CN109878667B - 一种水下观察用机器人及其观察方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下观察用机器人及其观察方法，属于水下工程领域。包括基础组件、驱动组件和拍摄组件三部分组成。基础组件包括防水壳体、安装在防水壳体上的顶板、设置在防水壳底部的多个支架。驱动组件包括设置在所述防水壳体两侧的两个平衡浮力腔、设置在两个平衡浮力腔之间的平衡检测器、设置在两个平衡浮力腔中间的无叶推进器。拍摄组件包括设置在所述顶板上的摄像单元和水下卤素灯。本发明通过使用无桨叶推进器替代螺旋推进，无叶推进器的喷出水流较平稳，对拍摄组件的拍摄影响较小；解决了现有的水下机器人受到自身发动机推进影响，降低可视系统的成像质量的问题。

Description

一种水下观察用机器人及其观察方法

技术领域

本发明属于水下工程领域，尤其是一种水下观察用机器人及其观察方法。

背景技术

近年来，已经发明了一系列的水下机器人，又称为遥控无人潜水器，主要用于探索水下资源，同时研究气候变化和环境对水资源的影响。水下机器人的应用领域非常广泛，其应用领域涉及工业、渔业、探索和军事等等，水下机器人已经成为人们认识、开发和利用海洋的一个重要工具。

为了准确地获得水下的图像信息，水下机器人都安装有水下可视系统，通过可视系统能将水下环境和目标信息传递给水面控制系统。然而，由于自身发动机推进，会形成大量水流，会严重影响可视系统的成像质量。同时，根据不同的观察对象，需要采用不同的观察手段进行观察，但由于可视系统内的设备单一，不能适用于多种情况。

发明内容

发明目的：提供一种水下观察用机器人及其观察方法，以解决现有的水下机器人受到自身发动机推进影响，降低可视系统的成像质量和可视系统内的观察设备单一的问题。

技术方案：一种水下观察用机器人，包括：基础组件、驱动组件和拍摄组件三部分组成。

基础组件，包括防水壳体，固定安装在所述防水壳体上的顶板，以及设置在所述防水壳底部的多个支架。

驱动组件，包括设置在所述防水壳体两侧的两个平衡浮力腔，水平设置在两个平衡浮力腔之间的平衡检测器，以及设置在两个平衡浮力腔中间的至少两个无叶推进器。

拍摄组件，包括设置在所述顶板上的摄像单元，以及设置在所顶板上的水下卤素灯。

在进一步的实施例中，所述平衡浮力腔为刚性容器，在内部通过隔板分为至少两个小室，且每个小室内设置有一组电解装置；所电解装置包括：将小室分为两个腔室的电解隔板，分别设置在被电解隔板隔开的两个腔室底部的阴极和阳极，与所述阴极和阳极相连接直流电源，设置在所述腔室底部的出水阀门，以及设置在所述腔室顶部的出气阀门。

在进一步的实施例中，所述平衡检测器为一个水平放置的圆柱形玻璃管，在所述玻璃管内与留有一个气泡，且在所述玻璃管两端射着有光电感应器发生器和接收器。

在进一步的实施例中，所述无叶推进器包括：截面为“8”字形的腔体，在所述腔体上半部分安装的螺旋桨，与所述螺旋桨连接的三相异步电机，设置在所述腔体上半部分一侧的进水口，贯穿所述腔体下半部分且呈圆台状的排水通道，以及与所述腔体相连接并设置在所述排水通道上的环形出水缝隙。

在进一步的实施例中，所述出水缝隙处设置有圆弧形不规则的导水件，所述导水件的凸出部与所述出水缝隙凹槽部相对应，留有预定间隙；且所述间隙大小为2～10cm。

在进一步的实施例中，所述无叶推进器的腔体上半部固定连接有旋转机构，其中所述旋转机构又包括：与步进电机相连接的第一圆盘，固定安装在所述圆盘上向外凸起且截面形状为“渐开线”的卡条，垂直于所述第一圆盘且与所述腔体上半部固定连接的第二圆盘，在所述第二圆盘周围设置有多个与所述卡条相啮合的分度齿。

在进一步的实施例中，所述摄像单元与顶板之间通过角度调节器连接，所述角度调节器包括：固定安装在顶板上的微型电机座和固定框，固定在所述微型电机座上的第一微型电机，设置在所述固定框内的一端且与所述第一微型电机输出轴连接的第一滚轮，通过皮带与所述第一滚轮相连接且位于所述固定框的另一端的第二滚轮，与所述第二滚轮固定连接的旋转支撑座，在所述旋转支撑座一侧设置有第二微型电机，设置在所述旋转支撑座上且通过个相互啮合齿轮组与第二微型电机输出相连接的摄像单元。

