CN109367738A - 一种水下自主作业机器人及其作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下作业机器人领域，提供了一种适用于多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人及其作业方法，该水下自主作业机器人包括能源动力模块、力学结构设计模块、外形设计模块、主控模块、动力推进模块以及功能模块，其中，主控模块包括强电流电子控制舱以及弱电流电子控制舱；动力推进模块包括至少两个侧向推进器、至少两个垂直推进器以及至少一个纵向主推进器；功能模块包括多普勒测速仪、成像声呐、集成LED灯的光学摄像头、光通信MODEM、深度和高度计、前端云台和后端云台。根据本发明实施例提供的水下自主作业机器人的检测范围更广，检测方式更加灵活，同时根据本发明实施例提供的水下自主作业机器人可以实现自主作业。

Description

一种水下自主作业机器人及其作业方法

技术领域

本发明涉及水下作业机器人领域，具体为一种适用于多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人及其作业方法。

背景技术

随着我国海洋强国战略的实施，海洋经济和海洋军事都对水下自主作业机器人提出了迫切的要求。在海洋经济方面，水下基础设施在水下长时间运行后需要进行定期检测，以保障水下基础设施运行的安全性。例如，水利行业水库的侧面、电力行业大坝和海上风力发电水下设施的侧面、交通行业水下桥墩的侧面、海洋油气行业钻井平台及浮式生产储卸油装置的侧面和底面，都需要进行定期检测，以保障其长期运行的安全性。在海洋军事方面，军舰和潜艇的水下部分侧面和底面、港口水下部分的底面和侧面，也需要进行定期检测，以防止水雷及爆炸物的非法浸入，来保障军用设施的安全性。

目前，国内外对水下基础设施进行检测的水下机器人主要有以下两种：一种是自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，它通常由纵向主推进器进行推进，舵面进行姿态操纵，携带声纳和光学成像设备，按照事先规划的路径进行航行，从而实现对作业面的检测。这种方法的优点是可以实现大面积的快速检测；主要缺点：1)由于声纳和光学成像设备在机器人壳体上固定安装,因此只能对某一种特定作业面进行检测，不同时具备垂直侧面、倾斜面、顶面、底面的检测能力；2)机器人通常只能对作业面进行行进间检测，难以实现定点悬停检测；3)机器人为了实现水下自主的检测，通常采用惯性导航设备来测量机器人的航向和姿态，采用面向海底的多普勒测速仪来测量机器人相对于海底的绝对速度，从而实现机器人在水下的绝对导航，但由于导航误差会随时间累积，后续难于对机器人探测到的声学和光学图像进行精确的拼接；4)机器人检测到的信息只能事后上传，缺乏实时性。另一种方法是遥控式水下机器人(Remote Operated Vehicles，ROV)，采用6～8个推进器的结构布局，实现机器人六个自由度的操控，机器人携带声纳和光学成像设备，由操作员遥控水下机器人对水下作业面进行检测。这种方法的优点：1)虽然声纳和光学成像设备在机器人壳体上固定安装,但由于遥控式水下机器人采用多个推进器的结构布局,仍然可以通过遥控水下机器人的姿态来对不同水下作业面进行检测；2)可以实现定点悬停检测；3)机器人检测到的信息能实时上传；主要缺点：1)机器人的检测缺乏自主性；2)受缆绳牵绊，检测效率低，作业面积有限；3)检测作业依赖于操作员的经验，对操作员的技术要求高；4)操作员经验限制，难以实现100％的全覆盖检测。

发明内容

(1)技术问题

为解决现有技术的不足，本发明的实施例提出了一种可适用于多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人及其作业方法，以满足多个行业对水下自主探测作业机器人的需求。

(2)技术方案

根据本发明的一方面，本发明的实施例提供了一种可同时对多种水下作业面进行声学和光学检测的水下自主作业机器人的实现方式，根据本发明实施例提供的水下自主作业机器人的检测范围更广，检测方式更加灵活，同时根据本发明实施例提供的水下自主作业机器人可以实现自主作业。基于模块化设计理念，本发明实施例提出一种水下自主作业机器人的总体设计方案，其可根据作业任务，按需求增减或替换功能模块，可实现一定程度上的二次开发。

