CN107697244A - 基于矢量推进的球形水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于矢量推进的球形水下机器人。包括球形轻外壳、安装在轻外壳内部的主体框架和耐压舱、安装在耐压舱内部的控制电路，在所述轻外壳的四周布置有四个推进器，在主体框架上安装四个依据球心环向均匀布置的旋转轴，所述推进器固定在旋转轴的外端，旋转轴的另一端连接推进器舵机，所述推进器为科特导管推进器，推进器内部安装无刷电机，所述控制电路包括主控制芯片、电池、电压转换芯片、姿态传感器和光端机，耐压舱的封头上设置供光纤及控制电路的电线通过的通水密接头，在机器人顶部和底部分别设置摄像机、底部设置机械手。本发明的水下机器人能够快速、灵活、稳定的航行于水中。

Description

基于矢量推进的球形水下机器人

技术领域

本发明涉及的是一种潜器或水下机器人，具体的说是一种球形水下机器人。

背景技术

随着科技的发展，海洋扮演的角色越来越被重视，对海洋的开发也已经成为我国的发展战略，其中水下机器人作为一种海洋开发的重要手段，可以代替人类执行诸多与探测海洋相关的任务，已经越来越得到国家的重视。

水下机器人通常可分为有缆水下机器人和无缆水下机器人。有缆水下机器人最大的特点就是可以精确接受操纵人员的控制，并可实时返回机器人得到的各种数据，因而得到了很广泛的应用。其中球形水下机器人具有完全对称的特点，在外形上具有各向同性，即各个方向迎接来流的形式相同，具有深入的研究价值。

水下机器人的选型取决于它具体要完成的任务。国内方面，近年来北京邮电大学的孙汉旭、兰晓娟等人以及哈尔滨工程大学的郭书祥等人均对球形水下机器人展开研究。国外方面，夏威夷大学研制的机器人ODIN、西班牙赫罗纳大学研制的机器人URIS、英国曼彻斯特大学研制的机器人MK V和MK VI，均是以球形为轻外壳的水下机器人。

上述水下机器人均是采用的常规推进方式，大体可总结为如下几点：一是在球形轻外壳上开孔，使用喷水推进；二是使用少量的推进器通过螺旋桨的正反转实现运动；三是使用更多的推进器实现不同的运动。但上述三种情况均存在不足，总结可分为如下几种：一是水下机器人灵活性受到限制，即无法完成全部自由度的运动；二是推进器固定则为了改变航行方向势必会出现螺旋桨反转的情况，而螺旋桨反转的推力大小要比正转推力小很多，容易影响航行速度或者稳定性；三是虽然使用更多的推进器会一定程度上增加灵活性，但也占用了更多的空间，增加了机器人的成本，且也无法保证螺旋桨始终处于正转状态；四是机器人没有闭环控制的调节方法从而无法保证航行的平稳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操纵性和稳定性好的基于矢量推进的球形水下机器人。

本发明的目的是这样实现的：

包括球形轻外壳、安装在轻外壳内部的主体框架和耐压舱、安装在耐压舱内部的控制电路，在所述轻外壳的四周布置有四个推进器，在主体框架上安装四个依据球心环向均匀布置的旋转轴，所述推进器固定在旋转轴的外端，旋转轴的另一端连接推进器舵机，所述推进器为科特导管推进器，推进器内部安装无刷电机，所述控制电路包括主控制芯片、电池、电压转换芯片、姿态传感器和光端机，耐压舱的封头上设置供光纤及控制电路的电线通过的通水密接头，在机器人顶部和底部分别设置摄像机、底部设置机械手。

本发明还可以包括：

1、光纤连接两个光端机实现水上和水下之间的通信，所述光端机具有2路摄像头接口，1路485接口与一路网络接口，所述光端机的在水下部分将视频信号与网络信号转化为光信号，光信号通过所述光纤进行传输；所述光端机的水上部分将光信号解码为视频信号与网络信号，并使用视频采集卡将视频信号传给电脑。

