CN107580559B - 水环境移动机器人 - Google Patents

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Abstract

一种水环境机器人系统，其包括控制工作站、水下机器人载具和水面机器人载具。水下机器人载具与水面机器人载具通信且水面机器人载具与控制工作站通信。因而，水面机器人载具可用作控制工作站和水下机器人载具之间的中继。水面机器人载具进一步能检测水下载具的位置且自动地调整水下载具的位置，以便维持两个载具之间的大致垂直对准。

Description

水环境移动机器人
技术领域
提供用于执行水下资产(包括谁家管道和结构)检查系统、方法和装置，其包括水下机器人和水面机器人。
背景技术
移动机器人可在工业基础设施检查过程中扮演不可或缺的角色，包括在水下和海洋环境中的基础设施。通常，为了检查水下基础设施(例如水下管道)，需要使用人类潜水器或远程操作载具。然而，使用潜水器会带来安全问题且很昂贵。远程操作的载具消除了与潜水器有关的许多安全问题，但是这些载具要求支援船只，以为人类操作者存放、启动和提供平台以控制载具。这种支援船只具有相对大的轮廓且要求用于安全操作的最小水深度。因而，因为支援船只的限制，难以检查位于浅水、靠近海岸区域和其他危险区域的基础设施。如此，使用移动机器人可以允许对工业企业的具体区域进行更高效的检查。
在可抵达性方面，浅水对大船提出很大挑战，大船需要栓系大的工作等级的ROV，不能在可能与海底撞击的区域进行航行。因此，小的充气船(橡胶船)用于接近这些区域，但是仅可用于部署小的观察等级的ROV。这些ROV足够用于视觉检查，但是不适用于获得UT和CP测量，因为水下洋流会使它们来回运动且防止它们获取管道的稳定读数。由于与潜水中的船只航行有关的后勤问题，对这些任务使用潜水器会非常慢且不足。潜水检查(0-10m深度)通常首先使用潜水器且通过潜水支援船和充气船来执行。该过程缓慢且对水下管道的平均检查速度为大约0.5Km/天。
尽管水下移动机器人提供检查能力，但是如果支援船与水下移动机器人相距较远，则机器人不能被有效地控制和/或数据不能被有效地从机器人接收，这是因为与长距离水下通信有关的困难和局限造成的。
本发明能解决常规检查载具和检查方案相关的这些和其他局限。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种水环境机器人系统，其包括控制工作站、水下机器人载具、和水面机器人载具。第一和第二通信模块分别与水下机器人载具和水面机器人载具关联，其中第一和第二通信模块提供载具之间在过水中的通信。第三和第四通信模块分别与水面机器人载具和控制工作站关联，其中第三和第四通信模块提供水面机器人载具和控制工作站之间在空气中的通信。控制工作站配置为使用控制信号控制水下机器人载具的操作，所述控制信号经由第三和第四通信模块在控制工作站和水面机器人载具之间通信且经由第一和第二通信模块通过水面机器人载具继发到水下机器人载具。水下机器人载具配置为使用数据信号传递通过水下机器人载具收集的数据，所述数据信号经由第一和第二通信模块在水下机器人载具和水面机器人载具之间通信且经由第三和第四通信模块通过水面机器人载具继发到控制工作站。
根据本发明的进一步方面，水环境机器人系统包括对准控制系统。对准控制系统包括与水下机器人载具关联的位置信号发射器和与水面机器人载具相关的位置信号检测器，其中位置信号发射器发出能被位置信号检测器检测的信号。对准控制系统还包括与水面机器人载具关联的对准控制处理器，其接收从位置信号检测器而来的信号数据且确定水下机器人载具和水面机器人载具的相对位置。根据本发明的进一步方面，水面机器人载具进一步包括水面推进系统，且其中对准控制处理器控制水面推进系统的操作，以便让水面机器人载具沿水面以保持水面机器人载具和水下机器人载具之间的大致垂直对准的方式运动。