根据本发明的实施例，将机器人的组部件按功能进行划分，以模块化为搭载，完成结构设计与功能布局。根据本发明实施例的可同时对多种水下作业面进行声学和光学检测的水下自主作业机器人包括：以蓄电池组11为主体的能源动力模块；以外框架12和内部和侧面支撑20、浮力模块14为主体的力学结构设计模块；以上壳体22-1和下壳体22-2为主体的外形设计模块；以强电流电子控制舱13和弱电流电子控制舱15为主体的主控模块；以至少两个垂直推进器24、至少两个侧向推进器8和至少一个纵向主推进器19为主体的动力推进模块；以多普勒测速仪5、成像声呐2、集成LED灯的光学摄像头3、光通信MODEM9、深度和高度计10、前端云台1和后端云台23为主体的功能模块。所述的能源动力模块用于机器人多个推进器和组部件的供电；所述的力学结构设计模块包括内部和侧面支撑20、外框架12以及浮力模块14，外框架12和内部和侧面支撑20用于搭载内部功能模块，可完成内部能源动力模块、主控模块、浮力模块的空间分布和布局优化，内部和侧面支撑20的前后两侧分别对称安装至少一个侧向推进器8，外框架12左右两端上分别对称安装一个垂直推进器24；内部和侧面支撑20的右端与悬臂梁7固连，并同时固定于外框架12上，用于分担机器人前端由于自重产生的载荷及力矩；内部和侧面支撑20的前侧左端安装有深度和高度计10，上壳体22-1上端安装有光通信MODEM9；外框架12同时与内部和侧面支撑20、悬臂梁7固连，用于承担机器人总体应力分布，是最重要的力学结构件。

本发明实施例进一步的技术方案是：内部和侧面支撑20的结构以两个横梁18、两个长纵梁17和两个短纵梁16组成，短纵梁16设计成带槽结构，两个长纵梁17固定在外框架12上，整体设计以井字型为基础，大大减少了机器人内部的空间占用率，并利于增减内部功能模块时，对空间布局优化。在保证横、纵梁结构强度的基础上，设计若干蜂窝状安装孔，利于搭载其他功能模块，对现有模块的空间位置微调，减小安装过程、安装顺序、安装方式的难度。

本发明实施例进一步的技术方案是：两个浮力模块14固定在长纵梁17和内部和侧面支撑20的前后两端，保证总体零浮力，实现机器人的总体衡重参数配置，保证机器人的动力学平衡。

本发明实施例进一步的技术方案是：机器人的外壳设计为流线型纵剖面，减小流体阻力系数；上壳体22-1、下壳体22-2表面均布若干孔，实现壳体内外压平衡，适应大深度要求。

本发明实施例进一步的技术方案是：动力推进模块采用至少一个纵向主推进器19、至少两个对称安装的侧向推进器8和至少两个对称安装的垂直推进器24，实现机器人的联合推进与操纵控制，内部和侧面支撑20的前后端分别安装一个侧向推进器8，用于控制机器人的侧向运动；外框架12的左右端分别安装一个垂直推进器24，用于控制机器人的航行深度；机器人底部搭载一个纵向主推进器19，其动力方向为侧板法向，用于控制机器人扫描运动的速度。藉此，通过多个推进器的联合操纵与控制实现多自由度航行，并能够实现悬停。

本发明实施例进一步的技术方案是：通过纵向主推进器安装架下段19-1和纵向主推进器安装架上段19-2将纵向主推进器19与短纵梁16固连。纵向主推进器的安装架上段19-2与T型螺钉21相连，T型螺钉21搭载在两个短纵梁16的滑槽中，通过挪动T型螺钉21，实现纵向主推进器19安装位置的微调，使其与纵向的流体动力特性相匹配，提高航行姿态的稳定性和控制精度。

本发明实施例进一步的技术方案是：蓄电池组11安放在蓄电池组外框11-1之中，蓄电池组外框11-1固定在长纵梁17上，蓄电池组不直接与长纵梁17固连，使电池的安装和拆卸操作简单。

