CN107054591B - 一种混合驱动水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合驱动水下机器人。它包括：一个水下机器人机构，所述水下机器人机构内安装有主控制系统、电源管理系统、姿态传感系统、任务传感系统、无线接收装置、沉浮系统和运动方向驱动系统，所述主控制系统与电源管理系统相连，用于实现电源的监测与电池的管理，所述主控制系统与姿态传感系统相连，用于获得机器人的当前姿态信息，所述主控制系统与任务传感系统相连，用于获得当前水下机器人实时的视频信息等，所述主控制系统与无线接收装置相连，用于获得远程控制信号等，所述主控制系统与浮沉系统相连，用于实现机器人水深控制，所述主控制系统与运动方向驱动系统相连，用于实现运动方向的推进驱动和喷水泵位置调整等功能，本混合驱动机器人可广泛适用于涌流环境中水资源信息探测等应用。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种应用于水下环境复杂、水草丛生的混合驱动水下机器人。
背景技术
浅水域水底也存在着大量的水生植物，水草的生长对水下机器人的工作存在一定的干扰。传统的单一的驱动方式，例如仅用螺旋桨进行驱动，当水下机器人到达一定深度时，螺旋桨对周围环境的扰动比较大，而且水底水草的存在，会影响螺旋桨的工作，可能会出现螺旋桨桨叶卡死的现象，使整个系统无法正常工作。现在想办法替代水底螺旋桨的工作，本文采取螺旋桨加喷泵的混合驱动方式，有效地避免了螺旋桨卡死的现象，在有水草的环境工作时，采取喷泵的方式进行驱动，使水下机器人更好的工作。也就是，水下机器人正常工作时，在主推力方向，采用螺旋桨来提供主推力，在侧向姿态的调整，采用喷泵系统来完成。但当水下机器人进入水草等复杂水生植物区域时，采用喷泵系统来代替螺旋桨进行姿态的快速稳定调整。单向泵和电磁阀回路组合而成的喷泵系统，不仅响应速度快、噪声小，实现了用单向泵来完成双向控制，在外界扰动不大的情况下，实现了有效的定深和定姿态控制。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种在复杂水下环境下稳定拍摄的混合驱动水下机器人,以满足水下动植物探测需要。
为达到上述目的，本发明的构思是：本发明采用球形机构，能够比较好的适应复杂水下工作环境，当浅水域的涌流和波浪对水下机器人产生干扰时，通过水下机器人姿态控制算法和运动方向驱动系统对水下机器人整体姿态进行一级抗扰调整；其次通过三轴云台对拍摄平台进行二级抗扰调整；通过两级抗扰调整实现对拍摄平台的姿态控制，保证整个拍摄作业过程的连续性、平稳性和完整性。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种混合驱动水下机器人，包括：一个水下机器人机构，其特征在于：所述水下机器人机构内安装有一个主控制系统、一个电源管理系统、一个姿态传感系统、一个任务传感系统、一个无线接收装置、一个沉浮系统和一个运动方向驱动系统，所述主控制系统与电源管理系统相连，用于实现电源的监测与电池的管理，所述主控制系统与姿态传感系统相连，用于获得机器人的当前姿态信息，所述主控制系统与任务传感系统相连，用于获得当前水下机器人实时的视频信息等，所述主控制系统与无线接收装置相连，用于获得远程控制信号，所述主控制系统与浮沉系统相连，用于实现机器人水深控制，所述主控制系统与运动方向驱动系统相连，用于实现运动方向的推进驱动和喷水泵位置调整功能。所述水下机器人机构包括一个头部半球罩、十二个侧喷口、四个端喷口、一个后连接器、一个推进器、一个水袋、两个翼板、一个主壳体、一个控制系统、一个前连接器、一个姿态传感器和一个任务载荷；其特征在于：所述主壳体连接前后连接器，前连接器连接一个头部半球罩；四根连接杆分别插入头部半球罩上的U形孔，姿态传感器通过螺栓拧紧固定在任务载荷上，任务载荷通过自身的安装勾固定在四根连接杆其中两个长杆上；在前连接器两端的外圆柱面各安装一个密封圈，四根连接杆通过头部半球罩上的U形孔，再次插入前连接器的四个对应通孔，压紧前连接器两侧的密封圈使头部半球罩和前连接器完全配合；所述控制系统的十六根根水管分别通向十二个个侧喷口和四个端喷口；十六根根水管分别通过喷口后使用密封圈和紧固螺母来进行密封安装；所述水袋通过绷带固定在四根连接杆中间；所述主壳体的内圆柱面分别和前连接器、后连接器的外圆柱面配合连接，并压紧密封圈，使用盖型螺母紧固；两根延伸杆通过内外螺纹固定在后连接器突起外端上，两个固定板通过四个六角长螺栓固定在延伸杆上，所述推进器套进固定板内，并通过推进器上预留的螺纹孔用螺栓拧紧定位；所述两个翼板通过十个定位螺栓的内外螺纹进行固定。