2、机械手布置于底部摄像机两侧。

本发明根据水下机器人对操纵性、稳定性的要求，提供了一种基于矢量推进的球形水下机器人。该机器人为遥控水下机器人，即ROV，主要技术特点包括：机器人的外形为球形，即使用球形壳作为轻外壳。轻外壳四周有四个可以绕通过球心的轴旋转的推进器，推进器采用科特导管推进器，内部安装无刷电机，推进器与轴固定，轴的另一端连接水下舵机，所述轻外壳内部为水下机器人的主体框架以及耐压舱，所述耐压舱内部是控制水下机器人的各种电子元件，包括主控制芯片、电池、降压芯片、姿态传感器、光端机等等。耐压舱的封头通过水密接头使光纤和电子元件的电线通过。机器人顶部和底部分别放置摄像机，机器人底部放置机械手。

降压芯片置于电源管理模块集成电路中，用于调节电池的电压，降压芯片可以将电池的电压输出为3.3V、5V、12V等不同大小的电压，进而给所述主控制芯片、无刷电机、光端机、姿态传感器等元件供电。

所述姿态传感器可以使操作者读取机器人姿态的实时数据，通过人为或自主地及时修改所述水下机器人的航态。

所述水下机器人使用光纤连接两个光端机实现水上和水下之间的通信，所述光端机具有2路摄像头接口，1路485接口与一路网络接口，用于连接所述摄像头，所述光端机的在水下部分将视频信号与网络信号转化为光信号，光信号通过所述光纤进行传输，所述光端机的水上部分将光信号解码为视频信号与网络信号，并使用视频采集卡将视频信号传给电脑。

所述水下机器人的上部和下部分别布置一个摄像机，用于航行时的观察以及机械手的操作。

所述水下机器人推进器采用科特导管推进器，与普通推进器不同的是在螺旋桨外面设置了一个导流罩，进而减小了能量的损失，提高了推进效率。

所述水下机器人采用无刷电机，所述无刷电机采用可正反转直流无刷电调进行控制，12V直流电输入所述电调即可被转化为三相交流电从而驱动所述无刷电机，通过调换3根线的任意两根来实现电机的正反转。通过主控制芯片向电调输入PWM信号控制正反转及转速。控制信号为频率50Hz高电平时间为1-2ms的矩形波信号。其中高电平时间为1.5ms时所述电机不转，小于1.5ms时反转，时间越小反转速度越大，大于1.5ms时正转，高电平时间越长转速越快。

所述水下机器人通过舵机实现矢量推进，所述舵机接收信号频率为50Hz，其中高电平时间为1-2ms，旋转角度与高电平时间成线性变化。安装之前，先给所述舵机1.5ms的信号，使其旋转到中值位置，再根据需要调节信号的占空比改变所述舵机转角。

本发明要求其具有良好的操纵性、稳定性。即要求：完成空间六个自由度的航行，包括X轴、Y轴、Z轴的移动和旋转；可以稳定的航行或悬浮于水中。本发明为ROV，所以考虑到其完成的任务，本发明采用球形壳作为其轻外壳，四个推进器绕球心环向布置，每组相对的推进器的中心与球心在同一直线上，且推进器到球心距离大致等于球体半径，这样，相比于长条型的水下机器人，球形水下机器人在转弯时具有更小的回转半径。且由于外形上的各项同性，四周所受来流相等有利于稳性，且耐压舱外的所有部件均是依球心对称布置，而耐压舱内空间足够，电子元件体积较小，可以通过对电子元件位置的简单的调节，使浮心和稳心在同一竖直线，且可保证浮心高于稳心7厘米以上。本发明将矢量推进器运用到球形水下机器人，采用四个推进器完成不同自由度的航行。采用姿态传感器进行自主决策，在前进、后退、左移、右移四种状态下，可以保证定深航行，且可以悬浮作业。