本发明实施例进一步的技术方案是：主控模块由强电流电子控制舱13和弱电流电子控制舱15组成。强电流电子控制舱13内安装有多个推进器的驱动与控制模块，弱电流电子控制舱15内安装有航向姿态传感器、自动驾驶仪等模块，前者(强电流电子控制舱13)通过水密电缆与推进器8、19、24、前端云台1、后端云台23等传动机构连接，后者(弱电流电子控制舱15)通过水密线缆与光通信MODEM9、成像声呐2、多普勒测速仪5等设备连接。

本发明实施例进一步的技术方案是：光通信MODEM9固定在机器人顶端上壳体22-1，便于机器人与水面上的操纵终端实现无线通信，提高了机器人的自主性和活动范围

本发明实施例进一步的技术方案是：内部和侧面支撑20的前端左部位置安装深度与高度计10，用于机器人测量航行时的深度及距海底的高度。

本发明实施例进一步的技术方案是：多普勒测速仪5与后端云台23相连，后端云台23另一端通过后端云台连接座23-1固定在悬臂支架6上，通过悬臂梁7将悬臂支架6与外框架12和内部和侧面支撑20连接固定。后端云台23可以在±90°范围内转动，改变多普勒测速仪5的探测角度，满足机器人与不同作业面之间的精确导航需求。

本发明实施例进一步的技术方案是：成像声呐2固定在成像声纳保护罩2-1中，成像声纳保护罩2-1与前端云台1相连，前端云台1安装方式与多普勒测速仪5相同。增加成像声纳保护罩2-1，在机器人与障碍物发生碰撞时，保护成像声纳的工作安全性和使用寿命。前端云台1可以在±90°范围内转动，改变成像声呐2的俯仰角度，以满足机器人在浑水环境下对多种作业面的声学成像作业要求。

本发明实施例进一步的技术方案是：集成LED灯的光学摄像头3通过光学摄像头固定支架3-1固定在轴承座4上，前端云台1转动可实现成像声纳2和光学摄像头3的同步转动，以满足机器人在清水环境下对多种作业面的光学成像作业需求。

本发明实施例进一步的技术方案是：成像声呐2与多普勒测速仪5之间用轴承座4连接，以满足两者绕轴线方向独立转动的功能需求。具体连接方式为：成像声呐保护罩2-1的一端伸出轴与轴承座4的外圈通过方形法兰固连，多普勒测速仪的安装架5-1的一端伸出轴与轴承座4的内圈采用过盈配合的方式固连。最终，通过轴承座4内外圈的相对转动实现了成像声呐2、集成LED灯的光学摄像头3与多普勒测速仪间的相对转动功能。

根据本发明的另一方面，本发明的实施例提供了一种水下自主作业机器人的作业方法，包括：

(1)机器人在入水作业之前，进行上电自检；

(2)控制后端云台23旋转，使多普勒测速仪5的指向垂直向下；

(3)根据机器人当前所在位置，对机器人的初始位置(经纬度)进行初始化，并对机器人需要检测的初始目标点位置、深度、检测面的方向进行设定；

(4)机器人入水后，通过光通信MODEM9启动机器人运动，机器人根据航向姿态传感器测量到的机器人航向角、俯仰角和横滚角以及多普勒测速仪测量得到的机器人相对于水底的速度在载体坐标系的投影进行导航解算，并根据设定的目标点位置和深度，进行制导和控制律的解算，控制五个推进器的运动，使机器人自主向目标点运动；

(5)当机器人到达目标点附件后，根据设定的检测面方向，机器人控制后端云台23旋转，使多普勒测速仪5指向设定的检测面方向。如果设定的检测面是顶面，则多普勒测速仪5指向为垂直向上；如果设定的检测面是底面，则多普勒测速仪5指向为垂直向下；如果设定的检测面是侧面，则多普勒测速仪5指向为水平方向；

(6)当机器人到达目标点附件后，根据设定的检测面方向，控制前端云台1旋转，使成像声纳2和集成LED灯的光学摄像头3指向设定的检测面方向。成像声纳、光学摄像头与检测面之间存在一个最优成像的角度30°～60°，可通过实验后来确定；

