由主控开关、主电源、电缆和各个用电器组成,为舱内主控计算机、各种传感器和外围设备提供了交互界面;所述软件系统包括上位机和下位机两层架构,上位机系统是AUV的行动指挥中心,负责对下位机上传的信息进行处理,判断进行动作决策,然后给下位机发送指令,下位机再分配给推进器、机械臂、气动装置等执行机构以完成既定任务;在信息到策略的过程中,分为时间、图像、水声、深度等优先级,AUV根据不同的优先级执行不同的任务,直至最后浮出水面。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
本发明采用开架式布局,模块化设计,允许根据需要选择第三方工具和传感器集成到AUV内部,以实现更多订制功能。
本发明将气体驱动技术用于水下机器人执行机构的驱动。与之相比,传统的电气传动方式易受温度、湿度、震动和腐蚀环境等条件影响,且运动部件惯性大,换向慢,这使其应用存在一定局限性。采用气动技术容易获得较大的力和力矩,在相同输出功率的条件下,较其他传动装置结构紧凑、体积小、质量轻,具有低功耗,可靠性高的优点。
附图说明
图1为多功能智能水下机器人机械系统组成图;
图2为电子系统架构图;
图3为下位机架构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步洋细地说明。
参照图1、图2、图3,本发明的多功能智能水下机器人包括以下组成部分:
(一)机械系统
多功能智能水下机器人的结构系统由框架结构、密封舱体、摄像头、执行机构及附件组成。整个结构利用SolidWorks软件无纸化设计和可视化实现,从3D建模到出图纸加工,这给我们提供了极大地便利。建模完成后使用ANSYS对整个框架结构进行了仿真,基于建立的模型使用流场分析软件STAR-CCM+对AUV在水下的运动姿态和投放载荷的运行轨迹进行了数值仿真。
A.框架结构
侧板框架主要是为了固定AUV的密封舱体、执行机构等,并起到有效的保护作用。侧板采用铝合金材料激光切割,保证了快速加工和安装的要求。侧板的外形灵感来源于电影《变形金刚》中的擎天柱,在保证结构功能的前提下达到美观的外形设计目标,我们希望“擎天柱”能够从陆地和空中走向水下,去完成任务。
除了侧板之外,AUV底部支架为主要的承力结构,其承担了仪器舱、电池舱以及执行机构等的重量,AUV大部分的结构部与底部的支架连接,防止侧板承受过大的载荷,保证了AUV整体结构的稳定性。另外,AUV的重心在浮心的下方,以保证AUV的静稳定性。
B.密封舱
AUV主密封舱体采用内部直径为220mm有机玻璃舱体,主要是为了更方便地看到舱体内元器件的运行状态指示灯,从而判断AUV的运行状态。舱体端面共有13个SubConn的接插件,用于供电及信号传输,端面安装的压力传感器用于实时反馈AUV深度信息。
除了主密封舱外,AUV的其他密封外壳还包括电池舱、摄像头舱、气动装置舱。电池舱的面板上安装了带指示灯的机械式按压开关,用于AUV的供电系统应急切断。
气动装置舱中安装了5个电磁阀,分别控制载荷投放装置、机械臂等完成相应的动作。气瓶用于给整个气动系统提供气源,气瓶压力一般调整为0.6-0.8Mpa,足以供给完成既定动作。
C.摄像头
AUV有前视和俯视两个摄像机,均采用高分辨率的Guppy Pro F-046工业级相机,配置的Theia MY125M高清广角镜头极大地扩大了AUV的视野范围。我们还为该摄像头设计了专用的防水密封外壳,保证实现摄像头水下拍摄。
D.执行机构
多功能智能水下机器人搭载的执行机构包括载荷发射和投放装置、机械臂装置、推进器等。
(1)载荷发射装置
气瓶内的高压气体通过信号触发而开启的单向导通阀进入到载荷发射管,将载荷推动发射出去。经过实际测试,0.2Mpa的气体压力可以将该小型回转体载荷模型发射航行2m的距离,能满足一般任务要求。
