CN109080799A - 基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统 - Google Patents

基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统 Download PDF

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    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
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Abstract

本发明公开了一种基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，包括母船和水下机器人，其特征在于，还包括中继设备；所述中继设备设有第一控制系统、第一数据传输器探测装置，所述第一数据传输器、所述探测装置分别与所述第一控制系统信号连接；所述探测装置用于探测所述机器人相对于所述中继设备的相对位置；所述机器人设有第二数据传输器，所述第二数据传输器与所述第一数据传输器信号连接；所述母船设有信号连接的第二控制系统和第三数据传输器，所述第三数据传输器与所述第一数据传输器信号连接，以监控所述水下机器人位置。通过设置中继设备，实现更精确、有效地水下机器人定位和数据收集，并减少故障发生。

Description

基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统
技术领域
本发明涉及水下智能机器人技术领域，具体涉及到一种基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统。
背景技术
目前，智能水下机器人已成为水下勘探与作业，提高人类水下作业范围，提高人类水下作业水平的最主要的设备，对于海洋的开发有着极其重要的作用。而水下机器人关于水下定位与地图遍历的精度在一定程度上决定着水下机器人在水下工作的任务品质，目前用到的水下定位与地图构建的方法主要是基于机器人本体上传感器和自定位算法等。现有的缆式水下机器人多采用缆绳与地面或大型船只相连，以便提供水下机器人电源和接收水下机器人的水下情况。
由于海洋环境的复杂多变，机器人本体在距离海底较近的情况下，通过摄像机和下视声呐对水下环境进行地图构建和了解有一定的局限性，并不能很好的对本体的位置进行了解，也不能对海底全局进行掌握。此外，现有的用缆绳将水下机器人与母船直接相连的方式有一定的局限性，由于母船的机动性较差，船体尺寸引起的位置误差大，同时也大大降低了水下机器人运行的范围。现有的通讯方式为水下机器人拖缆通讯，由于机动性限制容易产生电缆的缠绕现象。
发明内容
为解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，通过水面中继设备，辅助进行水下机器人的定位和操控。
本发明提供的一种基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，包括母船和水下机器人，其特征在于，还包括中继设备；所述中继设备设有第一控制系统、第一数据传输器和探测装置，所述第一数据传输器、所述探测装置分别与所述第一控制系统信号连接；所述探测装置用于探测所述水下机器人相对于所述中继设备的相对位置；所述机器人设有第二数据传输器，所述第二数据传输器与所述第一数据传输器信号连接；所述母船设有信号连接的第二控制系统和第三数据传输器，所述第三数据传输器与所述第一数据传输器信号连接，以监控所述水下机器人位置。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述中继设备与所述水下机器人通过缆绳连接；所述中继设备与所述母船通过缆绳连接。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述缆绳采用零浮力电缆。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述中继设备设有电源，所述电源与所述第一控制系统信号连接，并且所述电源通过所述零浮力电缆给所述水下机器人提供能源。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述探测装置包括下视声呐和侧扫声呐。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述中继设备上搭载GPS定位装置，所述GPS定位装置与所述第一数据传输器信号连接，所述GPS定位装置用以获取所述中继设备自身的位置。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述第二数据传输器包括水下视觉图像传感器。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述中继设备设置自主驾驶仪，所述自主驾驶仪与所述第一控制系统信号连接，所述自主驾驶仪根据所述水下机器人的位置和航向控制所述中继设备进行跟随。
上述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其中，所述中继设备为无人艇。
本发明对比现有技术的有益效果是：
1)中继设备可以通过声呐探测数据和自身搭载的GPS定位装置，连续跟踪和跟随水下机器人，实时获得水下机器人的位置信息；同时，通过中继设备的通讯中继作用，母船可以对水下机器人进行路径规划以及航行轨迹监测。
2)通过水下机器人搭载的视觉图像传感器和中继设备的声呐探测，可以多渠道获得水下环境信息，构建水下测绘系统。
3)中继设备可以作为水下机器人数据传输至母船的通讯中继站，将水下机器人的数据实时传输到母船，实现母船对水下机器人运行的监测。
4)中继设备可以提高水下机器人的活动范围，使得有缆的水下机器人远离母船进行行驶，在不移动母船的情况下，对水下进行更广泛区域的勘探；同时，中继设备可以减少水下机器人断缆或自身缠绕的故障率。
5)中继设备可以提高水下机器人能源供给方式，提高了水下机器人的运行时间，并提升水下机器人的可靠性，
附图说明
图1为本发明基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统的整体示意图。
图2为本发明基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统的结构框图。
图中：
1母船 2中继设备 3水下机器人 4缆绳
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围不仅局限于实施例。
