CN108454811A - 一种浮潜式作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浮潜式作业机器人，包括机器人本体和与所述机器人本体相连接的若干浮潜桶，所述浮潜桶对称的位于所述机器人本体的两侧，所述机器人本体包括壳体，所述壳体为梭形结构，所述壳体内分为控制室和动力室，本发明通过水泵改变浮潜桶内的蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人下潜或上浮，实现了特殊位置悬停作业，前测距声纳探测机器人前进路线上的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人灵活转向从而避开障碍物，后测距声纳探测机器人身后是否有鱼类接近，控制模块读取预先存放在存储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放从而驱走鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好。

Description

一种浮潜式作业机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术设备领域，特别涉及一种浮潜式作业机器 人。

背景技术

随着对海洋科学研究和海洋开发的深化与发展，在浅滩、滩涂、 海洋、湖泊等环境中勘察探测的工作越来越多。现代工程勘察探测技 术趋于完善的今天，水下勘测虽然已有发展，但依然面临着水下环境 恶劣危险、人的潜水深度有限无法到达、不确定因素过多等困难。而 在水下建筑工程入桥墩大坝的勘测又直接关系着人们的生命财产安 全，因此发展一种水下机器人代替人类实现水下勘测任务就变得十分 重要。

而现有的水下机器人存在对环境的抗干扰能力弱、能耗大、噪声 大、扰动大、不能在特殊位置悬停作业及无法长时间大范围实施勘测 作业等缺点。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种浮潜式作业机器人，通过 水泵改变浮潜桶内的蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人下潜或 上浮，实现了特殊位置悬停作业，前测距声纳探测机器人前进路线上 的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人灵活转向从而避开障碍物，后测 距声纳探测机器人身后是否有鱼类接近，控制模块读取预先存放在存 储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放从而驱走 鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好。

(二)技术方案

一种浮潜式作业机器人，包括机器人本体和与所述机器人本体相 连接的若干浮潜桶，所述浮潜桶对称的位于所述机器人本体的两侧， 所述机器人本体包括壳体，所述壳体为梭形结构，所述壳体内分为控 制室和动力室，所述动力室位于所述控制室的下方，所述动力室与所 述控制室之间设有第一隔板，所述动力室的中间设有推进器，所述推 进器固定于所述壳体的底部内侧，所述推进器的推进轴贯穿所述壳体 的底部并伸出所述壳体的下方，所述推进轴通过耐磨密封圈与所述壳 体的底部相连接，所述推进轴的端部设有螺旋桨，所述动力室的一侧 设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的舵轴贯穿 所述壳体的底部并伸出所述壳体的下方，所述舵轴也通过耐磨密封圈 与所述壳体的底部相连接，所述舵轴的端部设有舵叶，所述动力室的 另一侧设有蓄电模块，所述蓄电模块位于所述壳体的正面内侧，所述 蓄电模块设有电量检测器，所述控制室的中间设有控制模块，所述控 制室的一侧设有图像处理模块，所述图像处理模块位于所述壳体的正 面内侧，所述控制室的另一侧设有存储模块，所述存储模块位于所述 壳体的背面内侧，所述控制室内还设有无线通信模块和GPS定位模 块，所述无线通信模块位于所述图像处理模块与所述控制模块之间， 所述GPS定位模块位于所述控制模块与所述存储模块之间，所述动力室内还设有若干旋转电机，所述旋转电机均匀对称的设于所述壳体的 两个正面内侧，所述旋转电机的旋转轴贯穿所述壳体的侧面并伸出于 所述壳体，所述旋转轴通过所述耐磨密封圈与所述壳体的侧面相连 接，所述旋转轴的端部与所述浮潜桶的外侧相连接，所述浮潜桶包括 桶体，所述桶体内分为蓄水室和泵力室，所述泵力室位于所述蓄水室 的下方，所述蓄水室与所述泵力室之间设有第二隔板，所述泵力室内 居中的设有水泵，所述水泵的第一水管贯穿所述第二隔板并伸入所述 蓄水室，所述第一水管通过所述耐磨密封圈与所述第二隔板相连接， 所述水泵的第二水管贯穿所述桶体的底部并伸出于所述桶体，所述第 二水管通过所述耐磨密封圈与所述桶体的底部相连接，所述蓄水室内 设有液位传感器，所述液位传感器位于所述第二隔板的上表面，所述 壳体的正面居中的设有摄像头，所述壳体的正面两侧对称的设有若干 前测距声纳，所述壳体的背面两侧对称的设有若干后测距声纳，所述 壳体的背面还设有一对声响驱鱼器，所述声响驱鱼器对称的位于所述 壳体的背面，所述壳体的顶部设有太阳能光伏板，所述摄像头、所述 前测距声纳、所述后测距声纳、所述液位传感器和所述存储模块连接 所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述水泵、 所述旋转电机、所述推进器、所述舵机、所述图像处理模块和所述声 响驱鱼器，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星相互 连接，所述控制模块通过所述无线通信模块与远端的作业中心相互连 接，所述太阳能光伏板与所述蓄电模块电性连接，所述蓄电模块为所 述控制模块提供工作电压。