(2)载荷投放装置
载荷投放装置采用双作用气缸驱动推杆,推出之后,筒中的假定的海洋环境监测信标模型被释放。
(3)机械臂
搭载的机械臂采用双作用气缸驱动,交叉的“X”型抓手能够较大范围抓取目标物,保证了抓取目标的冗余性。
(4)推进器
AUV的推进系统由8个SeaBotix BTD150推进器组成。四个垂直推进器用于实现定深运动,两个侧向推进器用于实现AUV侧向运动和转向,其余两个推进器实现AUV的直行前进和后退,八个推进器使AUV在水下具备六自由度运动能力。
(二)电子系统
整个电子系统由主控开关、主电源、电缆和各个用电器组成,为舱内主控计算机、各种传感器和外围设备提供了交互界面。
A.供电系统
多功能智能水下机器人的电能供应系统分别由两块16000mAh的锂电池供应,将动力电源和仪表电源分开,避免推进电机启动带来的电源波动对仪表工作的影响。仪表电主要是用于主控板、水声、惯导、压力传感器和STM32,动力电主要是给8个推进器供电,系统中主要的电压需要是24V,12V和5V。针对不同的用电器,它们的电压不同,因此采用稳压模块来调整输出电压的大小,以实现各个设备的供电正常。
B.串口通信
串口通信模块完成了工控机、执行机构、水声模块的通信连接,其中工控机与执行机构、工控机与水声模块都是利用RS232串口通过单向USB连接实现的(via RS-232serialthrough a single USB connection)。广泛的适用性和良好的抗噪能力使我们选择RS232的原因。
C.推进器控制
在AUV的控制中最主要的是对推进器的控制,来实现AUV六个自由度机动。AUV的姿态通过姿态传感器SPARTON AHRS-8实时获取,采用PID智能控制方法来达到比较精确的控制效果,使得AUV的可以在水中保持平稳,并在执行命令时快速响应。我们选用的推进器驱动板结合PID控制方法,使推进器按照要求的速度正转、反转实现AUV的直航、升沉等机动。
对于深度控制,由于自身重力与浮力的不等,需要推进器不断的提供推力来满足AUV的平衡、上浮与下潜,同时保证其不会出现倾斜,对于推进器的控制要求较高,采集多路控制信息结合深度信息联合控制,所以深度控制部分采用多输入多输出的控制方式。
对AUV的进退、平移控制,主要是结合上位机图像识别、水声信号识别后动作要求,根据任务进行快速的动作,及时运动的相应的任务位置,执行其他任务。
D.执行器控制
主要是采用气动方式推动机构运动,控制器给予I/O命令驱动气动阀执行相应的动作,使得机械臂可以快速响应。载荷发射和投放装置与机械手控制类似,在执行完动作之后再快速关闭气动阀。
(三)软件系统
多功能智能水下机器人的软件系统包括上位机和下位机两层架构。上位机系统是AUV的行动指挥中心,负责对下位机上传的信息进行处理,判断进行动作决策,然后给下位机发送指令,下位机再分配给推进器、机械臂、气动装置等执行机构以完成既定任务。在信息到策略的过程中,分为时间、图像、水声、深度等优先级,可以根据不同的优先级AUV执行不同的任务,直至最后浮出水面。
A.上位机
多功能智能水下机器人的上位机策略控制系统主要功能是收集其他系统传来的数据,进行一系列的分析处理,将解算得到的指令传送给执行机构,实现实时的数据分析与AUV控制。策略系统具有众多功能模块,主要由初始化模块,任务切换模块,通信模块,图像处理系统模块,数据分析模块,数据记录模块,人机交互模块组成;
(a)初始化模块:整个策略系统运行前,对重要数据进行初始化;
(b)任务切换模块:程序运行前,策略设定了任务需要完成的任务,并且设定任务完成的先后顺序,方便了程序的调试,提高了程序运行的效率;
(c)通信模块:在通信协议的基础上,实现策略程序与执行机构的数据交互与传输,将收到的数据传到数据分析模块,进行分析与解算;将解算后的数据发送给执行机构使其实时执行;