在进一步的实施例中，所述摄像单元包括：高清摄像机，微光摄像机、红外热成像仪以及无线传输设备；所述高清摄像机，微光摄像机、红外热成像仪的摄像头并排设置与摄像单元的框架上，在其外表面设置有透明亚克力耐压板材制成的密封外罩。

一种水下观察用机器人的观察方法，其特征在于，包括：

S1、将机器人放入指定待观察水域，平衡浮力腔进水，下沉至预定高度，无叶推进器驱动机器人前进；

S2、红外热成像仪采集相关数据，传输至控制终端，通过人工或智能操作，规划路径，将机器人驱动至指定位置或追踪指定鱼类；

S3、微调角度调节器，调整摄像单元，对准待拍摄的动植物、岩石或沉底船只等；

S4、对指定的观察对象，选取合适的摄像机进行观察；

S5、对于可曝光的待观察对象，采用高清摄像机配合卤素灯辅助光源，进行拍照或摄像，并直接通过无线传输设备传输至控制终端；

S6、任务完成后，排出平衡浮力腔内的水，上浮至水面，回收机器人。

有益效果：本发明涉及一种水下观察用机器人机及其观察方法，通过使用无桨叶推进器替代螺旋推进，无叶推进器的喷出水流较平稳，对拍摄组件的拍摄影响较小；通过角度调节器，在保证机器人不动的情况下，扩大拍摄视角；在拍摄组件上安装有红外热成像仪，可在不影响被观察物正常活动的情况下，直接进行观察。解决了现有的水下机器人受到自身发动机推进影响，降低拍摄组件的成像质量和可视系统内的观察设备单一的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中平衡浮力腔的结构示意图。

图3是本发明中无叶推进器的结构示意图。

图4是本发明中出水缝隙的结构示意图。

图5是本发明中旋转机构的结构示意图。

图6是本发明中角度调节器的结构示意图。

附图标记为：防水壳体1、顶板2、支架3、平衡浮力腔4、平衡检测器5、无叶推进器6、摄像单元7、水下卤素灯8、角度调节器9、小室401、电解隔板402、阴极403、阳极404、直流电源405、出水阀门406、出气阀门407、腔体601、螺旋桨602、进水口603、排水通道604、出水缝隙605、导水件605a、旋转机构606、第一圆盘606a、卡条606b、第二圆盘606c、分度齿606d、微型电机座901、固定框902、第一微型电机903、第一滚轮904、皮带905、第二滚轮906、旋转支撑座907、第二微型电机908、齿轮组909。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如附图1所示，一种水下观察用机器人（以下简称为“该机器人”），包括：基础组件、驱动组件和拍摄组件三部分组成。

基础组件包括：防水壳体1、顶板2、支架3。顶板2固定安装在所述防水壳体1上，用于支撑拍摄组件；在所述防水壳底部设置有多个支架3，用于沉底后的支撑作用。

驱动组件包括：平衡浮力腔4、平衡检测器5、无叶推进器6。在所述防水壳体1两侧分别设置有平衡浮力腔4，在两个平衡浮力腔4之间水平设置平衡检测器5，在两个平衡浮力腔4中间的防水壳体1内设置有至少两个无叶推进器6，分别位于机器人的前后两端。

如附图2所示，所述平衡浮力腔4为刚性容器，在内部通过隔板分为至少两个小室401，且每个小室401内设置有一组电解装置；所电解装置包括：小室401、电解隔板402、阴极403、阳极404、直流电源405、出水阀门406、出气阀门407。具体为：电解隔板402将小室401分为阴阳两个电解腔室，在被电解隔板402隔开的两个电解腔室底部分别设置有阴极403和阳极404，所述阴极403和阳极404与直流电源405相连接，在所述腔室底部设置有出水阀门406，在所述腔室顶部设置有出气阀门407。当该机器人下沉时，从进水口603进水，排出空气，提高机器人的重量，完成下沉动作；当该机器人需要上浮时，将阴极403和阳极404直接与电源相连接，电解水，在两个电解腔室内产生大量氧气、氢气以及少量的氯气等气体，排出水，减小机器人重量完成上浮。上述电解水装置能够替代传统的压缩空气式气腔，大大的减小的该机器人的重量，提高了机器人的续航能力和扩大机器人的使用范围；而且不必再使用前频繁更换压缩空气储存罐，减小了机器人的准备时间，提高该机器人的可操控性。