根据本发明的进一步方面，从包括LED光、声、激光和它们的各种组合的组中选择位置信号发射器和位置信号检测器。根据本发明的另一方面，水环境机器人系统进一步包括在水面机器人载具和水下机器人载具之间的延伸的绳索和与水面机器人载具关联的对准控制系统。对准控制系统包括传感器和对准控制处理器，传感器提供与绳索上的力有关的绳索力信号数据，所述对准控制处理器接收绳索力信号数据且确定水下机器人载具和水面机器人载具的相对位置。
根据本发明的另一方面，第一和第二通信模块配置为使用可见光、无线射频、激光、声通信和绳索中的至少一种来进行通信。根据本发明的另一方面，水面机器人载具和水下机器人载具配置为接驳在一起。
根据本发明的进一步方面，水面机器人载具和水下机器人载具配置为电联接，以从水面机器人载具将电功率提供到水下机器人载具。根据本发明的进一步方面，水面机器人载具和水下机器人载具配置为机械联接。
根据本发明的进一步方面，水面机器人载具配置为经由机械联接或绳索和其各种组合中的至少一种而为水下机器人载具提供增压水、压缩空气或喷砂材料和各种其组合中的至少一种。根据本发明的进一步方面，水下机器人载具包括至少一个水下运动模块和至少一个水下爬行模块。
根据本发明的进一步方面，至少一个水下运动模块包括垂直推力器、水平推力器、或浮力控制装置和其各种组合中的至少一种。
根据本发明的进一步方面，至少一个水下爬行模块包括爬行滚滑机构、轨道、轮子、促动腿部和其各种组合中的至少一种。
根据本发明的进一步方面，水下机器人载具包括至少一个环境传感器。
根据本发明的进一步方面，至少一个环境传感器包括摄像头、成像声纳、高度计、压力传感器、深度传感器或温度传感器和其各种组合中的至少一种。
根据本发明的进一步方面，水下机器人载具包括至少一个检查装置。
根据本发明的进一步方面，至少一个检查装置包括超声波测试探针、阴极保护探针、涡流探针、红外线摄像头、3D扫描系统和其各种组合。
根据本发明的进一步方面，水下机器人载具包括至少一个海洋生命清理系统。
根据本发明的进一步方面，系统进一步包括至少一个额外水面机器人载具，其中多个水面机器人载具进行无线通信，以在多个水面机器人载具和控制单元之间提供通信中继。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的水下载具；
图2示出了根据本发明实施例的水面载具；
图3示出了彼此操作关联的水下载具和水面载具；
图4示出了彼此操作关联的水下载具、水面载具和控制单元；
图5A-D显示了根据本发明额外实施例的水下载具；
图6和7显示了根据本发明另一实施例的水下载具；
图8A和8B示出了本发明另一实施例的水面载具；和
图9示出了了水面载具的某些系统的示意图。
具体实施方式
参见图1-3，水中环境机器人系统10包括水下机器人100和水面机器人200。水下机器人100的结构构造为使得其可潜到水面下方并在水下基础设施上执行各种维护和检查操作。水面机器人200留在水面上且具有其自身的推进系统202，使得其可沿水面运动以便保持与水下机器人100接近。随水下机器人100在水下运动，水面机器人200以相应方式运动，以便保持与水下机器人接近。因为水面机器人200运动到位于水下机器人100接近的位置，所以两个机器人之间的距离保持最小。因而，水面机器人200和水下机器人100之间隔水通信的距离最小化。使得隔水通信距离最小化是非常有利的，因为隔水发送通信信号很困难，且增加隔水距离会增加通信的困难且降低通信有效性。对隔水无线通信来说确实存在这种情况(因为信号损失造成的)，且对有线通信来说也是如此(限定因为需要更长的绳索，其会增加重量、成本、且有绳索纠缠的潜在问题)。
如此，水面机器人200用作用于水下机器人100的通信中继。在水下机器人100执行其各种任务时，水面机器人200使用其推进系统202以保持大约直接位于水下机器人100周围的位置。两个机器人的对准(alignment)之间存在一些偏差是可接受的，且水面机器人200可调整其位置以保持水下机器人100处于该机器人下方大约15度的圆锥形区域内，且该区域可扩展到约45度。