(7)当机器人到达目标点附件且多普勒测速仪5指向设定的检测面后，机器人根据航向姿态传感器测量到的航向角、俯仰角和横滚角以及多普勒测速仪测量得到的机器人相对于检测面的速度在载体坐标系的投影，就可以进行机器人相对于检测面的导航解算。同时，为了解决机器人相对于检测面的导航误差随时间累积的问题，利用成像声纳和光学摄像头测量到的检测面上特征信息，采用同时制图与定位算法(SLAM)和特征回环检测机制，实现机器人相对于检测面的高精度导航；

(8)当机器人到达目标点附件且多普勒测速仪5指向设定的检测面后，利用多普勒测速仪5测量到机器人与检测面之间的距离和方位，根据设定的检测面方向，分别控制两个垂直推进器24或两个侧向推进器8，实现机器人与检测面之间保持固定的距离。当检测面是顶面或底面时，控制两个垂直推进器24，实现距离保持控制；当检测面是侧面时，控制两个侧向推进器8，实现距离保持控制；

(9)当机器人与检测面保持固定距离后，控制机器人纵向主推进器(19)运动，使机器人在行进时利用成像声纳2和集成LED灯的光学摄像头3完成检测面的切片成像检测；

(10)当机器人完成一个检测面切片成像检测后，当设定的检测面是顶面或底面时，根据覆盖检测的需求，控制两个侧向推进器8，使机器人在水平面平移一段距离后，纵向主推进器反转，使机器人完成回环检测；当设定的检测面是侧面时，根据覆盖检测的需求，控制两个垂直推进器24，使机器人上下平移一定深度后，纵向主推进器反转19，使机器人完成回环检测；

(11)当机器人进行声学和光学检测时，将检测的数据进行内部存储。如果能检测到可见光通信信号，机器人及时将检测到的数据进行上传；

(12)当机器人完成检测任务后，机器人首先根据相对导航信息自主返回到检测的初始目标点位置，再根据入水点的位置信息，自主返回到入水点，最终完成探测数据的上传，并进行机器人回收。

(3)有益效果

本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

1.融合了常规AUV与ROV的优点，既可以在行进时对作业面进行大范围的声学和光学扫描检测，也可以实现悬停定点精细检测。

2.实现了多普勒测速仪、声学及光学检测装置空间位置和欧拉角的独立控制，满足机器人对多种水下作业面的导航和检测需求，机器人的应用领域更广。

3.采用模块化设计理念，根据作业需求，可增减模块，整体结构安装与可拆卸性好。

4.采用至少5个推进器联合控制方法，使驱动机构相对简单，在满足机器人联合控制的前提上，降低了工作能耗，增加了水下作业时间。

5.主控模块通过强、弱电分舱设计，降低了电磁干扰，提高机器人控制的可靠性。

6.机器人采用成像声呐与光学摄像头联合工作，能同时满足清水及浑水环境下的不同作业面的成像作业需求任务。

7.机器人采用可见光通信，便于机器人与水面上的操纵终端实现无线实时通信。

8.机器人体积小、重量轻，便于运输，航行灵活，续航时间长的优良性能。

本发明提出的一种水下自主作业机器人，融合了常规AUV与ROV的优点，既可以在行进时对作业面进行大范围的声学和光学扫描检测，也可以实现悬停定点精细检测。此外，采用云台执行机构，可独立控制多普勒测速仪、声学及光学检测装置的空间位置和欧拉角，以满足机器人在多种作业面上的导航和作业面检测需求。