其中，所述平衡检测器5为一个水平放置的圆柱形玻璃管，在所述玻璃管内与留有一个气泡，且在所述玻璃管两端射着有光电感应器发生器和接收器。根据气泡在玻璃管中的位置，判断该机器人的整体平衡位置，然后通过调整平衡浮力腔4内每个小室401内气体的占比，调整机器人的重心，达到平衡状态。通过上述结构替代了传统的偏心轮改变重心的方式，进一步减低机器人的重量，提高了该机器人的续航能力和扩大机器人的使用范围。

如附图3所示，所述无叶推进器6包括：腔体601、螺旋桨602、进水口603、排水通道604、出水缝隙605、导水件605a、旋转机构606。所述腔体601的截面为“8”字形，在所述腔体601上半部分安装有螺旋桨602，所述螺旋桨602与三相异步电机连接，其中三相异步电机采用Y160L-2型号，进水口603设置在所述腔体601上半部分一侧，所述腔体601下半部分贯穿有一个呈圆台状的排水通道604，设置在所述排水通道604上的环形出水缝隙605，并与所述腔体601的上半部分相连接。如附图4所示，所述出水缝隙605处设置有圆弧形不规则的导水件605a，所述导水件605a的凸出部与所述出水缝隙605凹槽部相对应，留有预定间隙；且所述间隙大小为2～10cm。通过调整导水件605a的位置，可以扩大/缩小间隙距离。电机带动螺旋桨602旋转，驱动水流冲出水缝隙605排出，在排出过程中带动排水通道604内的水流运动，通过康达效应进行放大，提高排水量，扩大排水功率。传统螺旋桨602式推进器推动出的水流为螺旋形旋涡，水流湍急，水流对摄像组件拍照的影响较大，上述无叶式推进器推出的水流为相对平稳的平行水流，对摄像组件的拍照几乎无明显影响。

其中，所述无叶推进器6的腔体601上半部固定连接有旋转机构606，如附图5所示，所述旋转机构606又包括：、第一圆盘606a、卡条606b、第二圆盘606c、分度齿606d。第一圆盘606a与步进电机相连接的，在所述圆盘上固定安装向外凸起且截面形状为“渐开线”的卡条606b；第二圆盘606c垂直于所述第一圆盘606a且与所述腔体601上半部固定连接，在所述第二圆盘606c周围设置有多个分度齿606d，与所述卡条606b相啮合。步进电机接收脉冲信号，带动第一圆盘606a旋转预定圈数，其中，每当第一圆盘606a旋转一圈，卡条606b带动分度齿606d旋转一格；以此调整第二圆盘606c和无叶推进器6的方向。上述结构能够控制无叶推进器6在360°旋转，有效提高推进的使用范围，减少传统机器人两侧需要安装多个改变方向用的推进器。

拍摄组件，包括设置在所述顶板2上的摄像单元7，以及设置在所顶板2上的水下卤素灯8。 所述摄像单元7与顶板2之间通过角度调节器9连接，如附图6所示，所述角度调节器9包括：微型电机座901、固定框902、第一微型电机903、第一滚轮904、皮带905、第二滚轮906、旋转支撑座907、第二微型电机908、齿轮组909。具体的，微型电机座901和固定框902固定安装在顶板2上，第一微型电机903采用42BYG250FC型号的步进电机，固定在所述微型电机座901上，第一滚轮904设置在所述固定框902内的一端且与所述第一微型电机903输出轴连接，第二滚轮906位于所述固定框902的另一端，与固定框902之间通过销轴连接，且通过皮带905与所述第一滚轮904相连接，旋转支撑座907与所述第二滚轮906固定连接，在所述旋转支撑座907一侧设置有第二微型电机908，摄像单元7设置在所述旋转支撑座907上，且通过个相互啮合齿轮组909与第二微型电机908输出相连接，其中，第二微型电机908采用42BYG250FB型号的步进电机。第一微型电机903带动第二滚轮906转动，控制旋转支撑座907和摄像单元7沿着固定框902上销轴上下旋转，同时，第二微型电机908通过齿轮组909带动摄像单元7左右旋转。在保持该机器人不动的情况下，扩大拍摄角度。

在进一步的实施例中，所述摄像单元7包括：高清摄像机，微光摄像机、红外热成像仪以及无线传输设备；所述高清摄像机，微光摄像机、红外热成像仪的摄像头并排设置与摄像单元7的框架上，在其外表面设置有透明亚克力耐压板材制成的密封外罩。其中，红外热成像仪可以在不影响被观察物的情况下，为机器人提供被观察物的基本情况信息。无线传输设备可以实时将观察信息传输至控制终端，同时，该机器人上也设置有储存模块，用于存储高清设置图片和视频。