为了保持水下机器人100和水面机器人200的相对定位，水面机器人200可追踪水下机器人100的相对位置。水面机器人200可包括追踪模块204，其包括各种传感器，所述传感器可用于确定水下机器人100的位置。例如，追踪模块可包括声学定位系统，以追踪和确定水下机器人100的位置。声学定位系统可包括两个声学换能器，一个安装在水面机器人200上且一个安装在水下机器人100上。超短基线(USBL)系统可用于追踪水下载具。使用两个接收器，水面载具上安装的收发器能使用多个换能器头来检测声信号，以按照每一个换能器检测的不同时间相移位(time phase-shift)通过信号执行时间和水下载具的方向确定水下载具的范围。例如，在各种检测器处接收的信号的差可用于确定水下载具的位置。追踪范围可超过500m，具有0.1m范围的准确性和1度的方位精度(bearing accuracy)。声学定位系统是无绳追踪系统的一个例子。
其他追踪和定位系统和方法可用于追踪水下机器人100的位置。例如，在水面机器人200和包括传感器的水下机器人100之间延伸的绳索可用于追踪。绳索可包括沿绳索长度设置的多个惯性测量单元/传感器。在绳索运动时，使用惯性测量单元可感测运动，这又可用于确定水下机器人100相对于水面机器人200的位置。可在水面机器人200上使用自动绳索轴，以根据水下载具深度自动释放和收回绳索。三维力或应变传感器也可用于水面机器人的绳索轴，以确定绳索被水下机器人100所拉动的角度，这可用于确定机器人的位置。惯性测量单元也可安装在水面机器人200和水下机器人上，作为确定两个载具的相对位置和方位的器件。数据融合算法(例如卡尔曼滤波器)可用于将从不同追踪方法获取的各种估计值进行融合，以获得更准确的估计。
一旦水下载具已经被追踪，则智能控制算法随后将估计位置用作反馈信号并运行水面载具的推力器/推进器，以跟踪水下载具且定位在水下载具上方的接近位置。控制器的目的是使得两个载具之间的距离最小化且由此获得接近的垂直对准(verticalalignment)。通常垂直对准例如可保持在15度到45度的范围内。算法可基于PID控制器、适应性控制、最佳控制、或任何其他共同使用的控制策略。值得一提的是，操作者控制水下载具的运动，同时水面载具自主地驱动其自身并在操作者和水下载具之间来回继发通信。在失去与水下机器人的连接的情况下，可以对控制器进行超控(override)并直接通过操作者经由航空通信手动地对水面载具进行航行操作。
水下载具/机器人100能在水下漂浮/游动且在海底着陆/爬行(crawl)。水下机器人可配备有机器人手臂102，其可以以各种方式而被控制，包括使用触觉装置。水下机器人可包括一组水下检查设备104，例如超声波探针、阴极保护探针、涡流探针、摄像头(一个或多个)、海洋生物清理系统等等。
参见图1-4，水下机器人100可使用信号A(例如通过光/LED、激光、声或经由脐带缆(umbilical))与海面机器人船200经由分别位于水下机器人和水面机器人上的通信模块106和206进行通信。水面机器人200用作路由器/中继器，且经由空中通信装置将通信继发(例如在空中使用无线射频或激光)回到控制工作站300。控制工作站300可以是陆基工作站或可以是有人操纵的海上船。多个船或工作站可用于继发信号并延长范围。
水下机器人100可以与水面机器人船200接驳以用于各种支援功能。例如，水下机器人可接驳到水面机器人，使得水下机器人可使得其船载电池再充电。水面机器人还可通过接驳或通过脐带缆(umbilical cord)为水下机器人提供不同物质，例如增压水、压缩空气、和砂子(用于喷砂)。例如可通过电池、太阳能、内燃发动机或任何其他能量源为水面机器人提供功率。例如，如图2所示，水面机器人200包括太阳能单元210，以用于产生电力。机器人水面船可使用智能控制系统，使得机器人水面船自主跟踪水下机器人，以便保持在水下机器人上方的相对位置。