进一步的，所述浮潜桶的数量至少为4以上的偶数个。

进一步的，所述液位传感器选用静压投入式液位传感器。

进一步的，所述旋转电机选用RS-380SH型步进电机。

进一步的，所述摄像头选用3D高清夜视摄像头。

进一步的，所述存储模块预先存放离线地图包和鱼类天敌的音频 文件。

进一步的，所述GPS定位模块选用ET-318 SiRF Star III GPS 芯片组。

进一步的，所述无线通信模块为2G、3G或4G通信模组。

进一步的，所述控制模块选用32位ARM控制器LPC1768。

进一步的，所述太阳能光伏板为单晶硅太阳能光伏板。

(三)有益效果

本发明提供了一种浮潜式作业机器人，通过水泵改变浮潜桶内的 蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人下潜或上浮，实现了特殊位 置悬停作业，机器人由螺旋桨推进器提供前进动力，动力性能好，作 业范围大，同时机器人设置为梭形结构，并且在下潜后旋转电机将浮 潜桶由竖向变为横向，减小了机器人前进时水的阻力，提升了动力转 换效率，减小了能耗，3D高清夜视摄像头能让机器人在水下昏暗的 环境下也能精确识别所处的地形环境特征，前测距声纳探测机器人前 进路线上的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人灵活转向从而避开障碍 物，后测距声纳探测机器人身后是否有鱼类接近，控制模块读取预先存放在存储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放 从而驱走鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好，机 器人通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，并结合存储模 块内的离线地图包可自动返航，自动化及智能化程度高，同时通过无 线通信模块接收远端作业中心的作业指令及将摄像头采集的图像信 息传送给作业中心，实现了远程智能化监控管理，蓄电模块自带电量 检测器，当电量不足时，机器人自动浮至水面，通过太阳能光伏板给 蓄电模块进行充电，符合节能环保的设计理念，其结构简单，设计巧 妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具 有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种浅滩、滩涂、海洋、 湖泊等环境的勘察探测工作。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种浮潜式作业机器人的外部结构示意 图。

图2为本发明所涉及的一种浮潜式作业机器人的机器人本体的 内部结构示意图。

图3为本发明所涉及的一种浮潜式作业机器人的正面内部结构 示意图。

图4为本发明所涉及的一种浮潜式作业机器人的系统工作原理 图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

