CN107340757A - 一种水下机器人 - Google Patents

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    • G05B2219/31076—Controller for cell, for robot motion, for supervision

Abstract

本发明公开了一种水下机器人，包括机器人本体、监控机器人本体的监控站、交换机，PLC控制器包括EtherCAT总线耦合器、模拟量输出模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和伺服驱动模块，数字量输入模块、模拟量输入模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，模拟量输出模块和伺服驱动模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，伺服驱动模块与推进器连接，监控站包括TwinCAT主站、监控主机和显示器，PLC控制器中的EtherCAT总线耦合器与交换机通信连接，所述交换机与TwinCAT主站通信连接，所述TwinCAT主站与主机通信连接，显示器与主机连接，所述交换机可安装在机器人本体上或者监控站中，可实现大数据的远距离实时传输，并由主机及显示器实时显示水下状况以及机器人本体的工况。

Description

一种水下机器人
技术领域
本发明涉及水下机器人的控制技术领域，特别涉及一种可实时监测与控制的水下机器人。
背景技术
在海洋开发热的环境下，水下机器人的研究逐渐成为新的前沿和热点，其中就涉及到远程监控系统的设计，特别是遥控水下机器人(ROV)，水下机器人监控系统一般实现控制、观测和状态反馈等功能。
但是现有大多数水下机器人监控机的人机交互界面主要利用C语言或者VB语言进行开发，随着水下机器人的控制精度的提升，以及附加功能需求的增加，类似MFC已经无法进行快速开发，导致人机界面的开发周期变长，功能受限，人力成本增加，同时随着下潜深度的增加，传统数据传输方案也无法满足多数据的远距离实时传输需求。
发明内容
本发明克服了现有技术的缺点，提供了一种水下机器人，实现以下功能：1、利用EtherCAT实时工业现场总线作为通信协议，满足多数据的远距离实时传输需求，实现了水下机器人全方位工况信息的实时反馈与监控。2、利用多传感技术提高了水下机器人控制精度和运行可靠性。3、利用LabVIEW自带的多种开发模块，缩短了人机界面开发周期，降低了开发难度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种水下机器人，包括机器人本体以及监控机器人本体的监控站，所述机器人本体用于水下作业且包括机架、推进器和PLC控制器，所述推进器和PLC控制器设置在机架上，包括交换机， 所述PLC控制器包括EtherCAT总线耦合器、模拟量输出模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和伺服驱动模块，所述数字量输入模块、模拟量输入模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，所述模拟量输出模块和伺服驱动模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，所述伺服驱动模块与推进器连接以驱动推动器，所述监控站包括TwinCAT主站、监控主机和显示器，所述PLC控制器中的EtherCAT总线耦合器与交换机通过以太网方式通信连接，所述交换机与TwinCAT主站通过以太网方式通信连接，所述TwinCAT主站与主机通过以太网方式通信连接，所述显示器与主机连接，所述交换机可安装在机器人本体上或者监控站中。在此结构中，PLC控制器、交换机与TwinCAT主站之间利用EtherCAT通信协议来实现以太网通信连接，可实现大数据的远距离实时传输，并由主机及显示器实时显示水下状况以及机器人本体的工况。
进一步地，包括摄像头云台和网络摄像头，所述网络摄像头安装在摄像头云台上且与交换机通信连接，所述摄像头云台与模拟量输出模块电连接。
进一步地，包括机械手和角度传感器，所述机械手安装在机架上且机械手的各关节分别具有一关节电机，所述伺服驱动模块与机械手的关节电连接以驱动机械手各关节运动，所述角度传感器安装在机械手各关节上且用于测量各关节运动角度，所述角度传感器的输出端与模拟量输入模块电连接。
进一步地，包括力传感器，所述力传感器安装在机械手的自由端且用来感知夹持物体时的力度，所述力传感器与模拟量输入模块电连接。
进一步地，包括高亮LED灯，所述高亮LED灯与模拟量输出模块电连接，所述高亮LED灯安装在机架上。
进一步地，包括温度传感器，所述温度传感器安装在推进器上以采集推进器的温度，所述温度传感器分别与数字量输入模块电连接。
进一步地，包括深度传感器、速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器，所述深度传感器配备为测量机器人本体的下潜水深，所述速度传感器配备为机器人本体的运行速度，所述陀螺仪配备为测量机器人本体的姿态，所述GPS传感器配备为测量机器人本体的位置信息，所述流速传感器配备为测量水流速度，所述深度传感器、速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器分别固定在机器人本体上，所述深度传感器与数字量输入模块电连接，所述速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器分别与模拟量输入模块电连接。
