CN107463109B - 一种通用型水面移动机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用型水面移动机器人平台，包括：船载控制器以及与其连接的路由器、惯导、数传电台、执行机构；所述执行机构通过接收机与船载控制器连接；所述执行机构用于根据船载控制器的命令进行舵机的自动点火/熄火、方向控制和遥控的切换控制。本发明具有远程控制的功能。通过执行机构可以实现远程控制水面机器人实现点火/熄火、增加或减少发动机油门大小、左转或右转。

Description

一种通用型水面移动机器人平台

技术领域

本发明属于先进制造与自动化技术领域，具体地说是一种能够用于应急救援的通用型水面移动机器人平台。

背景技术

以水资源开发、利用和保护为目的的江河治理，以及对可能发生的洪涝灾害的预防和救援，一直以来都是一个热点问题。如果能够远程控制水面机器人平台运行(包括点火/熄火、航向、航速)，就可以最大限度地提高救援效率，代替人执行重复性或危险性的任务，有效减少人员和财产损失。因此研制通用型水面移动机器人平台具有很大的必要性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种通用型水面移动机器人平台，他可以通过一套自动控制系统(或遥控器)实现远程自动控制(或遥控)水面机器人实现点火/熄火、增加或减少发动机油门大小、左转或右转。同时通过配备不同的载荷平台(全自动救援抛投器、激光、可见光、红外传感器等)实现水面监控、水上救援、物资拖拽、船舶停靠和拖带及线路架设等。本发明的特点在于，它可以代替有人驾驶系统的水面船只执行繁琐、复杂、危险的监测与搜救使命，从而提升任务执行效率，保证任务执行的安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种通用型水面移动机器人平台，包括：船载控制器以及与其连接的路由器、惯导、数传电台、执行机构；所述执行机构通过接收机与船载控制器连接；所述执行机构用于根据船载控制器的命令进行舵机的自动点火/熄火、方向控制和遥控的切换控制。

所述执行机构包括切换开关A、切换开关B、切换舵机、点火开关、熄火开关、点火/熄火舵机；所述切换舵机设于切换开关A与切换开关B之间；所述点火开关与熄火开关基于点火/熄火舵机对称；所述点火/熄火舵机与接收机连接。

所述切换开关A与切换开关B平行设置；切换开关A摆臂与切换开关B摆臂之间的垂直距离等于切换舵机摆臂的长度。

所述切换开关A与切换开关B为单刀双掷切换开关。

所述点火开关与熄火开关对称设于点火/熄火舵机对称轴两侧，且相互平行；点火开关摆臂与熄火开关摆臂间的垂直距离为点火/熄火舵机摆臂长度的一半。

所述点火开关与熄火开关为单刀单掷切换开关。

一种通用型水面移动机器人平台，还包括油门舵机；油门舵机的摆臂连接油门开量拉线；油门与接收机连接。

一种通用型水面移动机器人平台，还包括方向舵机，与接收机连接；方向舵机摆臂的运动平面与油门舵机摆臂的运动平面垂直。

所述船载控制器还通过接收机连有抛投器。

一种通用型水面移动机器人平台，还包括遥控器。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明具有远程控制的功能。通过执行机构可以实现远程控制水面机器人实现点火/熄火、增加或减少发动机油门大小、左转或右转。

2.具有手动/自动切换功能。本发明的水面移动机器人在紧急情况下，可切换为手动模式，由手动摇杆控制。

3.具有通讯中断急停保护功能。本发明中的水面移动机器人平台在通讯中断2秒后，由船载控制系统自动熄火，从而避免在地面站系统与船载控制系统通讯中断后发生失控事故。

4.具有一键返航功能。本发明中的水面移动机器人平台在完成相应的任务后，在地面站发出一键返航指令，可以实现一键返航。

5.模块化设计，易于扩展。本发明的水面移动机器人平台，无论是硬件还是软件都进行了模块化处理，各个模块间相互独立，方便扩展。

附图说明

图1为本发明的平台结构示意图；

图2a为本发明的执行机构机械图；

图2b图2a的A方向剖面图；

图3为本发明的平台布线示意图；

其中：1-玻璃钢船体，2-电源，3-路由器，4-船载控制器，5-GPS天线，6-惯导，7-数传电台，8-执行机构，9-箱体，10-发动机油门舵机，11-发动机油门舵机摆臂，12-顶丝，13-方向舵机，14-方向舵机摆臂，15-单刀单掷点火开关，16-单刀单掷熄火开关，17-点火/熄火舵机，18-点火/熄火舵机摆臂，19-单刀双掷切换开关A，20-单刀双掷切换开关B，21-选择开关舵机，22-选择开关舵机摆臂。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