浅水位置检查是单调且昂贵的任务，系统10可实现对浅水中的水下资产1000的检查，能通过改善检查速度和效率且由此降低检视这些资产的时间而节约潜水支援船(Diving Support Vessels)成本方面的检查成本、潜水器成本和总体检查成本，被水下机器人和水面机器人使用的通信和接驳系统可适于用在各种机器人上。
系统10解决与浅水位置的检查(非常难以接近且成本昂贵)相关的问题。通过使用例如水面机器人200这样的自主通信中继船，操作者的船300不需要靠近浅水区域位置。而且，具有海底着陆/爬行能力则能允许小的观察等级ROV稳定自身并通常可取得仅由工作等级ROV可用的准确读数。
在一个实施例中，水下载具100可以是混合动力履带装置/ROV，其可使用推进器和浮力控制而漂浮和航行。其可配备有电池但是也可具有绳索。水下机器人还可配备有压力/深度传感器，以控制深度，且可具有GPS传感器，以纠正位置(如果其失去信号的话)。水下机器人可配备有成像声纳和高度计，用于在低可见度下航行。
在失去信号的情况下，水下机器人载具可向上航行，且一旦其位于水面以上，则其可例如使用RF和GPS的组合而再次建立通信。
载具可配备有坦克履带108(图5B)或使用悬挂轮子(suspended wheel)110(图5A)的其他爬行机构，以在粗糙不平的表面上航行。图5A-5D显示了水下机器人100，其可包括各种推进器件，包括轮子110和推进器112(图5A)，履带108和推进器112(图5B)，履带108和腿部114(图5C)，和腿部和轮子110(图5D)。爬行功能的一个潜在优点是允许在海底上航行，这能节省功率并提供更好的控制。图6和7显示了水下机器人的另一实施例，其包括水平和垂直推进器112、轮子110和浮力控制装置118。
水面机器人200可例如通过太阳能单元210、电池、柴油发动机或任何其他功率源(包括能量收集技术)提供功率，其可配备有无线射频(RF)模块/天线或无线天线208，以与水面上方的操作者通信。图8A和8B显示了可使用的水面船体设计的一个实施例。
优选地，水面机器人200构造为使得其能在水面上浮动(例如船)，且具有其自身的推进系统202，使得其可沿水面运动和航行。水面机器人200可配备有位于水下的另一通信模块206，以与水下载具100通信。水下通信模块206可以是声或RF，其可例如到达水下10m。用于提供水面机器人200和水下机器人100之间通信的另一替换例可使用LED通信，其是多向通信或单向激光通信，但是可提供更高的带宽(Gbps)且会需要复杂的激光追踪系统以控制方向。
水面机器人200还可提供无线/感应充电，以为水下载具100的电池充电，且可用作接驳站。因而，水面机器人200可追踪到水下机器人100的位置，且水面机器人可使用其自身的推进系统以改变其在水面上的位置，以维持与水下机器人接近(例如水面机器人可维持其在水下机器人正上方的位置)。在水下机器人沿海底表面运动时，水面机器人可追踪水下机器人并与水下机器人关联运动。如此，水面机器人为水下机器人提供近距支援和通信中继。如果水下机器人需要供给(例如电池充电)，则水下机器人可在水柱(water column)中向上运动并与水面机器人接驳。接驳可以是实体的/和/或感应的，使得供给(例如电池充电)可水面机器人传输到水下机器人。因而，水面机器人可包括接驳装置212，且水下机器人可包括相应的接驳装置120，其可被配置为提供非实体和/或实体接驳。水面机器人可包括多余的电池(超过其自身操作操作需要的电池)，以为水下机器人充电，或可具有其他发电能力(例如太阳能、内燃发动机)，其对水下机器人来说不实际，或会降低水下机器人的操作特点(尺寸、重量、机动性)。
