CN108408004B - 模块化水下机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化水下机器人控制方法，步骤1：手机端发出机器人的总控制信号，机器人的总控制信号传输给机器人控制器；步骤2：机器人控制器根据收到的总控制信号生成对应的一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令；步骤3：机器人控制器通过第一无线串口通信模块将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；步骤4：推进器控制模块通过无线串口通信模块接收推进器控制指令的广播，并按指令对推进器组的工作状态进行控制；本发明采用模块化设计结构简单，安装方便，扩充性强。

Description

模块化水下机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地指一种模块化水下机器人及控制方法。

背景技术

水下机器人即无人遥控潜水器，是一种工作于水下的机器人。它可以代替人在极端危险的水域中作业，所以也成为了开发海洋的重要工具。水下机器人通常配备摄像头，机械臂，照明灯等装置，水下机器人在海洋资源勘测、水文检测、科学研究和军事等领域都得到广泛应用。

现有的水下机器人，为整机一体设计，这导致了现有的水下机器人结构复杂，配置更新困难，机器人一旦设计完成,其结构功能及使用范围就确定了,在很大程度上限制了水下机器人的使用功能，不具有可重组性和扩充性，生产、安装成本过高。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种模块化水下机器人及控制方法，本发明采用模块化设计结构简单，安装方便，扩充性强。

为实现此目的，本发明所设计的模块化水下机器人，它包括第一耐压舱、第二耐压舱、第三耐压舱、第四耐压舱、设置在第一耐压舱内的机器人控制器、安装在第二耐压舱侧壁上的第一垂向推进器组、设置在第二耐压舱内部的第一垂向推进器控制模块、安装在第三耐压舱侧壁上的水平推进器组、设置在第三耐压舱内部的水平推进器控制模块、安装在第四耐压舱侧壁的第二垂向推进器组、设置在第四耐压舱内部的第二垂向推进器控制模块，其中，所述第一耐压舱的一端通过密封舱法兰连接有透明半球罩，第一耐压舱的另一端通过密封舱法兰连接第二耐压舱的一端，第二耐压舱的另一端通过密封舱法兰连接第三耐压舱的一端，第三耐压舱的另一端通过密封舱法兰连接第四耐压舱的一端，第四耐压舱的另一端密封；

所述机器人控制器的信号通信端连接有第一无线串口通信模块，第一垂向推进器控制模块的信号通信端连接有第二无线串口通信模块，水平推进器控制模块的信号通信端连接有第三无线串口通信模块，第二垂向推进器控制模块的信号通信端连接有第四无线串口通信模块；

所述机器人控制器用于通过第一无线串口通信模块将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；

第一垂向推进器控制模块用于通过第二无线串口通信模块接收第一垂向推进器控制指令的广播，并按第一垂向推进器控制指令对第一垂向推进器组的工作状态进行控制；

水平推进器控制模块用于通过第三无线串口通信模块接收水平推进器控制指令的广播，并按水平推进器控制指令对水平推进器组的工作状态进行控制；

第二垂向推进器控制模块用于通过第四无线串口通信模块接收第二垂向推进器控制指令的广播，并按第二垂向推进器控制指令对第二垂向推进器组的工作状态进行控制。

一种上述模块化水下机器人的控制方法，它包括如下步骤：

步骤1：手机端发出机器人的总控制信号，机器人的总控制信号通过蓝牙串口模块、TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)串口转RS232模块和脐带线传输给机器人控制器；

步骤2：机器人控制器根据收到的总控制信号生成对应的一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令；

步骤3：机器人控制器通过第一无线串口通信模块将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；

步骤4：第一垂向推进器控制模块通过第二无线串口通信模块接收第一垂向推进器控制指令的广播，并按第一垂向推进器控制指令对第一垂向推进器组的工作状态进行控制；

水平推进器控制模块通过第三无线串口通信模块接收水平推进器控制指令的广播，并按水平推进器控制指令对水平推进器组的工作状态进行控制；

第二垂向推进器控制模块通过第四无线串口通信模块接收第二垂向推进器控制指令的广播，并按第二垂向推进器控制指令对第二垂向推进器组的工作状态进行控制。

本发明的有益效果：

本发明中各种工作模块均可通过无线串口收发模块进行无线连接。一个控制模块通过搭载不同的工作模块便可以完成不同的作业任务。用户可以根据自己需要选配不同功能的工作模块(第一垂向推进器组、水平推进器组和第二垂向推进器组)，大幅降低设备的采购费用，此外，在实用中，不同模块的快速无线连接，加快了更换模块的速度。也降低了维修成本。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明的电控部分结构示意图。