进一步地，所述TwinCAT主站采用基于TwinCAT控制器的TwinCAT主站，所述主机安装有LabVIEW系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用EtherCAT实时工业现场总线作为通信协议，满足多数据的远距离实时传输需求，实现了水下机器人全方位工况信息的实时反馈与监控。2、利用多传感技术组成冗余传感器系统，提高了水下机器人控制精度和运行可靠性。3、利用LabVIEW自带的多种开发模块，缩短了人机界面开发周期，降低了开发难度。
附图说明
图1所示为本发明的水下机器人的控制结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。
实施例1 参考图1，一种水下机器人，包括机器人本体以及监控机器人本体的监控站，所述机器人本体用于水下作业且包括机架、推进器和PLC控制器，所述推进器和PLC控制器设置在机架上，本发明改进在于，包括交换机， 所述PLC控制器包括EtherCAT总线耦合器、模拟量输出模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和伺服驱动模块，所述数字量输入模块、模拟量输入模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，所述模拟量输出模块和伺服驱动模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，所述伺服驱动模块与推进器连接以驱动推动器，所述监控站包括TwinCAT主站、监控主机和显示器，所述PLC控制器中的EtherCAT总线耦合器与交换机通过以太网方式通信连接，所述交换机与TwinCAT主站通过以太网方式通信连接，所述TwinCAT主站与主机通过以太网方式通信连接，所述显示器与主机连接，所述交换机可安装在机器人本体上或者监控站中。PLC控制器、交换机与TwinCAT主站之间通过电缆连接，从而实现以太网数据通信。
在此结构中，PLC控制器、交换机与TwinCAT主站之间利用EherCAT通信协议来实现以太网通信连接，可实现大数据的远距离实时传输，并由主机及显示器实时显示水下状况以及机器人本体的工况。所述交换机优选为光纤交换机，电缆采用光纤电缆，以实现数据传输速度快、抗干扰能力强。优选的，PLC控制器采用德国倍福自动化有限公司的总线耦合器模块EK1100、模拟量输出模块EL4028、数字量输入模块EL1008、模拟量输入模块EL3008和伺服驱动模块AX5000。
为了实时采集水下状况，所述水下机器人包括摄像头云台和网络摄像头，所述网络摄像头安装在摄像头云台上且与交换机通信连接，所述摄像头云台与模拟量输出模块电连接，监控站可给EtherCAT总线耦合器发送控制指令，控制摄像头云台运动，网络摄像头采集多方位的水下状况信息通过交换机传输给监控站，监控站实时显示水下状况。
为了使得水下机器人能够水下进行精准地操作作业，如夹持物体等，所述水下机器人包括机械手和角度传感器，所述机械手安装在机架上且机械手的各关节分别具有一关节电机，所述伺服驱动模块与机械手的关节电连接以驱动机械手各关节运动，所述角度传感器安装在机械手各关节上且用于测量各关节运动角度，所述角度传感器的输出端与模拟量输入模块电连接，监控站给EtherCAT总线耦合器发送控制指令，EtherCAT总线耦合器向伺服驱动模块发送动作指令，伺服驱动模块通过关节电机控制机械手动作，角度传感器采集机械手各关节运动角度，通过PLC控制器传输给监控站，从而实时监控机械手的状态，实现闭环控制，提高了控制精度度。
在上述技术方案中，优选的，包括力传感器，所述力传感器安装在机械手的自由端且用来感知夹持物体时的力度，所述力传感器与模拟量输入模块电连接。监控站实时监控机械手夹持物体时的力度，以精准地夹持物体，避免力度过大或者过小，保护好物体的同时完成操作作业。
为了让监控站可观察到水下作业环境，实现精准操作，所述水下机器人包括高亮LED灯，所述高亮LED灯与模拟量输出模块电连接，所述高亮LED灯安装在机架上，监控站通过PLC控制器控制高亮LED灯的开关，实现实时观测水下作业环境。
在上述技术方案的基础上，所述水下机器人包括温度传感器，所述温度传感器安装在推进器上以采集推进器的温度，所述温度传感器分别与数字量输入模块电连接。推进器是水下机器人的核心部件之一，如果推进器出现了问题不能及时知晓，会使得整个水下机器人失去动力，温度传感器安装在推进器上主要测量推进器运行过程中的温度，实时监测推进器工况。
在上述技术方案的基础上，水下机器人，还包括深度传感器、速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器，所述深度传感器配备为测量机器人本体的下潜水深，所述速度传感器配备为机器人本体的运行速度，所述陀螺仪配备为测量机器人本体的姿态，所述GPS传感器配备为测量机器人本体的位置信息，所述流速传感器配备为测量水流速度，所述深度传感器、速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器分别固定在机器人本体上，所述深度传感器与数字量输入模块电连接，所述速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器分别与模拟量输入模块电连接。各传感器采集的数据通过PLC控制器传输给监控站，监控站对数据进行处理，以及在显示器中显示相关数据，实现实时监测，根据水的流速、温度和深度（压强）自适应调节机器人的运行参数，通过运行速度和位姿信息反馈可以判断推进器工作状态，也能实现闭环控制。