水面机器人200还可用作信号中继器/扩展器或简单地是水下通信系统(移动路由器)，其是在水下载具和操作者之间的中继，操作者控制水下载具(水下机器人还可以是自主的或半自主的，在这种情况下，信号中继器可用于传递其他数据，例如检查日期)。水面载具200可配备有GPS系统且跟踪水下载具，连续地确保水下载具总是在其下方，以实现船只可使用从载具而来的声学信号进行三角测量。因而，水面载具200可用于确定水下载具100的实际位置，使得通过水下机器人收集的检查数据可与已经收集数据的地理位置相关。例如，水面载具可确定水下载具相对于其的位置，且水面载具可确定其地理位置(其可用于确定水下载具的地理位置)。
机器人领域的技术人员应理解，水面载具可包括电子电路，其包括存储器和/或计算机可读存储介质，其配置为存储与水面载具的操作有关的信息，例如配置设定和一个或多个控制程序。
更具体地，参见图9，水面载具可包括控制模块902。控制模块902可布置为具有各种硬件和软件部件，其用于实现系统操作，系统包括处理器904、存储器906、定位模块908、推进模块910、水下通信模块912、水上通信模块914和计算机可读存储介质916。处理器904用于执行可被加载到存储器906中的软件指令。处理器904可以是多个处理器、多处理器核心、或一些其他类型处理器，这取决于具体实施方式。
优选地，存储器906和/或存储916可被处理器904方位，由此使得处理器904接收和执行存储在存储器906上和/或存储部916上的指令。存储器906例如可以是随机访问存储器(RAM)或任何其他合适的易失或非易失计算机可读存储介质。此外，存储器906可以是固定的或可拆卸的。存储916可采取各种形式，取决于具体实施方式。例如，存储部916可包含一个或多个部件或装置，例如硬盘驱动器、闪速存储器、可擦写光盘、可擦写磁带或以上的一些组合。存储部916还可是固定的或可拆卸的或是远程的，例如基于数据存储系统的云。
一个或多个软件模块被编码在存储部916和/或存储器906中。软件模块可包括一个或多个软件程序或应用，其具有在处理器904中执行的一组指令或计算机程序代码。用于执行操作且实施本文公开的系统和方法的多个方面的这种计算机程序代码或指令可用一种或多种编程语言的任何组合来编写。程序代码可完全在水面载具200上执行(作为独立的软件包)，部分在水面载具200上执行和部分在远程计算机/装置上执行或完全在这种远程计算机/装置上执行。在后一情况下，远程计算机系统可通过任何类型的网络连接到水面载具200，包括局域网(LAN)或广域网，或通过外部计算机实现的连接(例如通过使用因特网服务供应商的因特网)。
优选地，在软件模块中包括定位模块908、推进模块910、水下通信模块912、和通过处理器904执行的水上通信模块914。在软件模块执行期间，处理器904配置为执行与水面载具的配置有关的各种操作。此外，应注意，与本发明的系统和方法的操作相关的其他信息和/或数据也可存储在存储916上，例如用在水面载具200的配置中的各种控制程序。
类似地，水下载具可包括控制模块，其可布置为具有各种硬件和软件部件，其用于实现系统的操作，所述系统包括处理器、存储器、定位模块、推进模块、水下通信模块、检查模块、和计算机可读存储介质，以便执行水下载具的各种功能。
参见水下载具100，包括一个或多个机器人手臂102(其可使用触觉来感测和感知水下资产)的模块可并入到载具中。由于使用力反馈传感器，所以触觉反馈可用于提供更好的控制。在操作者处于水上方的控制室的同时，该模块允许通常被各种潜水器执行的所有类型的活动。
在一些实施例中，系统可具有控制工作站300，其可使用触觉摇杆，以控制水下机器人和其机器人手臂。操作者还可对机器人水面船只、水下载具进行控制和导航，并远程地操作机器人手臂和执行检查活动。
水下机器人100可配备有检查模块104，其包括非破坏性的测试模块(其可包括超声波测试(UT)探针、涡流探针(允许透过混凝土层和海洋生命进行检查))、阴极保护(CP)测量探针、摄像头(包括用于视觉检查的红外线摄像头)和其他可能的NDT传感器。
