CN107600373B - 一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法及系统，具体为超声波发射模块向四周发射超声波，机器人身上两个超声波接收器接收。当两个超声波接收器同时接收到超声信号时，表示鱼体是朝着超声源游动；当两个超声波接收器接收到超声信号有一个时间差，微处理器控制机器人转向，直到能同时接收到超声信号为止；当机器人和充电基站的相对位置达到无线充电要求时，基站中的电磁铁通电，感应磁铁通电将鱼体固定进行补偿，并且防止水流影响充电效果。整个方法及充电装置简单实用，定位方便准确，解决的微型仿生水下机器人水下定位充电难的问题。

Description

一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法及系统

技术领域

本发明涉及水下精确定点巡游与自主充电技术领域，具体地指一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法及系统。

背景技术

近年来，微型仿生水下机器人的研究获得了越来越多的关注，所谓微型水下机器人通常意义上是指长宽均在10cm以内，厚度在5cm以内的机器人。基于各种智能材料驱动的水下微型机器人相比传统电机驱动的机器鱼具有无噪声、无污染、灵敏度高、易于微型化、易于隐蔽、结构简单等诸多优点，因此逐渐成为水下微型机器人研究的主要发展方向。而基于ICPF(Ionic Conducting Polymer Film离子导电聚合物薄膜)电驱动材料的仿生水下机器人，具有体积小、重量轻、常规探测器难以探测到的优点。在交变电压作用下，ICPF膜片会产生类似于鱼类尾部的左右摆动，适用于微型机器鱼的尾鳍和胸鳍驱动，且所需驱动电压较低，在相同能量电池的情况下，能够使机器鱼工作更长的时间。

然而，目前研究出来的自主水下仿生机器人供电方式较为单一，以更换电池为主，水下工作时需要检测人员对其电量进行实时监控，当电量不足时及时打捞并进行充电。此种供电方式存在一系列的不足：

1、每次充电都需要将水下机器人从水底打捞回收，充电结束后人为放回，极大程度缩短了水下机器人的工作时间，降低了工作效率，使智能材料驱动方式给水下机器人带来的优势大打折扣。

2、频繁地充换电会使接口老化，外漏的防水接头在多次使用的情况下，漏水可能性增大，一旦漏水则导致机器内部电路短路，损坏甚至损毁水下机器人。

3、频繁打捞充电会耗费大量的人力物力，增加机器鱼的实验成本。

此外，关于自主巡线水下机器人大多采用红外感应式，超声波测距式，图像处理式，光感应式。这些方式要么对于环境的要求比较苛刻，要么控制算法很复杂。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种自主定位返航进行充电，且定位误差不超过10mm的微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法及系统。

为了实现上述目的，本发明所设计微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

设置用于无线充电的充电基站，并在充电基站上设置超声波发射器；

在微型仿生水下机器人上设置无线充电装置和两个超声波接收器，所述超声波接收器沿微型仿生水下机器人行进方向并排布置，微型仿生水下机器人利用两个超声波接收器接收到的信号控制返程方向，以到达充电基站进行充电，返程方向的具体控制过程为：

1-1若两个超声波接收器都收到信号：

1-1-1若两个超生波接收器同时接收到超生波信号，则按当前方向行进；

1-1-2若两个超生波接收器没有同时接收到超生波信号，则朝先接收的一端转向，直到符合1-1-1的情况；

1-2若两个超生波接收器中其中一个接收到超生波信号，则朝着接收信号那端转向，直到两个接收器都接收到超声波信号为止，然后按步骤1-1操作；

1-3若两个超声波接收器均未接收到信号，微型仿生水下机器人自身单向旋转或者超声波发射器单向旋转，直到出现步骤1-1或者步骤1-2的情况，然后按步骤1-1或者步骤1-2操作。

进一步地，所述两个超声波接收器并排布置在微型仿生水下机器人头部。

进一步地，所述无线充电为电磁感应式充电。因为电磁感应式充电效率最高，市场成熟，仅仅保证位置精度就可以了。目前的无线电能传输分为电磁感应式和磁共振式。而磁共振式，虽然传输距离远些，但效率相比前者低，市场化不高，且需要频段保护，因此如果附近有电磁铁和永磁铁的话，影响很大。

进一步地，所述充电基站还设置有电磁铁，所述微型仿生水下机器人身上设置有永磁铁。基站中的电磁铁通电，感应磁铁通电将水下机器人固定进行补偿，进一步保证电磁感应式充电所需的定位精度，防止水流影响充电效果。

一种实现如上所述的微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法的系统，其特殊之处在于：包括充电基站和设置在微型仿生水下机器人体内的内部控制系统，所述充电基站包括无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器和基站控制模块；所述内部控制系统包括微处理器、无线充电接收模块、AD转换器和两个超声波接收器，其中，两个超声波接收器沿微型仿生水下机器人行进方向并排布置；所述无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器均与基站控制模块连接；所述无线充电接收模块和两个超声波接收器均通过AD转换器与微处理器连接。