附图说明

图1是本发明的外观结构示意图；

图2是本发明在隐藏轻外壳的情况下内部结构示意图；

图3是本发明做前进运动的示意图；

图4是本发明做后退运动的示意图；

图5是本发明做左移运动的示意图；

图6是本发明做右移运动的示意图；

图7是本发明做左旋运动的示意图；

图8是本发明做右旋运动的示意图；

图9是本发明做上浮运动的示意图；

图10是本发明做下沉运动的示意图；

图11是本发明耐压舱内部电路控制原理图；

图12为耐压舱盖正面示意图；

图13为耐压舱盖背面示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1、图2、图12和图13，本发明的基于矢量推进的球形水下机器中，1为机械手夹具，2为使部件线缆连接耐压舱内部所留出的孔，3为光纤缆，4为顶部摄像机，5为水下机器人轻外壳，6为水下机器人横向骨架，7为耐压舱，8为底部摄像机，9为轴承，10为水下机器人纵向骨架，11为连接推进器的轴，12为实现矢量推进的舵机，13为用于平衡机械手重量而设计的装载配重的容器，14为控制机械手运动的舵机，15为使机械手夹具张合的舵机，16为放置O形圈而在耐压舱盖设置的槽，17为防水接头，18为耐压舱盖，19为位于水下机器人后部的推进器，20为位于水下机器人左侧的推进器，21为位于水下机器人前部的推进器，22为位于水下机器人右侧的推进器，23为控制机械手运动的舵机，24为控制机械手运动的舵机，25为搭载机械手和摄像机的平台，26为使机械手运动的舵机。

本发明的基于矢量推进的球形水下机器人采用模块化设计，在耐压舱盖18中设计了统一尺寸的水密接头，可以安装不同功能的设备。所述水下机器人采用球形轻外壳，四个推进器既可充当主推又可充当垂推，且依据球心环向布置。

本发明的水下机器人的矢量推进原理为：首先操作者给出指令，信号由所述光端机从水上传至水下，最终传输至主控制芯片，主控制芯片发出指令，命令舵机12转至相应位置，所述舵机连接轴11，轴承9则用于支撑所述轴11，所述轴11另一端连接推进器19，使所述推进器转动至相应位置。

不同航态下的推进器姿态如下：

如附图3，所述水下机器人前进时，位于机器人左侧和右侧的推进器20、22处于工作状态，前部和后部的推进器19、21处于竖直状态用于保证所述机器人的定深航行。

如附图4，所述水下机器人后退时，位于机器人左侧和右侧的推进器20、22处于工作状态，且姿态与前进状态下的姿态相反。其他推进器则与前进状态下的姿态相同。

如附图5，所述水下机器人左移时，位于机器人前部和后部的推进器19、21处于工作状态，左侧和右侧的推进器20、22处于竖直状态用于保证所述机器人的定深航行。

如附图6，所述水下机器人右移时，位于机器人前部和后部的推进器19、21处于工作状态，且姿态与左移状态下的姿态相反。其他推进器则与左移状态下的姿态相同。

如附图7，所述水下机器人左旋时，所有推进器均工作，姿态如图7所示，机器人做绕中心的左旋运动。

如附图8，所述水下机器人右旋时，所有推进器均工作，姿态如图8所示，机器人做绕中心的右旋运动。

如附图9，所述水下机器人上浮时，所有推进器均工作且垂直布置，姿态如图9所示，机器人做上浮运动。

如附图10，所述水下机器人下沉时，所有推进器均工作且垂直布置，姿态如图10所示，机器人做下沉运动。

由于导管推进器的螺旋桨正转和反转两种状态下产生的推力相差很大，即正转推力大于反转。在本发明中，除了在保证定深航行和悬浮状态时的推进器具有正转和反转两种情况。其他所有状态下，推进器的螺旋桨均为正转，这样可以保证所有航态下机器人均可以保证最大的推力。

本发明的水下机器人电路控制原理图如附图11。

水下机器人的耐压舱7内装有主控制芯片、光端机、姿态传感器、电池和降压模块。当所述机器人航行于水流复杂的水域中时，所述姿态传感器返回机器人实际航行路径与预定航行路径的偏差，即：所述姿态传感器能够实时获取水下机器人的首摇，横倾、纵倾的角度和角加速度，再通过编写程序使主控制芯片根据姿态传感器测得的数据计算出所述机器人实时航态和速度并发出指令，然后一方面将数据通过光缆3返回至水上，使操作人员及时作出决策，另一方面将指令传达给用于保证所述水下机器人纵向稳定性的推进器，从而保证定深定速航行，悬停作业等功能。

水下机器人浮力调节主要是通过布置配重、或浮力材。所述轻外壳5与所述耐压舱7之间有足够的空间布置配重或浮力材，布置时尽可能使浮力等于重力，但由于误差不可避免，且受到水密度变化的影响，如果浮力无法精确满足等于重力，则使浮力稍大于重力。

定深状态时：所述水下机器人在前进、后退、左移和右移四种状态中，如附图3、附图4、附图5和附图6所示，每种航态下，都至少有两个推进器处于竖直状态。当所述机器人执行某一方向的定深航行一段时间后(大概1至2秒)，所述姿态传感器会记录当前数据，主控制芯片会以此数据为标准，并得到之后所述机器人的姿态数据，分析偏差，从而使竖直状态的推进器作出决策，保证所述机器人的定深航行。