(d)图像处理系统模块:采集摄像机实时捕获的数据并进行图像信息分析,得到的数据传输给数据分析模块,进行后续的分析与解算;
(e)数据分析模块:集合各个传感器、水声、视觉系统的数据,根据任务模块的设定,进行对应的数据分析;分析解算后的数据实时更新,并将该时刻的指令通过通信模块传输给执行机构,实现实时指令传输与控制;
(f)数据记录模块:持续记录策略程序运行期间图像系统、传感器数据、当前任务状态中重要数据,以及发送给执行机构的指令,极大的方便了程序调试阶段的分析;
(g)人机交互模块:提供了调试界面,在界面上清晰并实时的显示AUV当前所处的任务阶段,以及当前任务的重要数据。
B.下位机
下位机系统硬件部分主要包含控制器、传感器、执行器。主控制器采用的STM32F103“增强型”系列微控制器,该芯片性基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核,使得其综合性能极高。其硬件资源比较多,便于完成较复杂的任务,也便于在测试过程中增加新的功能。传感器包括三轴倾角传感器、压力传感器,分别通过串口RS232与RS485方式向主控制器发送实时角度信息与深度信息。执行机构主要包括8个推进器、机械手与载荷发射和投放装置,主要通过主控制器的I/O口进行控制,推进器主要靠PWM的方式进行控制,实现推进器的无极变速。
下位机主要任务是获取各个传感器的信息并进行处理,同时将传感器信息及时反馈给上位机,与上位机进行信息交互,获取上位机的控制命令,同时输出控制推进器、机械臂和载荷发射和投放机构完成相应的动作。
传感器数据信息作为AUV的感知部分,对AUV的可靠运行起着至关重要的作用,在本次设计时,对传感器得到的数据进行平滑处理,滤掉干扰信号,确保AUV的得到信息的准确性。
C.图像视觉系统
多功能智能水下机器人的视觉处理系统是在AUV获得精确数据实时更新的基础上设计的。视觉系统由若干子系统构成,这些子系统是模块化的,他们的集合与交互工作构成了整个视觉处理系统。
(a)摄像机模块:摄像机模块工作模式有两种,实时工作模式与离线工作模式。实时工作模式状态下,实现图像的实时捕获,离线工作模式状态下,捕获记录视频中的图像数据。此外,摄像机模块还完成与图像处理模块传输图像的功能。
(b)摄像机模型模块:对摄像机进行建模,实现物理世界3D坐标系向摄像机图像坐标2D平面的坐标转换;在图像分析进程中,摄像机模型模块对部分数据进行处理,实现部分状态的判断与决策的实行。
(c)图像处理及分析模块:获取摄像机捕获的图像后传入该模块,对传来的未经处理的原图像进行畸变矫正处理。依照不同的任务模块,畸变处理后的图像进行相应任务的颜色阈值(color thresholding)、轮廓分析(contour analysis)、模型分析(modelanalysis)等图像处理算法与数据分析算法,获得相关任务的视觉信息数据。
(d)数据记录模块:对分析处理得到的视觉信息进行记录,并可以将记录文件中的数据进行重绘工作,在调试时更加直观地重现调试过程中的数据。
(e)图像信息反馈模块:依照不同的任务,获取到的图像数据进行分析。分析得到的数据实时反馈,在图像与调试软件上同时显示,极大程度上方便了测试者的调试工作。
D.被动声呐定位
被动声呐测向系统通过分别测向后,根据已有阵列间的距离参数从而测试出目标的方位和距离。被动测距方法主要分为方位法和时差法,部是利用间距相当长的2个或多个子阵。除此之外还有一种利用单水听器接收信号自相关函数进行warping变换的声源被动测距方法,因为单水听器的LOFAR(Low Frequency Analysis Record)图隐含着目标的距离和运动信息,我们通过已知的距离信息用几何算法进行定位。