进一步地，微型仿生水下机器人与充电基站采用的充电方式为电磁感应式充电。

更进一步地，所述充电基站还设置有电磁铁，所述微型仿生水下机器人身上还设置有永磁铁。基站中的电磁铁通电，感应磁铁通电将水下机器人固定进行补偿，防止水流影响充电效果。

更进一步地，两个超声波接收器设置在微型仿生水下机器人的头部。

本发明的优点在于：

实现了水下机器人自主充电功能，利用无线充电的方式，使得水下机器人能够在水中连续作业，不需人为检测与打捞充电。取消了一般水下机器人需要预留的充电接口，避免了因接口老化或损坏而导致的机器鱼漏水问题，提高了机器鱼的安全性。

采用两个超声波接收器接收声波时间差对比，进行定位及导航，操作简单，且定位精度较高，实现了自主导航返程。

利用电磁铁将鱼体固定进行补偿，防止水流影响充电效果。结构简单，易于实现。

附图说明

图1为一种基于ICPF驱动的微型仿生水下机器人结构示意图。

图2为图1的剖视图。

图3是本发明控制系统结构框图。

图4是本发明定位及返航原理图。

图5是本发明的控制流程图。

图中：无线充电接收模块101，微处理器102，锂聚合物电池103，超声波接收器104，胸鳍105，尾鳍106，防水电极107，超声波发射器301，超声波302，a、b表示两个超声波接收器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明所设计的微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法，其原理如图4所示，包括以下步骤：

设置用于无线充电的充电基站，并在充电基站上设置超声波发射器、用于感应水下机器人是否到达合适的充电位置的距离感应装置；

在微型仿生水下机器人上设置无线充电装置和两个超声波接收器，所述超声波接收器沿微型仿生水下机器人行进方向并排布置，微型仿生水下机器人利用两个超声波接收器接收到的信号控制返程方向，以到达充电基站进行充电，返程方向的具体控制过程为：

1-1若两个超声波接收器都收到信号：

1-1-1若两个超生波接收器同时接收到超生波信号，则按当前方向行进；

1-1-2若两个超生波接收器没有同时接收到超生波信号，则朝先接收的一端转向，直到符合1-1-1的情况；

1-2若两个超生波接收器中其中一个接收到超生波信号，则朝着接收信号那端转向，直到两个接收器都接收到超声波信号为止，然后按步骤1-1操作；

1-3若两个超声波接收器均未接收到信号，微型仿生水下机器人自身单向旋转或者超声波发射器单向旋转，直到出现步骤1-1或者步骤1-2的情况，然后按步骤1-1或者步骤1-2操作。

其中，为了更好的接收超声波信号，两个超声波接收器并排布置在微型仿生水下机器人头部。无线充电为电磁感应式充电。为防止水流影响充电效果，充电基站还设置有电磁铁，所述微型仿生水下机器人身上设置有永磁铁，利用电磁铁将鱼体固定。

一种实现如上所述的微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法的系统，包括充电基站和设置在微型仿生水下机器人体内的内部控制系统。

充电基站包括无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器和基站控制模块。其中，无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器均与基站控制模块连接。无线充电发射模块用于对水下机器人充电时发射电能；距离感应模块用于感应水下机器人是否到达指定的充电位置；基站控制模块用于接收距离感应模块的距离从而控制无线充电发射模块发射电能、用于控制超声波发射器发射超声波。

内部控制系统包括微处理器、无线充电接收模块、AD转换器和两个超声波接收器，其中，两个超声波接收器沿微型仿生水下机器人行进方向并排布置。无线充电接收模块和两个超声波接收器均通过AD转换器与微处理器连接。内部控制系统整体用于接收超声波信号控制水下机器人向充电基站游动，到达充电基站后进行充电，并控制超声波发射器的旋转。

为防止水流影响充电效果，充电基站还设置有电磁铁，所述微型仿生水下机器人身上还设置有永磁铁。两个超声波接收器设置在微型仿生水下机器人的头部，能更好的接收超声波信号。

上述系统中，充电采用电磁感应式充电。如图1、2所示的一种基于ICPF驱动的微型仿生水下机器人自主导航返程充电装置，包括充电基站和设置在微型仿生水下机器人体内的内部控制系统，充电基站包括无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器和基站控制模块；内部控制系统包括微处理器102、无线充电接收模块101、AD转换器和两个超声波接收器104，其中，两个超声波接收器104并排布置在机器鱼头部；无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器均与基站控制模块连接；无线充电接收模块和两个超声波接收器均通过AD转换器与微处理器连接。本实施例模型源于扁体软骨鱼鳐鱼的外形。机器鱼胸鳍105和尾鳍106均采用ICPF带动PVC薄片驱动，机器鱼采用锂聚合物电池103。如图3所示：微处理器102通过电压比较器输出方波交变电压进行驱动智能材料ICPF的弯曲，以带动胸鳍105和尾鳍106摆动使鱼体游动。左右转向时，尾鳍106只朝一个方向摆动，通过恒正或者恒负的方波信号对智能材料ICPF进行驱动。