结合图1～图4，一种浮潜式作业机器人，包括机器人本体和与 机器人本体相连接的若干浮潜桶，浮潜桶对称的位于机器人本体的两 侧，机器人本体包括壳体1，壳体1为梭形结构，壳体1内分为控制 室3和动力室2，动力室2位于控制室3的下方，动力室2与控制室3之间设有第一隔板4，动力室2的中间设有推进器5，推进器5固 定于壳体1的底部内侧，推进器5的推进轴6贯穿壳体1的底部并伸 出壳体1的下方，推进轴6通过耐磨密封圈与壳体1的底部相连接， 推进轴6的端部设有螺旋桨7，动力室2的一侧设有舵机8，舵机8 位于壳体1的背面内侧，舵机8的舵轴9贯穿壳体1的底部并伸出壳 体1的下方，舵轴9也通过耐磨密封圈与壳体1的底部相连接，舵轴 9的端部设有舵叶10，动力室2的另一侧设有蓄电模块11，蓄电模 块11位于壳体1的正面内侧，蓄电模块11设有电量检测器，控制室 3的中间设有控制模块12，控制室3的一侧设有图像处理模块13， 图像处理模块13位于壳体1的正面内侧，控制室3的另一侧设有存 储模块14，存储模块14位于壳体1的背面内侧，控制室3内还设有 无线通信模块15和GPS定位模块16，无线通信模块15位于图像处 理模块13与控制模块12之间，GPS定位模块16位于控制模块12与 存储模块14之间，动力室2内还设有若干旋转电机17，旋转电机17 均匀对称的设于壳体1的两个正面内侧，旋转电机17的旋转轴18贯 穿壳体1的侧面并伸出于壳体1，旋转轴18通过耐磨密封圈与壳体1 的侧面相连接，旋转轴18的端部与浮潜桶的外侧相连接，浮潜桶包 括桶体19，桶体19内分为蓄水室21和泵力室20，泵力室20位于蓄 水室21的下方，蓄水室21与泵力室20之间设有第二隔板22，泵力 室20内居中的设有水泵23，水泵23的第一水管24贯穿第二隔板22 并伸入蓄水室21，第一水管24通过耐磨密封圈与第二隔板22相连 接，水泵23的第二水管25贯穿桶体19的底部并伸出于桶体19，第 二水管25通过耐磨密封圈与桶体19的底部相连接，蓄水室21内设 有液位传感器26，液位传感器26位于第二隔板22的上表面，壳体1 的正面居中的设有摄像头27，壳体1的正面两侧对称的设有若干前 测距声纳28，壳体1的背面两侧对称的设有若干后测距声纳30，壳 体1的背面还设有一对声响驱鱼器31，声响驱鱼器31对称的位于壳 体1的背面，壳体1的顶部设有太阳能光伏板32，摄像头27、前测 距声纳28、后测距声纳30、液位传感器26和存储模块14连接控制 模块12的输入端，控制模块12的输出端分别连接水泵23、旋转电 机17、推进器5、舵机8、图像处理模块13和声响驱鱼器31，控制 模块12通过GPS定位模块16与GPS定位卫星相互连接，控制模块 12通过无线通信模块15与远端的作业中心相互连接，太阳能光伏板32与蓄电模块11电性连接，蓄电模块11为控制模块12提供工作电 压。

浮潜桶为空腔结构，具有一定的浮力，可使机器人浮于水面。为 了保证机器人的平衡性和稳定性，浮潜桶的数量至少为4以上的偶数 个。

机器人通过无线通信模块15与远端的作业中心通信连接，接收 作业中心发送的作业指令。当需要下潜时，浮潜桶底部泵力室20的 水泵23工作，第二水管25将外部的水流吸入浮潜桶的蓄水室21增 加浮潜桶内的重量从而改变其浮力。控制模块12通过无线通信模块 15接收来自作业中心下潜具体深度的指令，并将下潜的具体深度转 化为浮潜桶的浮力变化量，均化至单个浮潜桶即为其重量的变化量。 蓄水室21内的液位传感器26实时监测水量的变化，液位传感器26 选用静压投入式液位传感器，静压投入式液位传感器是基于所测液体 静压与该液体的高度成比例的原理，将静压转换为电信号，再经过温 度补偿和线性修正，转化成标准电信号。液位传感器26精准的检测 蓄水室21内水量的变化，送入控制模块12进行处理，控制模块12 从而计算得到该浮潜桶重量的变化量，实现了机器人可悬停于某一深 度进行作业。

待机器人下潜至需要的深度后，壳体1内动力室2两侧的旋转电 机17工作，旋转电机17驱动旋转轴18转动，带动浮潜桶旋转，使 浮潜桶由原来的竖向变为横向，从而减小了机器人前进时受到的水的 阻力。旋转电机17选用RS-380SH型步进电机，可非常方便的设定电 机的步进频率，从而调节旋转轴18的旋转速率。同时机器人设计为 梭形结构，进一步减小了受到的水的阻力，提升了动力转换效率，减 小了能耗。推进器5工作，通过推进轴6驱动螺旋桨7旋转，产生向 前的推进力，使机器人在水下向前运动，扩大了作业范围，并且由螺旋桨推进器提供前进动力，动力性能好。机器人正面的摄像头27采 集水中的图像信息，由于水下环境光线比较昏暗，摄像头27选用3D 高清夜视摄像头，能让机器人精确识别所处的地形环境特征，采集到 清晰的图像信息，向作业中心提供了宝贵可靠的图像资料，提供了勘 察探测的有力参考。同时避免了使用探照灯等照明设备来辅助摄像头 27，不会惊扰到水下的鱼类，提升了机器人的安全性。同时机器人的 前测距声纳28和后测距声纳30工作，前测距声纳28探测机器人前 进线路上的障碍物，如需要改变前进方向，控制模块12控制舵机8 工作，舵机8驱动舵轴9旋转，带动舵叶10旋转，从而改变水流的 流向，使机器人改变前进方向，实现了非常灵活的转弯避开障碍物。 后测距声纳30探测机器人身后是否有鱼类接近，当有鱼类靠近机器 人身后时，控制模块12读取预先存储在存储模块14内的鱼类天敌的音频文件，并通过机器人背面两侧的声响驱鱼器31进行播放，从而 驱走鱼类，避免了鱼类与机器人发生碰撞，对环境的抗干扰能力强， 生存系数高，安全性好。