所述电源管理系统通过胶带固定在固定板上，固定板通过四个六角长螺栓固定在后连接器突起外端的延伸杆上；所述电源管理系统用于实现电源的监测与电池的管理。所述姿态传感系统采用九轴自由度传感器GY-85，九轴自由度传感器包括三轴加速度计ADXL345、三轴陀螺仪ITG3205和三轴磁力计HMC5883L；所述姿态传感系统通过紧固螺母固定在连接杆上，用于获得当前机器人的运动能够姿态信息和加速度信息，以便于判断当前机器人所处环境的涌流驱动情况和自身电机驱动情况。所述任务传感系统主要包括秀客C30水下防水摄像机，该摄像机通过紧固螺母固定在连接杆上，用于获得当前水下机器人的实时水下视频图像等。所述无线接收装置通过胶带固定在固定板上，固定板通过四个六角长螺栓固定在后连接器突起外端的延伸杆上，用于获得远程控制信号。所述浮沉系统通过胶带固定在固定板上，固定板通过四个六角长螺栓固定在后连接器突起外端的延伸杆上，所述浮沉系统用于实现机器人水深控制。所述运动方向驱动系统通过胶带固定在固定板上，固定板通过四个六角长螺栓固定在后连接器突起外端的延伸杆上，所述运动方向驱动系统用于实现运动方向的推进驱动和喷水泵位置调整等功能。
上述主控制系统的结构：一个微处理器经过电源管理系统连接蓄电池、经过位置、速度传感电路连接直流无刷电机、连接复位电路、接口转换电路和功率驱动模块，功率驱动模块继而连接沉浮系统,所述接口转换电路连接姿态传感系统、任务传感系统和无线接收装置；所述主控制系统用于控制直流无刷电机，实现机器人的驱动、制动和转向等控制，在有无水草的两种情况下，实现水下机器人更稳定的工作状态。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用螺旋桨推进器加喷泵的混合驱动方式，如果仅采用单一的螺旋桨推进器进行驱动，当水下机器人到达一定深度时，螺旋桨对周围环境的扰动比较大，而且水底水草的存在，会影响螺旋桨的工作，可能会出现螺旋桨桨叶卡死的现象，使整个系统无法正常工作。所述的混合驱动水下机器人采取螺旋桨加喷泵的混合驱动方式，有效地避免了螺旋桨卡死的现象，在有水草的环境工作时，采取喷泵的方式进行驱动，使水下机器人更好的工作。
附图说明
附图1是混合驱动水下机器人的结构示意图。
附图2是图1示例中混合驱动水下机器人的控制系统机构。
附图3是图1示例中主控制系统的电路结构框图。
附图4是图1示例中主控制系统的程序流程框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
如图1所示，本混合驱动水下机器人包括一个水下机器人机构101，所述水下机器人机构内安装有一个主控制系统102、一个电源管理系统103、一个姿态传感系统104、一个任务传感系统105、一个无线接收装置106、一个沉浮系统107和一个运动方向驱动系统108，所述主控制系统102与电源管理系统103相连，用于实现电源的监测与电池的管理，所述主控制系统102与姿态传感系统104相连，用于获得机器人的当前姿态信息，所述主控制系统102与任务传感系统105相连，用于获得当前水下机器人实时的视频信息等，所述主控制系统102与无线接收装置106相连，用于获得远程控制信号等，所述主控制系统102与浮沉系统107相连，用于实现机器人水深控制，所述主控制系统102与运动方向驱动系统108相连，用于实现运动方向的推进驱动和喷水泵位置调整等功能，本混合驱动机器人可广泛适用于涌流环境中水资源信息探测等应用。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
参见图2，本混合驱动水下机器人机构采用对称结构，完成机器人支架和本体外盖保护等功能，它包括：一个头部半球罩201、十二个侧喷口202、四个端喷口203、一个后连接器206、一个推进器210、一个水袋212、两个翼板214、一个主壳体215、一个控制系统216、一个前连接器218、一个姿态传感器220和一个任务载荷221。