本实施例采用电磁感应式充电方式，由于只允许厘米级的位置偏差，为防止水流对充电的影响，充电基站设置有电磁铁，机器鱼鱼肚下面安装有永磁铁，可在充电时将机器鱼固定，使其达到更高的定位精度。

本实施例的具体实现方式为：超声波发射器301向四周发射超声波302，鱼体上两个超声波接收器104接收。如图5所示：

1-1若两个超声波接收器都收到信号：

1-1-1若两个超生波接收器同时接收到超生波信号，则按当前方向行进；

1-1-2若两个超生波接收器没有同时接收到超生波信号，微处理器102向尾鳍106输出相应的转向指令，则朝着接收信号那端转向，直到两个接收器同时接收到超声波信号为止，直到符合1-1-1的情况；

1-2若两个超生波接收器中其中一个接收到超生波信号，则朝着接收信号那端转向，直到两个接收器都接收到超声波信号为止，然后按步骤1-1操作；如尾鳍106处防水电极107输出非负的方波信号，ICPF只向一个方向摆动，以此完成转向。

1-3若两个超声波接收器均未接收到信号，微型仿生水下机器人自身单向旋转或者超声波发射器单向旋转，直到出现步骤1-1或者步骤1-2的情况，然后按步骤1-1或者步骤1-2操作。

优选地，微型仿生水下机器人先自身单向旋转，如果接收不到信号，再单向旋转超声波发射器。当机器鱼和充电基站的相对位置达到无线充电要求时，基站中的电磁铁通电，感应磁铁通电将鱼体固定进行补偿，并且防止水流影响充电效果。

本发明的优点在于：

实现了水下机器人自主充电功能，利用无线充电的方式，使得水下机器人能够在水中连续作业，不需人为检测与打捞充电。取消了一般水下机器人需要预留的充电接口，避免了因接口老化或损坏而导致的机器鱼漏水问题，提高了机器鱼的安全性。

采用两个超声波接收器接收声波时间差对比，进行定位及导航，操作简单，且定位精度较高，实现了自主导航返程。

利用电磁铁将鱼体固定进行补偿，防止水流影响充电效果。结构简单，易于实现。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置用于无线充电的充电基站，并在充电基站上设置超声波发射器；

在微型仿生水下机器人上设置无线充电装置和两个超声波接收器，所述超声波接收器沿微型仿生水下机器人行进方向并排布置，微型仿生水下机器人利用两个超声波接收器接收到的超声波信号控制返程方向，具体过程为：

1-1若两个超声波接收器都收到超声波信号：

1-1-1若两个超声波接收器同时接收到超声波信号，则按当前方向行进；

1-1-2若两个超声波接收器没有同时接收到超声波信号，则朝先接收的一端转向，直到符合1-1-1的情况；

1-2若两个超声波接收器中其中一个接收到超声波信号，则朝着接收超声波信号那端转向，直到两个超声波接收器都接收到超声波信号为止，然后按步骤1-1操作；

1-3若两个超声波接收器均未接收到超声波信号，微型仿生水下机器人自身单向旋转或者超声波发射器单向旋转，直到出现步骤1-1或者步骤1-2的情况，然后按步骤1-1或者步骤1-2操作。

2.根据权利要求1所述的一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法，其特征在于：所述两个超声波接收器并排布置在微型仿生水下机器人头部。

3.根据权利要求1所述的一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法，其特征在于：所述无线充电为电磁感应式充电。

4.根据权利要求1所述的一种微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法，其特征在于：所述充电基站还设置有电磁铁，所述微型仿生水下机器人身上设置有永磁铁。

5.一种实现如权利要求1所述微型仿生水下机器人自主导航返程充电方法的系统，其特征在于：包括充电基站和设置在微型仿生水下机器人体内的内部控制系统，所述充电基站包括无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器和基站控制模块；所述内部控制系统包括微处理器、无线充电接收模块、AD转换器和两个超声波接收器，其中，两个超声波接收器沿微型仿生水下机器人行进方向并排布置；所述无线充电发射模块、距离感应模块、超声波发射器均与基站控制模块连接；所述无线充电接收模块和两个超声波接收器均通过AD转换器与微处理器连接。

6.根据权利要求5所述的微型仿生水下机器人自主导航返程充电系统，其特征在于：微型仿生水下机器人与充电基站采用的充电方式为电磁感应式充电。

7.根据权利要求6所述的微型仿生水下机器人自主导航返程充电系统，其特征在于：所述充电基站还设置有电磁铁，所述微型仿生水下机器人身上还设置有永磁铁。

8.根据权利要求6所述的微型仿生水下机器人自主导航返程充电系统，其特征在于：两个超声波接收器设置在微型仿生水下机器人的头部。