图4为本发明的第一耐压舱与第二耐压舱间的连接结构图。

其中，1—透明半球罩、2—机器人控制器、2.1—第一耐压舱、3—脐带线、4—水密插头、5—第一垂向推进器组、5.1—第二耐压舱、5.2—第一垂向推进器控制模块、6—水平推进器组、6.1—第三耐压舱、6.2—水平推进器控制模块、7—第二垂向推进器组、7.1—第四耐压舱、7.2—第二垂向推进器控制模块、8—密封舱法兰、9—第一无线串口通信模块、9.1—第二无线串口通信模块，9.2—第三无线串口通信模块，9.3—第四无线串口通信模块、10—蓝牙串口模块、11—TTL串口转RS232模块、12—O形密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明说设计的一种模块化水下机器人，如图1～4所示，它包括第一耐压舱2.1、第二耐压舱5.1、第三耐压舱6.1、第四耐压舱7.1、设置在第一耐压舱2.1内的机器人控制器2、安装在第二耐压舱5.1侧壁上的第一垂向推进器组5、设置在第二耐压舱5.1内部的第一垂向推进器控制模块5.2、安装在第三耐压舱6.1侧壁上的水平推进器组6、设置在第三耐压舱6.1内部的水平推进器控制模块6.2、安装在第四耐压舱7.1侧壁的第二垂向推进器组7、设置在第四耐压舱7.1内部的第二垂向推进器控制模块7.2，其中，所述第一耐压舱2.1的一端通过密封舱法兰8连接有透明半球罩1(透明半球罩1内设有由机器人控制器2控制的云台摄像头和照明模块)，第一耐压舱2.1的另一端通过密封舱法兰8连接第二耐压舱5.1的一端，第二耐压舱5.1的另一端通过密封舱法兰8连接第三耐压舱6.1的一端，第三耐压舱6.1的另一端通过密封舱法兰8连接第四耐压舱7.1的一端，第四耐压舱7.1的另一端密封；

所述机器人控制器2的信号通信端连接有第一无线串口通信模块9，第一垂向推进器控制模块5.2的信号通信端连接有第二无线串口通信模块9.1，水平推进器控制模块6.2的信号通信端连接有第三无线串口通信模块9.2，第二垂向推进器控制模块7.2的信号通信端连接有第四无线串口通信模块9.3；

所述机器人控制器2用于通过第一无线串口通信模块9将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；

第一垂向推进器控制模块5.2用于通过第二无线串口通信模块9.1接收第一垂向推进器控制指令的广播，并按第一垂向推进器控制指令对第一垂向推进器组5的工作状态进行控制；

水平推进器控制模块6.2用于通过第三无线串口通信模块9.2接收水平推进器控制指令的广播，并按水平推进器控制指令对水平推进器组6的工作状态进行控制；

第二垂向推进器控制模块7.2用于通过第四无线串口通信模块9.3接收第二垂向推进器控制指令的广播，并按第二垂向推进器控制指令对第二垂向推进器组7的工作状态进行控制。

上述技术方案中，第一耐压舱2.1、第二耐压舱5.1、第三耐压舱6.1、第四耐压舱7.1外侧装有四根贯穿的铜柱，用于增加机器人的整体强度。

上述技术方案中，机器人控制器2包括stm32单片机、陀螺仪、主控模块运动传感器和进水检测模块，陀螺仪、主控模块运动传感器和进水检测模块的信号输出端均连接stm32单片机，stm32单片机负责机器人的整体控制。

上述技术方案中，密封舱法兰8通过防锈螺栓和防锈螺母安装。

上述技术方案中，它还包括蓝牙串口模块10、TTL串口转RS232模块11，所述蓝牙串口模块10的串口通信端连接TTL串口转RS232模块11的串口通信端，TTL串口转RS232模块11的RS232通信端通过脐带线3连接机器人控制器2的总控制信号输入端。这种形式可以保证指令信号在水中可靠传输到机器人控制器中。

上述技术方案中，所述蓝牙串口模块10用于与手机端连接蓝牙连接。

上述技术方案中，所述第一耐压舱2.1与第二耐压舱5.1之间的密封舱法兰8上设有水密插头4，所述脐带线3通过水密插头4穿过所述密封舱法兰8进入第一耐压舱2.1内，并连接机器人控制器2的总控制信号输入端。