悬浮状态时：操纵人员下达悬浮指令，所述水下机器人悬浮于水中，但因为重力与浮力之间并非完全相等，所以所述姿态传感器仍处于工作状态，所述主控制芯片分析所述姿态传感器获得的数据，即实际姿态(上浮或下沉)与预定姿态(悬浮)相比对，进而使所述推进器作出决策，此时所述推进器采用相应策略，且均调整至竖直状态，即附图10所述状态，产生向下或者向上的推力，使所述机器人能够在水中稳定悬浮并作业。

水下机器人采用两个摄像机：位于上部的摄像机4用于观察前进方向，另一个位于下部的摄像机8，用于观察机械手作业情况。具体情况为：所述摄像头尾部连接供电线和信号线(即BNC延长线)，所述BNC延长线另一端连接BNC转AV接头，用于将信号转换为AV信号进而被视频采集卡所接收，视频采集卡另一端为USB接头，可直接连接电脑，在所述水下机器人工作状态下，操作者可以通过电脑(或显示屏)实时观察所述水下机器人前进状态画面和所述机械手工作状态的画面。

水下机器人的机械手安装于所述水下机器人底部平台25。舵机14、舵机23、舵机24、舵机26用于实现机械手各个方向的运动，舵机15与夹具1用于使机械手张合。

所述耐压舱7末端的耐压舱盖18具有水密接头17，所述水密接头内含电源线和信号线，(包括网线、串口线等)，使用时根据实际情况选择不同的水密接头。其中所述耐压舱盖18与耐压舱接合的面需设置凹槽16用于放置密封圈。

本发明的水下机器人的主要特点为：

1.机器人主体外形为球形，四个推进器依据球心环向布置，且推进器产生的力的方向始终垂直于推进器中心与球心所在直线，所述机器人内部骨架上布置有防水舵机，并通过轴连接与推进器用于实现矢量推进，所述机器人内部布置有耐压舱，舱内设置有主控制芯片、姿态传感器、电池、降压芯片、电子调速器以及光端机，所述机器人主体还设置有摄像机与机械手。

2.在阻力方面球形的外形具有各向同性，且每两个相对的推进器均与所述机器人中心在同一直线上，相比于长条形水下机器人，球形水下机器人在转弯时具有更短的回转半径。

3.使用主控制芯片分析姿态传感器提供的数据，使所述机器人在前进、后退、左移、右移四种状态下，有两个推进器提供推力使机器人向相应方向航行，另外两个竖直布置推进器用于产生向上或向下的推力用来补偿所述机器人由于重力与浮力不相等所引起的向上或向下的加速度，而当悬浮作业状态，四个推进器均为竖直状态用于实现机器人的悬浮。

4.摄像机为两个，分别布置与所述机器人的顶部与底部，用于观察前进方向情况与机械手作业情况，机械手布置于底部摄像机两侧。

Claims (3)

1.一种基于矢量推进的球形水下机器人，包括球形轻外壳、安装在轻外壳内部的主体框架和耐压舱、安装在耐压舱内部的控制电路，其特征是：在所述轻外壳的四周布置有四个推进器，在主体框架上安装四个依据球心环向均匀布置的旋转轴，所述推进器固定在旋转轴的外端，旋转轴的另一端连接推进器舵机，所述推进器为科特导管推进器，推进器内部安装无刷电机，所述控制电路包括主控制芯片、电池、电压转换芯片、姿态传感器和光端机，耐压舱的封头上设置供光纤及控制电路的电线通过的通水密接头，在机器人顶部和底部分别设置摄像机、底部设置机械手。

2.根据权利要求1所述的基于矢量推进的球形水下机器人，其特征是：光纤连接两个光端机实现水上和水下之间的通信，所述光端机具有2路摄像头接口，1路485接口与一路网络接口，所述光端机的在水下部分将视频信号与网络信号转化为光信号，光信号通过所述光纤进行传输；所述光端机的水上部分将光信号解码为视频信号与网络信号，并使用视频采集卡将视频信号传给电脑。

3.根据权利要求1或2所述的基于矢量推进的球形水下机器人，其特征是：机械手布置于底部摄像机两侧。