附图说明

图1为根据本发明实施例的水下自主作业机器人(不带壳体)的俯视图；

图2为根据本发明实施例的水下自主作业机器人(带壳体)的主视图；

图3为根据本发明实施例的水下自主作业机器人(带壳体)的左视图；

图4为根据本发明实施例的水下自主作业机器人(带壳体)的俯视图；

图5为根据本发明实施例的纵向主推进器组装截面示意图；

图6为根据本发明实施例的纵向主推进器组装的三维效果图；

图7为根据本发明实施例的水下自主作业机器人(不带壳体)的立体图；

图8为根据本发明实施例的水下自主作业机器人(带壳体)的立体图。

附图标记说明：1.前端云台 1-1.前端云台连接座 2.成像声呐 2-1.成像声呐保护罩 3.集成LED灯的光学摄像头 3-1.光学摄像头固定支架 4.轴承座 5.多普勒测速仪5-1.多普勒测速仪的安装架 6.悬臂支架 7.悬臂梁 8.侧向推进器 8-1.侧向推进器安装架 9.光通信MODEM 9-1.光通信MODEM固定底座 10.深度和高度计 10-1.深度与高度计安装架 11.蓄电池组 11-1.蓄电池组外框 12.外框架 13.强电流电子控制舱 13-1.强电流电子控制舱安装架 14.浮力模块 15.弱电流电子控制舱 15-1.弱电流电子控制舱安装架16.短纵梁 17.长纵梁 18.横梁 19.纵向主推进器 19-1.纵向主推进器安装架下段 19-2.纵向主推进器安装架上段 20.内部和侧面支撑 21.T型螺钉 22-1.上壳体 22-2.下壳体23.后端云台 23-1.后端云台连接座 24.垂直推进器 24-1.垂直推进器安装架

具体实施方式

本发明为一种对多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人，下面结合附图对本发明实施例进行详细阐述，对本发明具体实施方式作进一步说明。

需要说明的是，本发明中采用的表示方位的词语仅为了表述的方便，其仅表明在某一特定观察角度下，不同部件之间的相对位置关系，并不意味着特定部件的绝对位置关系。例如，参照图1，本发明中前端和后端分别对应图1中水下自主作业机器人的上端和下端，本发明中左右两侧，则分别对应图1中水下自主作业机器人的左侧和右侧。本领域技术人员不难理解，当观察的视角发生转变时，相应位置表述的对应关系也应做出适应性调整。

如图1到图4示出了根据本发明实施例的一种对多种水下作业面声学和光学检测的水下自主作业机器人(带壳体和不带壳体时)的不同投影图。

如图1所示，外框架12和内部和侧面支撑20、浮力模块14为主体的力学结构设计模块，内部和侧面支撑20包括2个短纵梁16，2个长纵梁17，2个横梁18，以及2个设置在外框架12两侧的侧板。

内部和侧面支撑20前后端(图1中上下侧)对称安装一个侧向推进器8(如图3所示，侧向推进器动力方向为侧板的径向，即图3所示的水平方向)，侧向推进器8通过侧向推进器固定架8-1安装在侧板上。内部和侧面支撑20的前端左侧安装深度和高度计10。内部和侧面支撑20的右端与悬臂梁7连接，并且内部和侧面支撑20的右端与悬臂梁7共同与外框架12固连。悬臂梁7另一端连接悬臂支架6，负责固定前端云台1和后端云台23。

前端云台1和后端云台23同轴安装，分别用于固定成像声呐2及多普勒测速仪5。成像声呐2固定在成像声呐保护罩2-1中，多普勒测速仪5与成像声呐2之间通过轴承座4耦合连接，实现两者之间同轴转动，并相互间的运动独立。

前端云台1转动控制成像声呐2的空间位置和欧拉角，以适应多种水下作业面的探测需求；后端云台23转动控制多普勒测速仪5的空间位置和欧拉角，以适应多种水下作业面的精确相对导航需求。

光学摄像头3通过摄像头固定支架3-1固定在轴承座4上，与成像声纳2同步转动，实现清水环境下光学成像需求。

如图1所示，本发明内部以短纵梁16(水平方向)、长纵梁17(水平方向)、横梁18(垂直方向)组成内支撑结构，内支撑结构和侧板一起共同构成内部和侧面支撑20。内部和侧面支撑20和外框架12为最终受力模块。

图1中，蓄电池组11由蓄电池组外框11-1固定并搭载在内支撑结构的长纵梁17上，强电流电子控制舱13通过其安装架13-1固定于短纵梁16，通过水密线缆连接五个推进器，实现机器人的联合操纵与控制。弱电流电子控制舱15通过其安装架15-1固定于横梁18上，通过水密线缆连接多普勒测速仪5等功能模块。