水下机器人100可配备有清理机构(一个或多个)122，其使用刷子、气蚀、喷水、喷砂、机械研磨技术，以清理位于这些水下资产上的海洋生物(贝类动物)。例如，水面机器人船只可经由脐带缆提供，其将物质或水喷射到水下机器人。
水下机器人可具有以不同位置和角度安装的多于一个的摄像头。
根据某些实施例，离岸机器人系统10可至少包括水下机器人子系统100和至少一个海面子系统200。海面载具200可包括至少一个航空通信模块208，以与控制工作站通信，所述控制工作站包括用于控制通信的控制器。因而，海面子系统200用作用于通信信号的路由器或中继器。水下机器人系统100和水面子系统102具有在两个装置之间的至少一个通信器件106、206。控制器可用于控制水面载具和水下载具的某些操作。
水下机器人可包括推进模块，其可包括至少一个水下运动模块112a，用于为其在水柱(water column)提供深度控制，和包括水平运动控制模块112b，用于提供在水中沿水平方向的运动。推进模块还可包括水下爬行模块(例如控制轨道108、轮子110、和腿部114和116)，用于在海底上着陆、航行和稳定，用于提供沿海底的机动性。水下运动模块可包括推进器112，以控制在水下沿不同方向的机动性。推进器112的量、位置和方位确定水下机器人机动性的自由度。水下运动模块可包括浮力控制装置118和/或旋涡发生器(vortexgenerator)(例如垂直推力推进器112a)，以调节机器人的深度和修改水下机器人的方位。水下运动模块还可包括用于水平运动的水平推进器112b。水下爬行模块可包括爬行滚滑机构(crawling skid)，其具有履带108，从而在海底的粗糙不平的表面上以高机动性航行。除此之外或替换地，水下爬行模块可包括悬挂轮子110，类似于摇臂机构(rocker boogiemechanism)，从而在海底的粗糙不平表面上以高机动性航行。轮子110还可安装在促动腿部116上。
水下机器人子系统可使用一组传感器126，其包括但不限于摄像头、成像声呐、高度计、压力和深度传感器、和温度传感器，它们提供与周围环境和其物理性能有关的信息。水下机器人子系统可包括至少一个机器人手臂102，以执行各种水下任务，包括检查和处理任务。机器人手臂102可使用触觉反馈，以更容易地控制和执行与外界环境的更好接触。
水下机器人子系统可包括至少一个检查/非破坏性测试(NDT)装置104，以执行通常通过检查潜水器执行的各种水下检查任务。NDT装置104可以是超声波测试(UT)探针，以测量水下资产的厚度和检查厚度损失(这可能是由于腐蚀、侵蚀、裂纹或任何其他异常造成的)。NDT装置可以是阴极保护(CP)探针，以检查置于水下资产上的CP阳极。NDT装置可以是涡流(EC)测试探针，以检查水下资产的缺陷和异常。NDT装置可以是红外摄像头，以检测泄露，和用于检查泄露的温度梯度。NDT装置可以是3D扫描系统，以通过3D重建环境和检测海床的地形(包括在水下管道下方的自由跨度(free span))。3D扫描系统可以是立体视觉摄像头，以在3D再建之后测量CP阳极体积且因此检测阳极消耗。水下机器人子系统可包括具有各种组合和布置的几个NDT装置。
水下机器人系统可包括海洋生命清理系统112，以移除贝类动物和将水下资产的表面准备好以用于检查。海洋生命清理系统可使用喷水器和/或空化喷射器(cavitationjet)，以从水下资产清理和移除海洋生命。海洋生命清理系统还可包括被促动的刷子，以清理和移除海洋生命。另外或替换地，海洋生命清理系统组可使用喷砂，以清理和移除海洋生命。