平台机械结构：如图1所示，本发明机械结构包括玻璃钢船体1、电源2、路由器3、船载控制器4、GPS天线5、惯导6、数传电台7、执行机构8所组成。其中路由器3用于接收采集的三维地图数据，同时也用作系统调试船载控制器用。船载控制器4由4个模块组成，包括通讯模块、控制模块、导航模块、任务模式切换模块，它可以通过数传电台7使远程操控人员在必要的时候，对水面移动机器人执行诸如点火熄火、调整运行航向和航速、控制任务执行机构等操作，同时实时反馈机器人的内部状态(包括航向、航速等)和外部环境信息(障碍物等)给地面站，并可对任务执行情况进行详细监控与跟踪。

如图2a、图2b所示，执行机构8包括箱体9、发动机油门舵机10、发动机油门舵机摆臂11、顶丝12、方向舵机13、方向舵机摆臂14、点火开关15、熄火开关16、点火/熄火舵机17、点火/熄火舵机摆臂18、切换开关A19、切换开关B20、切换舵机21、切换舵机摆臂22。

切换开关A19与切换开关B20相互平行，两者与切换舵机摆臂22旋转中心呈中心对称，且两者摆臂之间的垂直间距为切换舵机摆臂22的长度。当切换舵机摆臂22旋转到与切换开关A19和切换开关B20相互平行时，切换开关A19与切换开关B20为断开状态；当切换舵机摆臂22旋转到与切换开关A19和切换开关B20相互垂直时，切换开关A19与切换开关B20为闭合状态。

点火开关15与熄火开关16相互平行，两者与点火/熄火舵机摆臂18初始位置(与舵机纵向轴线平行)呈轴对称，且两者摆臂之间的垂直间距为点火/熄火舵机摆臂18长度的二分之一。当点火/熄火舵机摆臂18从初始位置逆时针旋转10°～30°时，点火开关15处于闭合状态，保持3秒左右时间即可完成点火；当点火/熄火舵机摆臂18顺时针旋转10°～30°时，熄火开关16处于闭合状态，保持3秒左右时间即可完成熄火。

发动机油门舵机摆臂11连接发动机油门开量拉线，发动机油门舵机摆臂11的初始位置与发动机油门舵机10纵向对称。当发动机油门舵机摆臂11处于初始位置(与舵机纵向轴线平行)时，发动机油门开量为最小状态；当发动机油门舵机摆臂11逆时针旋转60°时，发动机油门开量为最大状态。

方向舵机摆臂14的初始位置(与舵机纵向轴线平行)与箱体9高度方向平行。当方向舵机摆臂14逆时针旋转40°时，机器人平台的喷水方向逆时针旋转40°，从而实现机器人平台逆时针运动；方向舵机摆臂14顺时针旋转40°时，机器人平台的喷水方向顺时针旋转40°，从而实现机器人平台顺时针运动。

平台布线原理：如图3所示，平台的系统结构采用模块化设计。包括：方向舵机、点火/熄火舵机、发动机油门舵机、选择开关舵机、2个单刀双掷选择开关、抛投器、接收机、PWM信号、惯导、无线路由、MDS数传电台、PC/104控制器、稳压板、PCM3780板卡、分线器。其中，PC/104控制器、稳压板、PCM3780板卡构成了船载控制器。

底层执行机构方向舵舵机13、点火/熄火舵机17、发动机油门舵机10、抛投器舵机通过单刀双掷选择开关19与单刀双掷选择开关B20切换PWM信号来源。信号PWM一路通过接收机产生，一路通过基于PC/104总线的板卡PCM3780的定时/计数器产生。通过单刀双掷选择开关A19与单刀双掷选择开关B20切换远程手动/自动控制，其中手动控制的信号来自遥控器，自动控制的控制信号来自船载控制器4。单刀双掷选择开关A19用于切换地面站与遥控器控制发动机油门与方向，单刀双掷选择开关B20用于切换地面站与遥控器控制点火/熄火与抛投器抛投。方向舵机13，用于控制喷水方向，控制范围为±40°，可实现的最小转弯半径为1.38米；发动机油门舵机10，用于控制发动机油门开量；点火/熄火舵机17，用于控制发动机点火与熄火。

本发明的工作原理为：

本发明采用喷水推进方式产生动力推动机器人向前运动。分四种控制模式，手动控制模式(航向、发动机油门由遥控器给出)、航向控制模式(控制航向，发动机油门手动给出)、全自主控制(航向与航速由地面站给出)、航迹点控制模式(根据地面站选定的航迹点来进行运动，发动机油门由地面站给出)。下面以全自主控制模式与手动控制模式为例进行说明。