两个浮力模块14固定在长纵梁17和内部和侧面支撑20的前后两端(上下两端)，可根据实际需求调节浮力模块数目及大小。

如图5和图6所示，纵向主推进器19由其所对应的安装架19-1、19-2固定，其中，纵向主推进器的安装架上段19-2与T型螺钉21相连，T型螺钉21搭载在两个短纵梁16的滑槽中。通过挪动T型螺钉21，实现纵向主推进器19安装位置的微调。上壳体22-1与下壳体22-2交界面呈齿状啮合，固定在内部和侧面支撑20的侧板上，使其在水下工作不易发生脱落。

上壳体22-1顶端开若干孔平衡内外表面压力，通过螺钉将光通信MODEM9、光通信MODEM固定架9-1固定在上壳体22-1顶部中心位置。壳体纵剖面呈流线型设计，使机器人主体部分的流体力学特性更佳。

图7和图8给出了根据本发明实施例的水下自主作业机器人不带壳体和带壳体时的立体图。根据本发明的示例性实施例，各功能模块尽可能实现结构上的均布，优化质量分布，减少配平对浮力模块14的指标要求，既减少总体质量，降低能耗，又提高了其机动操作的稳定性。

值得注意的是，本发明的实施例中，垂直推进器和侧向推进器的数量分别为2个，纵向主推进器的数量为1个。在不脱离本发明宗旨的前提下，本领域技术人员可以根据实际需要配置垂直推进器、侧向推进器和纵向主推进器的个数。

根据本发明实施例的水下自主作业机器人作业方式和工作原理如下：

(1)水下自主作业机器人(以下简称“机器人”)在入水作业之前，进行上电自检。

(2)控制后端云台23旋转，使多普勒测速仪5的指向垂直向下，以指向河床或者海床。

(3)根据机器人当前所在位置，对机器人的初始位置(经纬度)进行初始化，并对机器人需要检测的初始目标点位置、深度、检测面的方向进行设定。

(4)机器人入水后，通过光通信MODEM9启动机器人运动，机器人根据航向姿态传感器测量到的机器人航向角、俯仰角和横滚角以及多普勒测速仪测量得到的机器人相对于水底的速度在载体坐标系的投影进行导航解算，并根据设定的目标点位置和深度，进行制导和控制律的解算，控制五个推进器的运动，使机器人自主向目标点运动。

(5)当机器人到达目标点附件后，根据设定的检测面方向，机器人控制后端云台23旋转，使多普勒测速仪5指向设定的检测面方向。

如果设定的检测面是顶面，则多普勒测速仪5指向为垂直向上；如果设定的检测面是底面，则多普勒测速仪5指向为垂直向下；如果设定的检测面是垂直侧面，则多普勒测速仪5指向为水平方向，依次类推。

(6)当机器人到达目标点附件后，根据设定的检测面方向，控制前端云台1旋转，使成像声纳2和集成LED灯的光学摄像头3指向设定的检测面方向。

成像声纳、光学摄像头与检测面之间存在一个最优成像的角度(30°～60°)，可通过实验后来确定具体的成像角度。

(7)当机器人到达目标点附件且多普勒测速仪5指向设定的检测面后，机器人根据航向姿态传感器测量到的航向角、俯仰角和横滚角以及多普勒测速仪测量得到的机器人相对于检测面的速度在载体坐标系的投影，就可以进行机器人相对于检测面的导航解算。

同时，为了解决机器人相对于检测面的导航误差随时间累积的问题，利用成像声纳和光学摄像头测量到的检测面上特征信息，采用同时制图与定位算法(SLAM)和特征回环检测机制，实现机器人相对于检测面的高精度导航。

(8)当机器人到达目标点附件且多普勒测速仪5指向设定的检测面后，利用多普勒测速仪5测量到机器人与检测面之间的距离和方位，根据设定的检测面方向，分别控制两个垂直推进器24或两个侧向推进器8，实现机器人与检测面之间保持固定的距离。