海面子系统是远程控制机器人船只，其能在水上航行。在某些结构中，海面子系统可以是漂浮的气球，其通过脐带缆附接到水下子系统且在水下子系统在水下运动时被沿海面拖动。在其他结构下，海面子系统可包括推进装置202，使用智能控制技术，其可自主运动，以便通过水柱与水下机器人子系统维持垂直对准。控制技术可使用安装在海面子系统200下方的至少一个检测器204和至少安装在安装于水下子系统100上的发射器125。检测器可以是安装在海面子系统(其具有计算机视觉分段算法)下方的至少一个摄像头，以便对水下机器人子系统进行定位。发射器可以是位于水下机器人子系统上的发光二极管阵列，其可提供在很差的可见度下通过摄像头进行检测所需的光。控制技术还可使用声学器件，其中海面子系统包括声传感器，以检测通过安装在水下机器人子系统中的声换能器发出的声波，以便与海面子系统相比，确定海面子系统的相对位置。经由声学器件实现的控制技术可使用从安装在水下机器人子系统的至少两个声学换能器而来的声信号的三角测量，以便确定其相对于海面子系统的相对位置。控制技术还可在一些结构中使用脐带缆，其中脐带缆连接子系统，以检测水下机器人子系统的拖曳力方向，以便确定其相对于海面子系统的相对位置。控制技术还可使用经促动的激光追踪系统，以追踪水下机器人子系统以便确定其相对于海面子系统的相对位置。使用多于一种这些控制技术的各种组合可用于确定子系统的相对位置。
如上所述的航空通信模块120可使用无线射频(RF)，以与控制工作站300通信。控制工作站可位于支援船302上或在岸304上。航空通信模块120还可使用激光通信系统以与控制工作站300通信。
海面和水下子系统可使用可见光(例如发光二极管(LED))彼此通信。子系统还可在短距离上使用无线射频来进行通信。子系统还可使用激光通信、声通信和/或脐带缆通信。
海面子系统200还可用作用于水下机器人子系统100的接驳站。接驳站212可包括电联接装置，其布置为提供与水下机器人子系统的电联接(例如提供充电和/或数据通信)。因而，海面子系统可为水下机器人子系统的功率模块的电池充电。电联接可使用感应联接实现，其中感应充电可为电池充电而没有实体电连接。海面子系统的接驳站功能可包括机械联接，用于与水下机器人子系统实体联接。海面子系统可通过接驳或通过脐带缆(未示出)来提供不同物质，例如增压水、压缩空气和砂子(用于喷砂)。
水下机器人子系统100可通过其自载的电池来自我提供功率。替换地或除此之外，水下机器人子系统可被连接到海面子系统的脐带缆(未示出)提供功率。海面子系统200可被电池、太阳能、内燃发动机或任何其他能量源(包括能量收集装置)提供功率。
在某些结构中，多个海面子系统200可用于将通信信号的范围一直延伸到控制工作站。因而，多个海面子系统可用作信号复示器(signal repeater)。多个海面子系统还可用于增强定位和控制策略，以确定水下子系统的位置并维持与它的相对位置。
使用在本文所述的系统中的在海底运动的水下子系统和漂浮在上方的海面子系统所获得的混合动力机动性是一种新颖的构思，由于其更高效且节约能量而能改善检查过程。现有的ROV要求脐带缆，但是这会需要DSV的潜水位置是它们所能接近的。与水下机器人系统的水下通信存在巨大困难，而这是通过引入自主海面机器人船来解决的。潜水中的低可见度是另一问题，且因此引入爬行机构则能增强视觉检查过程，因为水下机器人不需要在海底航行时启动其推进器，这能在其正在漂浮时实现可见度的增强(恰如前述ROV技术中所述的情况那样)。

Claims (15)

1.一种水环境机器人系统，包括：
控制工作站；
水下机器人载具，适于浅水操作和检查，其具有本体、联接到本体的多个腿部、用于让本体在水中游动的推进器件、用于控制推进器件的水中航行模块、用于控制腿部沿水下海床运动的爬行模块、以及具有不同传感模式的检查装置；
水面机器人载具；
第一和第二通信模块，分别与水下机器人载具和水面机器人载具关联，其中第一和第二通信模块提供水下机器人载具和水面机器人载具之间在水中的通信；
第三和第四通信模块，分别与水面机器人载具和控制工作站关联，其中第三和第四通信模块提供水面机器人载具和控制工作站之间在空气中的通信；
对准控制系统，包括：
位置信号发射器，与水下机器人载具关联；
位置信号检测器，与水面机器人载具关联，其中位置信号发射器发射能被位置信号检测器检测的信号；
水面推进系统；和