所述混合驱动水下机器人采用推进器和喷水泵组合驱动来实现在水下更好地工作。四根连接杆213分别插入头部半球罩201上的U形孔，姿态传感器220通过螺栓拧紧固定在任务载荷221上，任务载荷221通过自身的安装勾固定在四根连接杆213其中两个长杆上；在前连接器218两端的外圆柱面各安装一个密封圈217，四根连接杆213通过头部半球罩201上的U形孔，再次插入前连接器218的四个对应通孔，压紧前连接器218两侧的密封圈217使头部半球罩201和前连接器218完全配合；所述控制系统216的十六根水管204分别通向十二个侧喷口202和四个端喷口203；十六根水管204分别通过喷口202、203后使用密封圈和紧固螺母211来进行密封安装；所述水袋212通过绷带固定在四根连接杆213中间；所述主壳体215的内圆柱面分别和前连接器218、后连接器206的外圆柱面配合连接，并压紧密封圈217，使用盖型螺母207紧固；两根延伸杆209通过内外螺纹固定在后连接器206突起外端上，两个固定板208通过四个六角长螺栓固定在延伸杆209上；所述推进器210套进固定板208内，并通过推进器210上预留的螺纹孔用螺栓拧紧定位；所述两个翼板214通过十个定位螺栓205的内外螺纹进行固定。
实施例三：
本实施例与实施例二基本相同，特别之处在于：
参见图3，所述主控制系统102的结构：一个微处理器301经过电源管理系统103连接蓄电池223、经过位置、速度传感电路303连接直流无刷电机304、连接复位电路305、接口转换电路306和功率驱动模块307，功率驱动模块307继而连接沉浮系统107,所述接口转换电路306连接姿态传感系统104、任务传感系统105和无线接收装置106；所述主控制系统102用于控制直流无刷电机304，实现机器人的驱动、制动和转向等控制，在有无水草的两种情况下，实现水下机器人更稳定的工作状态。
所述微处理器301采用美国TI公司的TMS320F28035微处理器，内含模拟-数字转换器，可实现姿态角信息的模数转换，获得姿态角数值，具有PWM脉宽调制输出控制功能、eCAN增强CAN总线和eQEP增强计数器等功能。
所述微处理器301与所述接口转换电路306相连，实现数据通讯和总线电平转换等功能；所述微处理器的复位信号XRS与上电复位电路相连。
所述位置传感电路303采用霍尔元件布局于直流无刷电机中，用于实现电机转动位置的检测。
所述接口转换电路306与所述姿态传感系统104、所述任务传感系统105、所述无线接收装置106连接，用于实现数据通讯和总线电平转换等功能。
所述姿态传感系统104采用MicroStrain公司的3DM-GX3姿态传感系统，用于获得机器人六自由度的速度、加速信息和全球GPS定位信息等，为机器人控制系统提供姿态参考。
所述任务传感系统105主要包括可视化三轴云台拍摄系统，用于实现机器人所处水下环境的实时视频图像的获得。
所述无线接收装置106，用于接收远程发送来的指令，对水下机器人进行实时控制。
整个控制流程如图4所示。具体过程如下：
(a)设备初始化；
(b)获得当前温度、湿度、姿态、周边环境信息；
(c)判断是否接收到远程数据，如果有，则进行远程数据交换和远程控制；
(d)判断前方是否有水草存在，如果没有，则继续以螺旋桨推动器为工作动力，进行水下机器人运行。如果存在水草，则停止螺旋桨工作模式，采用喷泵系统；
(f)判断前方是否有障碍物，如果存在风险，则运行避障模式；
(g)自身状态监测，判断是否存在故障，如果有，则通过无线接收装置发送当前信息和故障信息；
(h)返回(b)运行。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种混合驱动水下机器人，包括：一个水下机器人机构(101)，其特征在于：所述水下机器人机构(101)内安装有一个主控制系统(102)、一个电源管理系统(103)、一个姿态传感系统(104)、一个任务传感系统(105)、一个无线接收装置(106)、一个浮沉 系统(107)和一个运动方向驱动系统(108)，所述主控制系统(102)与电源管理系统(103)相连，用于实现电源的监测与电池的管理，所述主控制系统(102)与姿态传感系统(104)相连，用于获得机器人的当前姿态信息，所述主控制系统(102)与任务传感系统(105)相连，用于获得当前水下机器人实时的视频信息，所述主控制系统(102)与无线接收装置(106)相连，用于获得远程控制信号，所述主控制系统(102)与浮沉系统(107)相连，用于实现机器人水深控制，所述主控制系统(102)与运动方向驱动系统(108)相连，用于实现运动方向的推进驱动和喷水泵位置调整功能；
采用螺旋桨推进器加喷泵的混合驱动方式，使整个系统正常工作，整个控制流程具体过程如下：