例如，当检测面是顶面或底面时，控制两个垂直推进器24，实现距离保持控制；当检测面是侧面时，控制两个侧向推进器8，实现距离保持控制。

(9)当机器人与检测面保持固定距离后，控制机器人纵向主推进器19运动，使机器人在行进时利用成像声纳2和集成LED灯的光学摄像头3完成检测面的切片成像检测。

(10)当机器人完成一个检测面切片成像检测后，当设定的检测面是顶面或底面时，根据覆盖检测的需求，控制两个侧向推进器8，使机器人在水平面平移一段距离后，纵向主推进器反转，使机器人完成回环检测；当设定的检测面是侧面时，根据覆盖检测的需求，控制两个垂直推进器24，使机器人上下平移一定深度后，纵向主推进器反转19，使机器人完成回环检测。

(11)当机器人进行声学和光学检测时，将检测的数据进行内部存储。如果能检测到可见光通信信号，机器人通过光通信MODEM9及时将检测到的数据进行上传。

(12)当机器人完成检测任务后，机器人首先根据相对导航信息自主返回到检测的初始目标点位置，再根据入水点的位置信息，自主返回到入水点，最终完成探测数据的上传，并进行机器人回收。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种水下自主作业机器人，其特征在于，所述水下自主作业机器人包括能源动力模块、力学结构设计模块、外形设计模块、主控模块、动力推进模块以及功能模块，其中，能源动力模块为蓄电池组，用于为主控模块、动力推进模块以及功能模块供电；力学结构设计模块包括外框架、内部和侧面支撑以及浮力模块，其中，外框架与内部和侧面支撑用于搭载能源动力模块、浮力模块以及主控模块；外形设计模块包括上壳体和下壳体；主控模块包括强电流电子控制舱以及弱电流电子控制舱；动力推进模块包括至少两个侧向推进器、至少两个垂直推进器以及至少一个纵向主推进器；功能模块包括多普勒测速仪、成像声呐、集成LED灯的光学摄像头、光通信MODEM、深度和高度计、前端云台和后端云台；内部和侧面支撑的外侧分别对称安装至少一个侧向推进器，外框架左右两端上分别对称安装至少一个垂直推进器；内部和侧面支撑的右端与悬臂梁固连，并固定于外框架上；内部和侧面支撑的左端安装有深度和高度计；上壳体上端安装有光通信MODEM，下壳体下端安装有至少一个纵向主推进器；多普勒测速仪与后端云台相连，后端云台可在±90°范围内转动，后端云台另一端固定在悬臂支架上，通过悬臂梁将悬臂支架与外框架和内部和侧面支撑连接固定；成像声呐与前端云台相连，前端云台可在±90°范围内转动，前端云台另一端固定在悬臂支架上，通过悬臂梁将悬臂支架与外框架和内部和侧面支撑连接固定；集成LED灯的光学摄像头通过光学摄像头固定支架固定在轴承座上，成像声呐的一端伸出轴与轴承座的外圈通过法兰固连，多普勒测速仪的一端伸出轴与轴承座的内圈采用过盈配合的方式固连。

2.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，内部和侧面支撑包括至少两个横梁、至少两个长纵梁、至少两个短纵梁以及至少两个侧板，其中，短纵梁设计成带槽结构，长纵梁固定在外框架上。

3.如权利要求2所述的水下自主作业机器人，其特征在于，浮力模块固定在长纵梁和内部和侧面支撑的前后两端。

4.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，上壳体和下壳体设计为流线型纵剖面；上壳体和下壳体的表面均布若干孔。

5.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，侧向推进器的动力方向为内部和侧面支撑中侧板的径向，纵向主推进器的动力方向为内部和侧面支撑中侧板的法向。

6.如权利要求2所述的水下自主作业机器人，其特征在于，纵向主推进器通过纵向主推进器安装架下段和纵向主推进器安装架上段与短纵梁固连，纵向主推进器的安装架上段与T型螺钉相连，T型螺钉搭载在两个短纵梁的滑槽中，通过挪动T型螺钉，实现纵向主推进器安装位置的微调。