上述技术方案中，所述第一无线串口通信模块9将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令通过无线电信号进行广播。无线电信号在耐压舱中可以可靠的传输，这样可以使耐压舱之间不需要进行物理接线，方便了本发明的安装、拆卸、扩展和维修。

上述技术方案中，所述第一耐压舱2.1、第二耐压舱5.1、第三耐压舱6.1和第四耐压舱7.1与对应的密封舱法兰8连接处均设有O形密封圈12。保证相邻耐压舱之间的可靠密封连接。

上述技术方案中，所述无线电信号的广播频率为2.4GHz。

上述技术方案中，所述第一垂向推进器组5的两个第一垂向推进器对称布置在第二耐压舱5.1侧壁的两侧，水平推进器组6的两个水平推进器对称布置在第三耐压舱6.1侧壁的两侧，第二垂向推进器组7的两个第二垂向推进器对称布置在第四耐压舱7.1侧壁的两侧。保证本发明的平稳运行。

一种上述模块化水下机器人的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：手机端发出机器人的总控制信号，机器人的总控制信号通过蓝牙串口模块10、TTL串口转RS232模块11和脐带线3传输给机器人控制器2；

步骤2：机器人控制器2根据收到的总控制信号生成对应的一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令；

步骤3：机器人控制器2通过第一无线串口通信模块9将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；

步骤4：第一垂向推进器控制模块5.2通过第二无线串口通信模块9.1接收第一垂向推进器控制指令的广播，并按第一垂向推进器控制指令对第一垂向推进器组5的工作状态进行控制；

水平推进器控制模块6.2通过第三无线串口通信模块9.2接收水平推进器控制指令的广播，并按水平推进器控制指令对水平推进器组6的工作状态进行控制；

第二垂向推进器控制模块7.2通过第四无线串口通信模块9.3接收第二垂向推进器控制指令的广播，并按第二垂向推进器控制指令对第二垂向推进器组7的工作状态进行控制，从而实现控制水下机器人行动；

步骤5：第一垂向推进器控制模块5.2获取第一垂向推进器组5的实际工况，并将第一垂向推进器组5的实际工况通过广播的形式反馈给机器人控制器2；

水平推进器控制模块6.2获取水平推进器组6的实际工况，并将水平推进器组6的实际工况通过广播的形式反馈给机器人控制器2；

第二垂向推进器控制模块7.2获取第二垂向推进器组7的实际工况，并将第二垂向推进器组7的实际工况通过广播的形式反馈给机器人控制器2；

步骤6：所述机器人控制器2将第一垂向推进器组5的实际工况反馈数据、水平推进器组6的实际工况反馈数据和第二垂向推进器组7的实际工况反馈数据通过蓝牙通信反馈给手机端。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种模块化水下机器人，其特征在于，它包括第一耐压舱(2.1)、第二耐压舱(5.1)、第三耐压舱(6.1)、第四耐压舱(7.1)、设置在第一耐压舱(2.1)内的机器人控制器(2)、安装在第二耐压舱(5.1)侧壁上的第一垂向推进器组(5)、设置在第二耐压舱(5.1)内部的第一垂向推进器控制模块(5.2)、安装在第三耐压舱(6.1)侧壁上的水平推进器组(6)、设置在第三耐压舱(6.1)内部的水平推进器控制模块(6.2)、安装在第四耐压舱(7.1)侧壁的第二垂向推进器组(7)、设置在第四耐压舱(7.1)内部的第二垂向推进器控制模块(7.2)，其中，所述第一耐压舱(2.1)的一端通过密封舱法兰(8)连接有透明半球罩(1)，第一耐压舱(2.1)的另一端通过密封舱法兰(8)连接第二耐压舱(5.1)的一端，第二耐压舱(5.1)的另一端通过密封舱法兰(8)连接第三耐压舱(6.1)的一端，第三耐压舱(6.1)的另一端通过密封舱法兰(8)连接第四耐压舱(7.1)的一端，第四耐压舱(7.1)的另一端密封；

所述机器人控制器(2)的信号通信端连接有第一无线串口通信模块(9)，第一垂向推进器控制模块(5.2)的信号通信端连接有第二无线串口通信模块(9.1)，水平推进器控制模块(6.2)的信号通信端连接有第三无线串口通信模块(9.2)，第二垂向推进器控制模块(7.2)的信号通信端连接有第四无线串口通信模块(9.3)；

所述机器人控制器(2)用于通过第一无线串口通信模块(9)将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；