(a)设备初始化；
(b)获得当前温度、湿度、姿态、周边环境信息；
(c)判断是否接收到远程数据，如果有，则进行远程数据交换和远程控制；
(d)判断前方是否有水草存在，如果没有，则继续以螺旋桨推动器为工作动力，进行水下机器人运行；如果存在水草，则停止螺旋桨工作模式，采用喷泵系统；
(f)判断前方是否有障碍物，如果存在风险，则运行避障模式；
(g)自身状态监测，判断是否存在故障，如果有，则通过无线接收装置发送当前信息和故障信息；
(h)返回(b)运行；
所述水下机器人机构(101)包括一个头部半球罩(201)、十二个侧喷口(202)、四个端喷口(203)、一个后连接器(206)、一个推进器(210)、一个水袋(212)、两个翼板(214)、一个主壳体(215)、一个控制系统(216)、一个前连接器(218)、一个姿态传感器(220)和一个任务载荷(221)；其特征在于：所述主壳体(215)连接前后连接器(218、206)，前连接器(218)连接一个头部半球罩(201)；四根连接杆(213)分别插入头部半球罩(201)上的U形孔，姿态传感器(220)通过螺栓拧紧固定在任务载荷(221)上，任务载荷(221)通过自身的安装勾固定在四根连接杆(213)其中两个长杆上；在前连接器(218)两端的外圆柱面各安装一个密封圈(217)，四根连接杆(213)通过头部半球罩(201)上的U形孔，再次插入前连接器(218)的四个对应通孔，压紧前连接器(218)两侧的密封圈(217)使头部半球罩(201)和前连接器(218)完全配合；所述控制系统(216)的十六根水管(204)分别通向十二个侧喷口(202)和四个端喷口(203)；十六根水管(204)分别通过喷口(202、203)后使用密封圈和紧固螺母(211)来进行密封安装；所述水袋(212)通过绷带固定在四根连接杆(213)中间；所述主壳体(215)的内圆柱面分别和前连接器(218)、后连接器(206)的外圆柱面配合连接，并压紧密封圈(217)，使用盖型螺母(207)紧固；两根延伸杆(209)通过内外螺纹固定在后连接器(206)突起外端上，两个固定板(208)通过四个六角长螺栓固定在延伸杆(209)上；所述推进器(210)套进固定板(208)内，并通过推进器(210)上预留的螺纹孔用螺栓拧紧定位；所述两个翼板(214)通过十个定位螺栓(205)的内外螺纹进行固定。
2.根据权利要求1所述的混合驱动水下机器人，其特征在于：所述电源管理系统(103)通过胶带固定在固定板(208)上，固定板(208)通过四个六角长螺栓固定在后连接器(206)突起外端的延伸杆(209)上；所述电源管理系统(103)用于实现电源的监测与电池的管理。
3.根据权利要求1所述的混合驱动水下机器人，其特征在于：所述姿态传感系统(104)采用九轴自由度传感器GY-85，九轴自由度传感器包括三轴加速度计ADXL345、三轴陀螺仪ITG3205和三轴磁力计HMC5883L；所述姿态传感系统(104)通过紧固螺母固定在连接杆(213)上，用于获得当前机器人的运动能够姿态信息和加速度信息，以便于判断当前机器人所处环境的涌流驱动情况和自身电机驱动情况。
4.根据权利要求1所述的混合驱动水下机器人，其特征在于：所述任务传感系统(105)主要包括水下防水摄像机，该摄像机通过紧固螺母固定在连接杆(213)上，用于获得当前水下机器人的实时水下视频图像。
5.根据权利要求1所述的混合驱动水下机器人，其特征在于：所述无线接收装置(106)通过胶带固定在固定板(208)上，固定板(208)通过四个六角长螺栓固定在后连接器(206)突起外端的延伸杆(209)上，用于获得远程控制信号。
6.根据权利要求1所述的混合驱动水下机器人，其特征在于：所述浮沉系统(107)通过胶带固定在固定板(208)上，固定板(208)通过四个六角长螺栓固定在后连接器(206)突起外端的延伸杆(209)上，所述浮沉系统(107)用于实现机器人水深控制。
7.根据权利要求1所述的混合驱动水下机器人，其特征在于：所述运动方向驱动系统(108)通过胶带固定在固定板(208)上，固定板(208)通过四个六角长螺栓固定在后连接器(206)突起外端的延伸杆(209)上，所述运动方向驱动系统(108)用于实现运动方向的推进驱动和喷水泵位置调整功能。
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