图像处理模块13对摄像头27采集的图像信息进行处理后送入控 制模块12，控制模块12通过无线通信模块15发送给远端的作业中 心。无线通信模块15为2G、3G或4G通信模组，移动网络信号覆盖 范围广，信号幅度强，具有极高的性价比，保证了机器人的无线传输效率，实现了智能化的远程监控。

蓄电模块11为机器人提供工作电压，蓄电模块11自带电量检测 器，当监测到蓄电模块11的剩余电量不足，或机器人接收到作业中 心的上浮指令时，旋转电机17工作，将浮潜桶由横向恢复为初始的 竖向，然后水泵23工作，通过第一水管24抽取蓄水室21内的水流， 并经第二水管25重新排入外部，从而使浮潜桶恢复至初始的浮力状 态，使机器人回到水面，完成上浮动作。机器人的表面设有太阳能光 伏板32，可充分利用水域环境太阳光能比较充足的特点，并且太阳 能光伏板32选用单晶硅太阳能光伏板，具有极高的光伏转换效率， 提高了太阳光能利用率，为机器人提供充足的电能，使机器人具备良 好的续航能力，提升了作业效率。

机器人通过GPS定位模块16接收GPS定位卫星的导航电文，GPS 定位模块16选用ET-318 SiRF Star III GPS芯片组，SiRF Star III GPS芯片组具有灵敏度高，低信号下快速TTFF(首次定位时间)，20 通道全视野跟踪，跟踪速度精度为0.1m/s，支持NMEA0183和SiRF 二进位协议，通过串口固定输出NMEA0183规定的数据信息。 MC95S12DJ128接收其中的推荐定位信息，获得时间、经纬度等信息。 存储模块14内预先存入作业水域的离线地图包，当机器人接收到作 业中心发送的返航指令时，控制模块12结合离线地图包及GPS定位数据自动返航，自动化及智能化程度高。

控制模块12对摄像头27、前测距声纳28、后测距声纳30、液 位传感器26和存储模块14的输入信号进行处理，输出控制信号分别 控制水泵23、旋转电机17、推进器5、舵机8、图像处理模块13和 声响驱鱼器31工作，同时通过GPS定位模块15与GPS定位卫星建立 通信互连以及通过无线通信模块16与远端的作业中心通信。由于控 制模块12需要对多路数据和多个进程进行快速处理，工作量较大， 因此要求控制模块12具备较强的数据处理能力的同时还要保证控制 精度和图像传输的同步性。控制模块12选用32位ARM控制器 LPC1768，基于ARM Cortex-M3内核，操作频率高达120MHz，代码执 行速度高达1.25MIPS/MHz，并具有丰富的外围接口部件，大大简化 了电路。LPC1768自身的高速处理技术将有助于提高控制精度，同时 也保证了数据传输的实时性。