7.如权利要求2所述的水下自主作业机器人，其特征在于，蓄电池组安放在蓄电池组外框之中，蓄电池组外框固定在长纵梁上。

8.如权利要求1所述的水下自主作业机器人，其特征在于，强电流电子控制舱内安装有侧向推进器、垂直推进器以及纵向主推进器的驱动与控制模块，弱电流电子控制舱内安装有航向姿态传感器以及自动驾驶仪，强电流电子控制舱通过水密电缆与侧向推进器、垂直推进器、纵向主推进器、前端云台、以及后端云台连接，弱电流电子控制舱通过水密线缆与光通信MODEM、成像声呐、深度和高度计、集成LED灯的光学摄像头、以及多普勒测速仪连接。

9.如权利要求8所述的水下自主作业机器人，其特征在于，自动驾驶仪根据航向姿态传感器测量到的水下自主作业机器人航向角、俯仰角和横滚角，多普勒测速仪测量得到的水下自主作业机器人的速度，以及深度和高度计测量得到的深度，控制侧向推进器、垂直推进器、纵向主推进器的运动。

10.如权利要求8所述的水下自主作业机器人，其特征在于，自动驾驶仪利用成像声纳和光学摄像头测量到的检测面上特征信息，采用同时制图与定位算法和特征回环检测机制，实现水下自主作业机器人相对于检测面的高精度导航。

11.一种如权利要求1-10任一所述的水下自主作业机器人的作业方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)机器人在入水作业之前，进行上电自检；

(2)控制后端云台旋转，使多普勒测速仪的指向垂直向下；

(3)根据机器人当前所在位置，对机器人的初始位置进行初始化，并对机器人需要检测的初始目标点位置、深度、检测面的方向进行设定；

(4)机器人入水后，通过光通信MODEM启动机器人运动，机器人根据航向姿态传感器测量到的机器人航向角、俯仰角和横滚角以及多普勒测速仪测量得到的机器人相对于水底的速度在载体坐标系的投影进行导航解算，并根据设定的目标点位置和深度，进行制导和控制律的解算，控制侧向推进器、垂直推进器、纵向主推进器的运动，使机器人自主向目标点运动；

(5)当机器人到达目标点附件后，根据设定的检测面方向，机器人控制后端云台旋转，使多普勒测速仪指向设定的检测面方向；

(6)当机器人到达目标点附件后，根据设定的检测面方向，控制前端云台旋转，使成像声纳和集成LED灯的光学摄像头指向设定的检测面方向；

(7)当机器人到达目标点附件且多普勒测速仪指向设定的检测面后，机器人根据航向姿态传感器测量到的航向角、俯仰角和横滚角以及多普勒测速仪测量得到的机器人相对于检测面的速度在载体坐标系的投影，进行机器人相对于检测面的导航解算；

(8)当机器人到达目标点附件且多普勒测速仪指向设定的检测面后，利用多普勒测速仪测量到机器人与检测面之间的距离和方位，根据设定的检测面方向，分别控制垂直推进器或侧向推进器，实现机器人与检测面之间保持固定的距离；

(9)当机器人与检测面保持固定距离后，控制机器人纵向主推进器运动，使机器人在行进时利用成像声纳和集成LED灯的光学摄像头完成检测面的切片成像检测；

(10)当机器人完成一个检测面切片成像检测后，当设定的检测面是顶面或底面时，根据覆盖检测的需求，控制侧向推进器或者垂直推进器，使机器人在平移一段距离后，纵向主推进器反转，使机器人完成回环检测；

(11)当机器人进行声学和光学检测时，将检测的数据进行内部存储；如果能检测到可见光通信信号，机器人通过光通信MODEM及时将检测到的数据进行上传；

(12)当机器人完成检测任务后，机器人首先根据相对导航信息自主返回到检测的初始目标点位置，再根据入水点的位置信息，自主返回到入水点，最终完成探测数据的上传，并进行机器人回收。

12.如权利要求11所述的水下自主作业机器人的作业方法，其特征在于，步骤(7)还包括：利用成像声纳和光学摄像头测量到的检测面上特征信息，采用同时制图与定位算法和特征回环检测机制，实现机器人相对于检测面的高精度导航。