CN111232161A - 一种水下探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市排水管道检测机器人。包括对管道中环境进行实时检测以及反馈监测信息数据。通过携带的CCD摄像机将排水道环境显示在工作平台上的LED液晶显示器，完成对管内环境和机器人状况的检查。系统主要包括机械本体、收放线和可视装置、控制系统。机械本体主要构成硬件模块，分布于机器人各个部位。收放线和可视装置利用机器人拍摄并反馈回的画面进行收放线缆。控制系统分为上位机和下位机，两者内部相互连接通信，下位机传感器装置随时监测机器人工作状态并将检测到的信息传递给上位机，上位机处理信息后发送电机驱动命令，最终实现及时调整机器人行走或倾斜角度等功能。本产品操作方便，消耗低，符合节能减排的理念。

Description

一种水下探测机器人

技术领域

本发明涉及一种水下探测机器人，尤其是能用于水下探测任务的机器人。包括能够在深度100米以内大型河流湖泊中完成巡检探测任务，并通过机器人准确的定位导航功能，有效的勘测河流湖泊的底部地理特征，在必要时候能够完成搜救探测任务。针对于一些泵站闸门，可以代替人工作业，为工作人员提供了便利。

背景技术

目前，海洋蕴含无穷的财富早已成为当今世界人们的一种共识，它包含丰富的石油、天然气、矿藏、稀有金属等珍贵资源，这致使海底打捞以及海底探测技术得到了快速的发展。但是在海洋探测技术发展的同时，针对内陆湖泊的相关探测研宄却很少，而对于海底探测，在探测器的材料、抗压能力、密封性以及通信技术方面的要求都很高，这必然会使得资金投入过高，而内陆河流底部环境跟海底环境有所不同，湖底压力比海底压力小，在湖泊探测时对探测器的性能要求相应的会降低很多，这使得湖泊探测成本会大大降低，所以如果直接将海底探测器运用于湖底探测，必然造成一种资源浪费。但不可否认，内陆湖泊同样蕴藏着很大的财富，并且具有很大的研宄意义，如果放弃对湖泊的探测，无论对于国家还是社会都是一种浪费。内陆浅水湖泊进行探测的水下探测机器人研究，同样具有很高的研宄价值。另外，对于水下探测能力的强弱，在一定程度上也代表了一个国家的科研实力，代表了一个国家对于水下未知资源更多的拥有权。而水下机器人则是作为水下探测的一种主要工具，各国都在竭力研究，希望能够研制出行为能力更为突出、探测能力更为强大、智能程度更高的水下机器人，所以对于水下机器人的研宄意义也就变得十分明显，因为它不仅仅代表未来科技的进步，也代表了人们对于未知世界的一种向往。随着水下探测技术的进一步发展，对于水下机器人的研宂，也早已成为当今世界的科研热点。

在现在社会的发展中，集成自动化、机械、人工智能计算机等高新尖端科技的机器人将成为推动“工业4.0”进程的重要力量。水下探测机器人符合“工业4.0”时代背景，

发明内容

为了克服传统的内陆湖泊资源利用的不足，本发明提供了一种水下探测人机器人，用于深度100米以内大型河流湖泊中完成巡检探测任务，并通过机器人准确的定位导航功能，有效的勘测河流湖泊的底部地理特征，在必要时候能够完成搜救探测任务。针对于一些泵站闸门，可以代替人工作业。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水下探测机器人，系统采用模块化设计，主要包括硬件模块、主控模块、多功能驱动器模块、定位导航模块、电源管理模块。其中水下机器人硬件结构主要由装置级，感知执行级，控制级，监视操作级组成。其特征在于所述的装置级由浮游舱体、机械手、取样器、水下环境监测仪器组成；所述的感知执行级主要是对外界环境进行感知和执行对机器人的控制，由姿态传感器、下潜深度传感器、温湿度传感器、前后推进器、上下推进器、侧向推进器、水下照明灯、前视摄像头、底视摄像头、侧视摄像头、水底深度传感器、机械手、海底成像声呐、水下水样采集器组成；所述的控制级主要是接收操作员控制器发送的命令和对传感控制模块进行控制，由传感控制模块、工控机以及水声收发器组成；监控操作级：主要负责下达控制命令、显示实时视频和各种实时参数。由操作员控制箱、水声收发器组成。