本发明提供了一种浮潜式作业机器人，通过水泵改变浮潜桶内的 蓄水量从而改变浮潜桶的浮力，使机器人下潜或上浮，实现了特殊位 置悬停作业，机器人由螺旋桨推进器提供前进动力，动力性能好，作 业范围大，同时机器人设置为梭形结构，并且在下潜后旋转电机将浮 潜桶由竖向变为横向，减小了机器人前进时水的阻力，提升了动力转 换效率，减小了能耗，3D高清夜视摄像头能让机器人在水下昏暗的 环境下也能精确识别所处的地形环境特征，前测距声纳探测机器人前 进路线上的障碍物，舵机驱动舵叶辅助机器人灵活转向从而避开障碍 物，后测距声纳探测机器人身后是否有鱼类接近，控制模块读取预先存放在存储模块内的鱼类天敌音频文件并通过声响驱鱼器进行播放 从而驱走鱼群，对环境的抗干扰能力强，生存系数高，安全性好，机 器人通过GPS定位模块接收GPS定位卫星的导航电文，并结合存储模 块内的离线地图包可自动返航，自动化及智能化程度高，同时通过无 线通信模块接收远端作业中心的作业指令及将摄像头采集的图像信 息传送给作业中心，实现了远程智能化监控管理，蓄电模块自带电量 检测器，当电量不足时，机器人自动浮至水面，通过太阳能光伏板给 蓄电模块进行充电，符合节能环保的设计理念，其结构简单，设计巧 妙，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，具 有良好的实用性和可扩展性，可广泛应用于各种浅滩、滩涂、海洋、 湖泊等环境的勘察探测工作。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并 非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提 下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均 应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部 记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种浮潜式作业机器人，包括机器人本体和与所述机器人本体相连接的若干浮潜桶，所述浮潜桶对称的位于所述机器人本体的两侧，其特征在于：所述机器人本体包括壳体，所述壳体为梭形结构，所述壳体内分为控制室和动力室，所述动力室位于所述控制室的下方，所述动力室与所述控制室之间设有第一隔板，所述动力室的中间设有推进器，所述推进器固定于所述壳体的底部内侧，所述推进器的推进轴贯穿所述壳体的底部并伸出所述壳体的下方，所述推进轴通过耐磨密封圈与所述壳体的底部相连接，所述推进轴的端部设有螺旋桨，所述动力室的一侧设有舵机，所述舵机位于所述壳体的背面内侧，所述舵机的舵轴贯穿所述壳体的底部并伸出所述壳体的下方，所述舵轴也通过耐磨密封圈与所述壳体的底部相连接，所述舵轴的端部设有舵叶，所述动力室的另一侧设有蓄电模块，所述蓄电模块位于所述壳体的正面内侧，所述蓄电模块设有电量检测器，所述控制室的中间设有控制模块，所述控制室的一侧设有图像处理模块，所述图像处理模块位于所述壳体的正面内侧，所述控制室的另一侧设有存储模块，所述存储模块位于所述壳体的背面内侧，所述控制室内还设有无线通信模块和GPS定位模块，所述无线通信模块位于所述图像处理模块与所述控制模块之间，所述GPS定位模块位于所述控制模块与所述存储模块之间，所述动力室内还设有若干旋转电机，所述旋转电机均匀对称的设于所述壳体的两个正面内侧，所述旋转电机的旋转轴贯穿所述壳体的侧面并伸出于所述壳体，所述旋转轴通过所述耐磨密封圈与所述壳体的侧面相连接，所述旋转轴的端部与所述浮潜桶的外侧相连接，所述浮潜桶包括桶体，所述桶体内分为蓄水室和泵力室，所述泵力室位于所述蓄水室的下方，所述蓄水室与所述泵力室之间设有第二隔板，所述泵力室内居中的设有水泵，所述水泵的第一水管贯穿所述第二隔板并伸入所述蓄水室，所述第一水管通过所述耐磨密封圈与所述第二隔板相连接，所述水泵的第二水管贯穿所述桶体的底部并伸出于所述桶体，所述第二水管通过所述耐磨密封圈与所述桶体的底部相连接，所述蓄水室内设有液位传感器，所述液位传感器位于所述第二隔板的上表面，所述壳体的正面居中的设有摄像头，所述壳体的正面两侧对称的设有若干前测距声纳，所述壳体的背面两侧对称的设有若干后测距声纳，所述壳体的背面还设有一对声响驱鱼器，所述声响驱鱼器对称的位于所述壳体的背面，所述壳体的顶部设有太阳能光伏板，所述摄像头、所述前测距声纳、所述后测距声纳、所述液位传感器和所述存储模块连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接所述水泵、所述旋转电机、所述推进器、所述舵机、所述图像处理模块和所述声响驱鱼器，所述控制模块通过所述GPS定位模块与GPS定位卫星相互连接，所述控制模块通过所述无线通信模块与远端的作业中心相互连接，所述太阳能光伏板与所述蓄电模块电性连接，所述蓄电模块为所述控制模块提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述浮潜桶的数量至少为4以上的偶数个。

3.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述液位传感器选用静压投入式液位传感器。

4.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述旋转电机选用RS-380SH型步进电机。

5.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述摄像头选用3D高清夜视摄像头。

6.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述存储模块预先存放离线地图包和鱼类天敌的音频文件。

7.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述GPS定位模块选用ET-318SiRF Star III GPS芯片组。

8.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述无线通信模块为2G、3G或4G通信模组。

9.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述控制模块选用32位ARM控制器LPC1768。

10.根据权利要求1所述的一种浮潜式作业机器人，其特征在于：所述太阳能光伏板为单晶硅太阳能光伏板。