图1为本发明基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统的整体示意图。请参见图1所示，本发明提供的一种基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，包括母船1、水下机器人3和中继设备2；中继设备2设有第一控制系统、第一数据传输器和探测装置；其中，第一数据传输器和探测装置分别与第一控制系统信号连接。
水下机器人3设有第二数据传输器，第二数据传输器与第一数据传输器信号连接。
以此使得第一控制系统控制第一数据传输器向第二数据传输器发出信号，第二数据传输器接收第一数据传输器发出的信号；第二数据传输器向第一数据传输器发出信号，第一数据传输器接收第二数据传输器发出的信号。
进而使得中继设备2的第一控制系统控制探测装置发出探测信号，用以探测水下机器人3相对于中继设备2的相对位置。
母船1设有信号连接的第二控制系统和第三数据传输器。第二控制系统控制第三数据传输器向第一数据传输器发出信号，第一数据传输器接收第三数据传输器发出的信号；第一控制系统控制第一数据传输器向第三数据传输器发出信号，第三数据传输器的接收第一数据传输器发出的信号。本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
请继续参见图1所示，本发明提供的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统的具体装置优选包括母船1、水下机器人3和中继设备2；中继设备2设置于母船1和水下机器人3之间；中继设备2与水下机器人3通过缆绳4连接，中继设备2与母船1之间通过缆绳4连接。
优选地，中继设备2与水下机器人3之间连接缆绳4为零浮力电缆。优选地，中继设备2上搭载电源，电源与第一控制系统信号连接，第一控制系统控制电源通过零浮力电缆给水下机器人3提供能源。
优选地，探测装置包括下视声呐和侧扫声呐。中继设备通过下视声呐和侧扫声呐的探测并识别出水下机器人3的回波信号，获取水下机器人3相对于中继设备2的相对位置。同时，中继设备2通过自身搭载的GPS定位装置获取自身定位信息；中继设备2通过第一数据传输器将GPS自身定位信息以及水下机器人3的相对位置传输给母船1的第三数据传输器，母船1的第二控制系统通过整合GPS定位信息和水下机器人3相对于中继设备2的相对位置信息，获得水下机器人3的绝对位置信息。
优选地，第一数据传输器包括水下机器人通讯模块和母船通信模块。第一数据传输器的水下机器人通讯模块与第二数据传输器通过电缆通讯连接。第一数据传输器的母船通讯模块与第三数据传输器通过无线信号通讯连接。
图2为本发明基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统的结构框图。以下结合图2，详细阐述母船1、中继设备2和水下机器人3之间的具体数据传输内容和系统控制原理。水下机器人3将获取的信息，包括水下机器人3本体的深度、速度、压力、故障等数据传递给中继设备2；中继设备2接收并处理水下机器人3传递的信息，并且中继设备2向水下机器人3传递指令。同时，中继设备2将数据传输给母船1，母船1向中继设备2传递指令信息，中继设备2接收母船1的指令信息并进一步将指令传递给水下机器人3。因此，母船1可以通过中继设备2的中继作用，对水下机器人3进行实时操控和监测。优选地，在中继设备2和母船1同时传递指令信息时，母船1的指令的优选级高于中继设备2的指令。
优选地，第二数据传输器包括水下视觉图像传感器。水下机器人3可以将视觉图像传感器获取的信息传递给中继设备2。通过水下视觉图像传感器获得信息，与中继设备2上安装的下视声呐和侧扫声呐的探测信息，多渠道获得水下环境信息，构建水下测绘系统。
优选地，中继设备2上设置自主驾驶仪，自主驾驶仪与第一控制系统信号连接，自主驾驶仪根据水下机器人3的位置和航向控制中继设备2进行跟随，以保持水下机器人始终处于中继设备2的声呐监测范围，并且保持水下机器人3和中继设备2的连接缆绳4的曲张，防止缆绳4缠绕或断裂，干扰水下机器人3的运行。优选地，在母船1的第二控制系统中搭载高精度海图。母船1可以通过水下机器人3的绝对位置，对水下机器人3进行路径规划，并实时监控水下机器人3的航行轨迹。
优选地，中继设备2和水下机器人3之间采用分布式并行计算方式处理数据算法，提升水下机器人3的数据处理能力。
更优选地，中继设备2采用水面无人艇。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，包括母船和水下机器人，其特征在于，还包括中继设备；
所述中继设备设有第一控制系统、第一数据传输器和探测装置，所述第一数据传输器、所述探测装置分别与所述第一控制系统信号连接；所述探测装置用于探测所述水下机器人相对于所述中继设备的相对位置；
所述机器人设有第二数据传输器，所述第二数据传输器与所述第一数据传输器信号连接；所述母船设有信号连接的第二控制系统和第三数据传输器，所述第三数据传输器与所述第一数据传输器信号连接，以监控所述水下机器人位置。
2.如权利要求1所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述中继设备与所述水下机器人通过缆绳连接；所述中继设备与所述母船通过缆绳连接。
3.如权利要求2所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述缆绳采用零浮力电缆。
4.如权利要求3所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述中继设备设有电源，所述电源与所述第一控制系统信号连接，并且所述电源通过所述零浮力电缆给所述水下机器人提供能源。
5.如权利要求1所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述探测装置包括下视声呐和侧扫声呐。
6.如权利要求1所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述中继设备上搭载GPS定位装置，所述GPS定位装置与所述第一数据传输器信号连接，所述GPS定位装置用以获取所述中继设备自身的位置。
7.如权利要求1所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述第二数据传输器包括水下视觉图像传感器。
8.如权利要求1所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述中继设备设置自主驾驶仪，所述自主驾驶仪与所述第一控制系统信号连接，所述自主驾驶仪根据所述水下机器人的位置和航向控制所述中继设备进行跟随。
9.如权利要求1所述的基于水面中继设备辅助的水下机器人定位和操控系统，其特征在于，所述中继设备为无人艇。
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