若控制模式为全自主模式，则首先通过遥控器发出控制信号控制选择开关舵机摆臂22旋转到与单刀双掷切换开关A19与单刀双掷切换开关B20相互平行，此时刀双掷切换开关A19与单刀双掷切换开关B20处于断开状态，使得方向舵机13、发动机油门舵机10、点火/熄火舵机17的控制信号来自于船载控制器4的信号，从而实现了执行机构8的信号是由地面站通过数传电台7给出。然后在地面站设置为全自主控制模式，由地面站通过数传电台7按照指定的协议将期望航向、航速与控制器参数发给船载控制器4。若地面站与船载控制器4之间的通讯超出有效通讯范围或数据发生错误或丢包，则船载控制器4将无法正常接收或解析地面站的控制指令，此时系统的数据包的时间戳将会保持不变。若数据包的时间戳与系统时间戳之差超过2秒，则船载控制4发出熄火指令。若船载控制器4能正常接收地面站的数据包，则由船载控制器4根据当前惯导6测量的航向、航速与期望的航向、航速进行闭环反馈得到方向舵机13、发动机油门舵机10的输出值。然后通过船载控制器4将输出值转换成相应PWM量，由板卡PCM3780发送给方向舵机13、发动机油门舵机10，控制方向舵机摆臂14、发动机油门舵机摆臂11旋转相应的角度。若水面机器人的航向大于实际航向时，则向左打舵，反之向右；若水面机器人的航速大于实际航速时，则降低油门开量，反之加大。最后通过调整方向舵与油门开量实现了水面机器人的航向与航速控制。

若控制模式为一键返航模式，则首先通过遥控器设置为地面站控制，操作方法同全自主模式。然后在地面站设置为一键返航模式，由地面站通过数传电台7按照指定的协议将GPS坐标点、期望航速与控制器参数发给船载控制器4。若船载控制器4能正常接收地面站的数据包，则由船载控制器4根据GPS坐标点与当前惯导6测量的GPS坐标点计算期望航向。再由船载控制器4根据当前惯导6测量的航向、航速与期望的航向、航速进行闭环反馈得到方向舵机13、发动机油门舵机10的输出值。最后由船载控制器4将输出值转化成相应的PWM波输出给执行机构，从而实现了水面机器人的一键返航控制。

若控制模式为手动模式，则首先在遥控器中设定为手动模式，由遥控器发出控制指令，使选择开关舵机21带动选择开关舵机摆臂22旋转到与切换开关A19、B20相垂直的位置，此时切换开关A19、B20刚好闭合，从而使得方向舵机13、发动机油门舵机10、点火/熄火舵机17的控制信号来自于遥控器的信号，最终实现了遥控器的手动控制。

Claims (7)

1.一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于包括：船载控制器(4)以及与其连接的路由器(3)、惯导(6)、数传电台(7)、执行机构(8)；所述执行机构(8)通过接收机与船载控制器(4)连接；所述执行机构用于根据船载控制器(4)的命令进行舵机的自动点火/熄火、方向控制和遥控的切换控制；

所述执行机构(8)包括切换开关A(19)、切换开关B(20)、切换舵机(21)、点火开关(15)、熄火开关(16)、点火/熄火舵机(17)；所述切换舵机(21)设于切换开关A(19)与切换开关B(20)之间；所述点火开关(15)与熄火开关(16)基于点火/熄火舵机(17)对称；所述点火/熄火舵机(17)与接收机连接；

所述切换开关A(19)与切换开关B(20)平行设置；切换开关A(19)摆臂与切换开关B(20)摆臂之间的垂直距离等于切换舵机摆臂(22)的长度；

所述点火开关(15)与熄火开关(16)对称设于点火/熄火舵机(17)对称轴两侧，且相互平行；点火开关(15)摆臂与熄火开关(16)摆臂间的垂直距离为点火/熄火舵机摆臂(18)长度的一半；

当切换舵机摆臂(22)旋转到与切换开关A(19)和切换开关B(20)相互平行时，切换开关A(19)与切换开关B(20)为断开状态；当切换舵机摆臂(22)旋转到与切换开关A(19)和切换开关B(20)相互垂直时，切换开关A(19)与切换开关B(20)为闭合状态；

点火开关(15)与熄火开关(16)相互平行，两者与点火/熄火舵机摆臂(18)初始位置呈轴对称，且两者摆臂之间的垂直间距为点火/熄火舵机摆臂(18)长度的二分之一；所述点火/熄火舵机摆臂(18)初始位置为点火/熄火舵机(17)的纵向轴线；

当点火/熄火舵机摆臂(18)从初始位置逆时针旋转10°～30°时，点火开关(15)处于闭合状态，保持3秒左右时间即可完成点火；

当点火/熄火舵机摆臂(18)顺时针旋转10°～30°时，熄火开关(16)处于闭合状态，保持3秒左右时间即可完成熄火。

2.按权利要求1所述的一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于所述切换开关A(19)与切换开关B(20)为单刀双掷切换开关。

3.按权利要求1所述的一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于所述点火开关(15)与熄火开关(16)为单刀单掷切换开关。

4.按权利要求1所述的一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于还包括油门舵机(10)；油门舵机摆臂(11)连接油门开量拉线；油门与接收机连接。

5.按权利要求1所述的一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于还包括方向舵机(13)，与接收机连接；方向舵机摆臂(14)的运动平面与油门舵机摆臂(11)的运动平面垂直。

6.按权利要求1所述的一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于所述船载控制器(4)还通过接收机连有抛投器。

7.按权利要求1所述的一种通用型水面移动机器人平台，其特征在于还包括遥控器。