对准控制处理器，与水面机器人载具关联，所述对准控制处理器接收从位置信号检测器而来的信号数据且确定水下机器人载具和水面机器人载具的相对位置，对准控制处理器控制水面推进系统的操作，以便让水面机器人载具沿水面以在水面机器人载具和水下机器人载具之间保持0度到45度范围的对准的方式运动，
其中控制工作站配置为使用控制信号控制水下机器人载具的操作，所述控制信号经由第三和第四通信模块在控制工作站和水面机器人载具之间通信且经由第一和第二通信模块通过水面机器人载具继发到水下机器人载具；和
其中水下机器人载具配置为使用多模式数据信号传递通过水下机器人载具收集的数据，所述数据信号经由第一和第二通信模块在水下机器人载具和水面机器人载具之间通信且经由第三和第四通信模块通过水面机器人载具继发到控制工作站，和
其中水中航行模块控制推进器件，以提供游动运动，且其中爬行模块控制腿部沿海床的运动，而不需要通过水中航行模块启动推进器件。
2.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中位置信号发射器发射可见光、声能和激光中的一种或多种，且位置信号检测器适于检测可见光、声能和激光中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的水环境机器人系统，进一步包括：
绳索，在水面机器人载具和水下机器人载具之间延伸；
其中与水面机器人载具关联的对准控制系统包括：
传感器，提供与绳索上的力有关的绳索力信号数据；和
对准控制处理器，接收绳索力信号数据且确定水下机器人载具和水面机器人载具的相对位置。
4.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中第一和第二通信模块配置为使用光信号、声信号或无线射频信号中的至少一种来进行通信。
5.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中水面机器人载具和水下机器人载具配置为接驳在一起。
6.如权利要求5所述的水环境机器人系统，其中水面机器人载具和水下机器人载具配置为电联接，以从水面机器人载具将电功率提供到水下机器人载具。
7.如权利要求5所述的水环境机器人系统，其中水面机器人载具和水下机器人载具配置为机械联接。
8.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中水面机器人载具配置为通过机械连接从水面机器人载具向水下机器人载具提供增压水、压缩空气、喷砂材料和其组合中的至少一种。
9.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中至少一个水中航行模块包括用于提供推力的推力器，和用于控制水下机器人载具的浮力的浮力控制装置。
10.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中至少一个爬行模块还控制爬行橇板、轨道、或轮子中的至少一种。
11.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中水下机器人载具包括至少一个环境传感器。
12.如权利要求11所述的水环境机器人系统，其中至少一个环境传感器包括摄像头、成像声纳、高度计、压力传感器、深度传感器、温度传感器中的至少一种。
13.如权利要求12所述的水环境机器人系统，其中检查装置包括超声波测试探针、阴极保护探针、涡流探针、红外线摄像头、3D扫描系统中的至少一种。
14.如权利要求1所述的水环境机器人系统，其中水下机器人载具包括至少一个海洋生命清理系统。
15.如权利要求1所述的水环境机器人系统，进一步包括至少一个额外水面机器人载具，其中多个水面机器人载具进行无线通信，以在多个水面机器人载具和控制工作站之间提供通信中继。
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