所述TwinCAT主站采用基于TwinCAT控制器的TwinCAT主站，所述主机安装有LabVIEW系统。TwinCAT控制器采用CX2040嵌入式控制器，安装TwinCAT控制器软件，PLC控制器接入光纤交换机，光纤交换机与CX2040控制器的一个以太网卡相连，所述基于CX2040嵌入式控制器的TwinCAT主站的另一个以太网口与主机通过以太网连接通信。
所述安装有LabVIEW系统的主机和显示器组成了LabVIEW监控平台，LabVIEW监控平台包括虚拟仪表模块、基于鲁棒控制器的操作控制模块和数据分析与保存模块，这些模块均可采用LabVIEW自带的多种开发模块，虚拟仪表模块包括网络摄像窗口、电子地图、机器人本体位姿和机械手姿态，网络摄像窗口由LabVIEW视觉模块实现调用和水下图像增强处理，电子地图由LabVIEW读取GPS信息调用百度地图静态图API接口实现，在电子地图上可编辑运行轨迹，机械手姿态由LabVIEW和SolidWorks联合开发，3D控件实时显示，基于鲁棒控制器的操作控制模块利用LabVIEW CD & Sim模块分析机械手角度、机器人运行速度、水下温度和水流，对机器人本体和机械手的控制参数进行调节，数据分析与保存模块由LabVIEW DSC模块实现，利用LabVIEW自带的多种开发模块，缩短了人机界面开发周期，降低了开发难度。
本发明的工作原理和过程是：水上操作员通过GPS、视觉和姿态信息，对水下机器人本体进行远程数据监测和操作，通过光纤以太网实现多数据通信，利用基于鲁棒控制器的操作控制模块，提高机器人本体的操作的准确性和稳定性，对控制参数进行自适应修正，电子地图实时显示水下机器人位置信息，同时可以在上面编辑任意轨迹，使机器人按照设定轨迹运行，LabVIEW监控平台对采集到的传感器数据和运行轨迹等过程数据进行分析和保存，以便后续研究使用，在本发明的水下机器人中，具有大量数据需要传输，采用PLC控制器、交换机与TwinCAT主站之间利用herCAT通信协议来实现以太网通信连接，可实现大数据的远距离实时传输，并由主机及显示器实时显示水下状况以及机器人本体的工况，多个传感器是为了建立冗余传感器系统，保障可靠性。
最后应说明的是：上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，对于本技术领域的普通技术人员依然可以对实施例所阐述的技术方案进行修改，而对本发明做出的任何修改和改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种水下机器人，包括机器人本体以及监控机器人本体的监控站，所述机器人本体用于水下作业且包括机架、推进器和PLC控制器，所述推进器和PLC控制器设置在机架上，其特征在于，包括交换机， 所述PLC控制器包括EtherCAT总线耦合器、模拟量输出模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和伺服驱动模块，所述数字量输入模块、模拟量输入模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，所述模拟量输出模块和伺服驱动模块分别与EtherCAT总线耦合器连接，所述伺服驱动模块与推进器连接以驱动推动器，所述监控站包括TwinCAT主站、监控主机和显示器，所述PLC控制器中的EtherCAT总线耦合器与交换机通过以太网方式通信连接，所述交换机与TwinCAT主站通过以太网方式通信连接，所述TwinCAT主站与主机通过以太网方式通信连接，所述显示器与主机连接，所述交换机可安装在机器人本体上或者监控站中。
2.台和网络摄像头，所述网络摄像头安装在摄像头云台上且与交换机通信连接，所述摄像头云台与模拟量输出模块电连接。
3.如权利要求1所述的一种水下机器人，其特征在于，包括机械手和角度传感器，所述机械手安装在机架上且机械手的各关节分别具有一关节电机，所述伺服驱动模块与机械手的关节电连接以驱动机械手各关节运动，所述角度传感器安装在机械手各关节上且用于测量各关节运动角度，所述角度传感器的输出端与模拟量输入模块电连接。
4.如权利要求3所述的一种水下机器人，其特征在于，包括力传感器，所述力传感器安装在机械手的自由端且用来感知夹持物体时的力度，所述力传感器与模拟量输入模块电连接。
5.如权利要求1所述的一种水下机器人，其特征在于，包括高亮LED灯，所述高亮LED灯与模拟量输出模块电连接，所述高亮LED灯安装在机架上。
6.如权利要求1所述的一种水下机器人，其特征在于，包括温度传感器，所述温度传感器安装在推进器上以采集推进器的温度，所述温度传感器分别与数字量输入模块电连接。
7.如权利要求1所述的一种水下机器人，其特征在于，包括深度传感器、速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器，所述深度传感器配备为测量机器人本体的下潜水深，所述速度传感器配备为机器人本体的运行速度，所述陀螺仪配备为测量机器人本体的姿态，所述GPS传感器配备为测量机器人本体的位置信息，所述流速传感器配备为测量水流速度，所述深度传感器、速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器分别固定在机器人本体上，所述深度传感器与数字量输入模块电连接，所述速度传感器、陀螺仪、GPS传感器和流速传感器分别与模拟量输入模块电连接。
8.如权利要求1所述的一种水下机器人，其特征在于，所述TwinCAT主站采用基于TwinCAT控制器的TwinCAT主站，所述主机安装有LabVIEW系统。
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