在测向定位的过程中,我们可以分别测出两个声源的方向角度,即声信标A,B关于C法线位置DC上的夹角,即可测出声源相对于声纳的角度差值,而两个声源和声纳刚好形成一个三角形,因此我们可以通过不断修正让AUV稳定行驶在两声源相连的中垂线。这样就可以通过三角函数求出声信标的距离,进而通过两个四元阵来测定目标的角度,从而得出其位置。
本发明能实现以下功能:
1、水下悬停与定点作业
AUV动力推进系统由八个推进器组成,推进器布局方式如下在水下可以非常灵活地实现6个自由度的动作。而垂向布置的4个推进器,其布局相对于AUV重心对称。其搭载的高精度姿态传感器和压深传感器能实时反馈AUV在水下的运动状态,结合智能PID控制方法可以很轻易,很稳定地实现水下定点定深悬浮,保证AUV在作业位置的定点精准定位,使AUV在完成抓取,观察,投放等任务时更加精准。
2、视频采集与回放
水下环境复杂,要捕捉到高清画面并不容易。AUV为了获取水下高清视频,不仅搭载了照明用LED灯,还搭载了两台分辨率高,最低感光度为1.5lux的水下相机,配备的超清广角镜头,使得相机视野水平视角大于135度,垂直视角不小于115度,而畸变率却低于3%。此外,内置的大容量记忆系统可以将AUV在水下观察的图像存储起来,以待回收时使用人员拷贝处理。
3、目标抓取
多功能智能水下机器人安装的多自由度机械臂能够抓取水下目标物。机械臂采用气源驱动,具有动作快速,抓取力大等特点,可用于水下物体如海参等的定点拾取,抓取缆绳、断网等其他轻量级工作。
值得一提的是,当前能实现多种功能的机械臂商业化十分成熟,AUV按照模块化设计,用户可以根据需要选择适当自由度,大小合适的机械臂,来满足自己的需求,并且AUV有独立的气动系统和电源系统,可以很方便地采用电动和气动等不同类型的机械手。
4、功能载荷布放
AUV特设载荷舱,可根据实际需要携带信标、海洋参数探测器等多种载荷,采用气动装置驱动,能快速准确释放载荷至目标位置,完成载荷布放等任务。
5、自主寻的
水下环境十分复杂,能见度低,电磁信号衰减迅速。目前,最可靠的水下通信方式仍然是水声通信。AUV搭载了低功耗、宽频带、高灵敏的水听器,能实现25Hz下-203dB±2dBre1V/μPa的接收精度。可用于沉船打捞和失事飞机黑匣子等特殊声学目标的自主寻的定位。根据需要还可安装主动侧扫声呐,增强AUV的水下探测能力。
6、自主巡航
AUV自备电源模块,可以支持AUV进行长航程的航行,而内部的自主控制系统可以在无人操纵航行器的情况下自主地执行任务。用户只需要预先设定工作任务,然后把AUV投放到目标海面上,AUV便可自主地到达目标海域完成上述功能,进行作业。在完成预设任务后能自动返航,便于后续的信息处理,物品收集等。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,本发明的保护范围不限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多功能智能水下机器人,其特征在于,包括机械系统、电子系统和软件系统,所述机械系统包括框架结构、密封舱体、摄像头、执行机构及附件;所述电于系统由主控开关、主电源、电缆和各个用电器组成,为舱内主控计算机、各种传感器和外围设备提供了交互界面;所述软件系统包括上位机和下位机两层架构,上位机系统是AUV的行动指挥中心,负责对下位机上传的信息进行处理,判断进行动作决策,然后给下位机发送指令,下位机再分配给推进器、机械臂、气动装置等执行机构以完成既定任务;在信息到策略的过程中,分为时间、图像、水声、深度的优先级,AUV根据不同的优先级执行不同的任务,直至最后浮出水面。
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