为了方便理解水下观察用机器人的技术方案，对其工作流程做出简要说明：

S1、将机器人放入指定待观察水域，平衡浮力腔4进水，下沉至预定高度，无叶推进器6驱动机器人前进；

S2、红外热成像仪采集相关数据，传输至控制终端，通过人工或智能操作，规划路径，将机器人驱动至指定位置或追踪指定鱼类；

S3、微调角度调节器9，调整摄像单元7，对准待拍摄的动植物、岩石或沉底船只等；

S4、对指定的观察对象，选取合适的摄像机进行观察；

S5、对于可曝光的待观察对象，采用高清摄像机配合卤素灯辅助光源，进行拍照或摄像，并直接通过无线传输设备传输至控制终端；

S6、任务完成后，排出平衡浮力腔4内的水，上浮至水面，回收机器人。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种水下观察用机器人，其特征在于，包括：

基础组件，包括防水壳体，固定安装在所述防水壳体上的顶板，以及设置在所述防水壳底部的多个支架；

驱动组件，包括设置在所述防水壳体两侧的两个平衡浮力腔，水平设置在两个平衡浮力腔之间的平衡检测器，以及设置在两个平衡浮力腔中间的至少两个无叶推进器；

拍摄组件，包括设置在所述顶板上的摄像单元，以及设置在所顶板上的水下卤素灯；

其中，所述平衡浮力腔为刚性容器，在内部通过隔板分为至少两个小室，且每个小室内设置有一组电解装置；所电解装置包括：将小室分为两个腔室的电解隔板，分别设置在被电解隔板隔开的两个腔室底部的阴极和阳极，与所述阴极和阳极相连接直流电源，设置在所述腔室底部的出水阀门，以及设置在所述腔室顶部的出气阀门。

2.根据权利要求1所述的水下观察用机器人，其特征在于，所述平衡检测器为一个水平放置的圆柱形玻璃管，在所述玻璃管内与留有一个气泡，且在所述玻璃管两端射着有光电感应器发生器和接收器。

3.根据权利要求2所述的水下观察用机器人，其特征在于，所述无叶推进器包括：截面为“8”字形的腔体，在所述腔体上半部分安装的螺旋桨，与所述螺旋桨连接的三相异步电机，设置在所述腔体上半部分一侧的进水口，贯穿所述腔体下半部分且呈圆台状的排水通道，以及与所述腔体相连接并设置在所述排水通道上的环形出水缝隙。

4.根据权利要求3所述的水下观察用机器人，其特征在于，所述出水缝隙处设置有圆弧形不规则的导水件，所述导水件的凸出部与所述出水缝隙凹槽部相对应，留有预定间隙；且所述间隙大小为2～10cm。

5.根据权利要求4所述的水下观察用机器人，其特征在于，所述无叶推进器的腔体上半部固定连接有旋转机构，其中所述旋转机构又包括：与步进电机相连接的第一圆盘，固定安装在所述圆盘上向外凸起且截面形状为“渐开线”的卡条，垂直于所述第一圆盘且与所述腔体上半部固定连接的第二圆盘，在所述第二圆盘周围设置有多个与所述卡条相啮合的分度齿。

6.根据权利要求5所述的水下观察用机器人，其特征在于，所述摄像单元与顶板之间通过角度调节器连接，所述角度调节器包括：固定安装在顶板上的微型电机座和固定框，固定在所述微型电机座上的第一微型电机，设置在所述固定框内的一端且与所述第一微型电机输出轴连接的第一滚轮，通过皮带与所述第一滚轮相连接且位于所述固定框的另一端的第二滚轮，与所述第二滚轮固定连接的旋转支撑座，在所述旋转支撑座一侧设置有第二微型电机，设置在所述旋转支撑座上且通过个相互啮合齿轮组与第二微型电机输出相连接的摄像单元。

7.一种基于权利要求6中所述的水下观察用机器人的观察方法，其特征在于，包括：

S1、将机器人放入指定待观察水域，平衡浮力腔进水，下沉至预定高度，无叶推进器驱动机器人前进；

S2、红外热成像仪采集相关数据，传输至控制终端，通过人工或智能操作，规划路径，将机器人驱动至指定位置或追踪指定鱼类；

S3、微调角度调节器，调整摄像单元，对准待拍摄的动植物、岩石或沉底船只；

S4、对指定的观察对象，选取合适的摄像机进行观察；

S5、对于可曝光的待观察对象，采用高清摄像机配合卤素灯辅助光源，进行拍照或摄像，并直接通过无线传输设备传输至控制终端；

S6、任务完成后，排出平衡浮力腔内的水，上浮至水面，回收机器人。