第一垂向推进器控制模块(5.2)用于通过第二无线串口通信模块(9.1)接收第一垂向推进器控制指令的广播，并按第一垂向推进器控制指令对第一垂向推进器组(5)的工作状态进行控制；

水平推进器控制模块(6.2)用于通过第三无线串口通信模块(9.2)接收水平推进器控制指令的广播，并按水平推进器控制指令对水平推进器组(6)的工作状态进行控制；

第二垂向推进器控制模块(7.2)用于通过第四无线串口通信模块(9.3)接收第二垂向推进器控制指令的广播，并按第二垂向推进器控制指令对第二垂向推进器组(7)的工作状态进行控制；

它还包括蓝牙串口模块(10)、TTL串口转RS232模块(11)，所述蓝牙串口模块(10)的串口通信端连接TTL串口转RS232模块(11)的串口通信端，TTL串口转RS232模块(11)的RS232通信端通过脐带线(3)连接机器人控制器(2)的总控制信号输入端；

所述蓝牙串口模块(10)用于与手机端连接蓝牙连接。

2.根据权利要求1所述的模块化水下机器人，其特征在于：所述第一耐压舱(2.1)与第二耐压舱(5.1)之间的密封舱法兰(8)上设有水密插头(4)，所述脐带线(3)通过水密插头(4)穿过所述密封舱法兰(8)进入第一耐压舱(2.1)内，并连接机器人控制器(2)的总控制信号输入端。

3.根据权利要求1所述的模块化水下机器人，其特征在于：所述第一无线串口通信模块(9)将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令通过无线电信号进行广播。

4.根据权利要求1所述的模块化水下机器人，其特征在于：所述第一耐压舱(2.1)、第二耐压舱(5.1)、第三耐压舱(6.1)和第四耐压舱(7.1)与对应的密封舱法兰(8)连接处均设有O形密封圈(12)。

5.根据权利要求3所述的模块化水下机器人，其特征在于：所述无线电信号的广播频率为2.4GHz。

6.根据权利要求1所述的模块化水下机器人，其特征在于：所述第一垂向推进器组(5)的两个第一垂向推进器对称布置在第二耐压舱(5.1)侧壁的两侧，水平推进器组(6)的两个水平推进器对称布置在第三耐压舱(6.1)侧壁的两侧，第二垂向推进器组(7)的两个第二垂向推进器对称布置在第四耐压舱(7.1)侧壁的两侧。

7.一种权利要求1所述模块化水下机器人的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：手机端发出机器人的总控制信号，机器人的总控制信号通过蓝牙串口模块(10)、TTL串口转RS232模块(11)和脐带线(3)传输给机器人控制器(2)；

步骤2：机器人控制器(2)根据收到的总控制信号生成对应的一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令；

步骤3：机器人控制器(2)通过第一无线串口通信模块(9)将第一垂向推进器控制指令、水平推进器控制指令、第二垂向推进器控制指令进行广播；

步骤4：第一垂向推进器控制模块(5.2)通过第二无线串口通信模块(9.1)接收第一垂向推进器控制指令的广播，并按第一垂向推进器控制指令对第一垂向推进器组(5)的工作状态进行控制；

水平推进器控制模块(6.2)通过第三无线串口通信模块(9.2)接收水平推进器控制指令的广播，并按水平推进器控制指令对水平推进器组(6)的工作状态进行控制；

第二垂向推进器控制模块(7.2)通过第四无线串口通信模块(9.3)接收第二垂向推进器控制指令的广播，并按第二垂向推进器控制指令对第二垂向推进器组(7)的工作状态进行控制。

8.根据权利要求7所述模块化水下机器人的控制方法，其特征在于：步骤4后还包括步骤5：第一垂向推进器控制模块(5.2)获取第一垂向推进器组(5)的实际工况，并将第一垂向推进器组(5)的实际工况通过广播的形式反馈给机器人控制器(2)；

水平推进器控制模块(6.2)获取水平推进器组(6)的实际工况，并将水平推进器组(6)的实际工况通过广播的形式反馈给机器人控制器(2)；

第二垂向推进器控制模块(7.2)获取第二垂向推进器组(7)的实际工况，并将第二垂向推进器组(7)的实际工况通过广播的形式反馈给机器人控制器(2)；

步骤6：所述机器人控制器(2)将第一垂向推进器组(5)的实际工况反馈数据、水平推进器组(6)的实际工况反馈数据和第二垂向推进器组(7)的实际工况反馈数据通过蓝牙通信反馈给手机端。