本发明的有益效果是，可以利用系统各个模块之间相互协调，以完成机器人水下探测工作的完成和海底资源的开发，提高了探测的智能化和工作效率，有广泛的应用价值和市场前景。

附图说明

图1是系统硬件体系结构图

图2是系统主控制器组成框图

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

在图1中，一种水下探测机器人，系统采用模块化设计，主要包括硬件模块、主控模块、多功能驱动器模块、定位导航模块、电源管理模块。其中水下机器人硬件结构主要由装置级，感知执行级，控制级，监视操作级组成。其特征在于所述的装置级由浮游舱体、机械手、取样器、水下环境监测仪器组成；所述的感知执行级主要是对外界环境进行感知和执行对机器人的控制，由姿态传感器、下潜深度传感器、温湿度传感器、前后推进器、上下推进器、侧向推进器、水下照明灯、前视摄像头、底视摄像头、侧视摄像头、水底深度传感器、机械手、海底成像声呐、水下水样采集器组成；所述的控制级主要是接收操作员控制器发送的命令和对传感控制模块进行控制，由传感控制模块、工控机以及水声收发器组成；监控操作级：主要负责下达控制命令、显示实时视频和各种实时参数。由操作员控制箱、水声收发器组成。

在图1中，所述的多功能驱动器，主要实现对推进器电机的控制、照明灯的点亮、水下机器人舱体的姿态平衡和舱内环境的监测。多功能驱动器通过串行接口接收主控制器发送来的每个推进器的转动方向和转动速度命令、平衡控制命令、照明控制命令，以及向主控制器发回电机工作状态、机器人姿态等控制命令，根据这些命令对推进器及各个传感器进行控制，控制器最多可同时控制6个推进器，通过不同的控制组合以达到相应的机器人移动效果。检测舱体姿态平衡的传感器也通过串口与主控制器相连接，并且通过主控制器中的保持姿态平衡控制策略来对推进器进行控制，以达到姿态平衡的目的。

在图1中，所述的位导航模块主要是由一块单片机和通信接口以及多个模数转换单元组成，通信接口与多个传感器连接，包括三轴陀螺仪，三轴加速度计，温湿度传感器，深度传感器等。由于不同的传感器输出的信号是不同的，输出数字信号的传感器，通过通信接口定时读取各个传感器数据，并进行计算得出转动的角度和运动的距离，当前的朝向，以及自身的姿态，将数据传送给MCU，由MCU对数据包解析分类发送给主控制器，再由主控制器进行处理最终反馈给上位机；输出模拟信号的传感器，通过模数转换将输出的电流或电压信号转换成数字量再发送给MCU并传给主控制器。

在图1中，水下探测机器人的控制系统基于Moos系统进行设计，系统软件包括三层结构，包括底层数据输入输出层、功能控制层以及监控层。Moos系统是专门针对水下机器人进行开发设计的，它具有一套分布式、模块化的体系结构，各个功能模块之间彼此独立，通过MOOSDB进行信息交互，形成了一个稳定、高效的信息交互环境。水下机器人控制系统就是在MOOS系统的整个结构基础上进行设计的，以MOOSDB为核心分别与多个功能模块进行信息交互，包括任务监控模块、任务规划模块、记录信息模块、推进器以及陀螺、定位系统模块、多传感器数据采集模块，即深度计、高度计、GPS、罗盘、加速度计等。信息传递服务器将各模块传递来的规划指令或者位置信息数据传递给pHlem，pHlem按照相应的算法进行数据融合从而得到最优解，然后把量测结果分发给MOOSDB，经由MOOSDB把行为控制指令传送给相应的模块，从而控制下一步的行为。

在图1中，所述的推进器控制模块主要由STC15W4K32S4单片机、直流电机驱动电路、LED工作电路、上位机串口电路、电源模块等部分组成。6只推进器由24V电源供电，分别由6个直流电机驱动电路驱动，电机的转动方向和转动速度由单片机输出的PWM脉冲和驱动信号控制。单片机通过串行接口接收主控制器发送来的控制命令，使对应的电机按照指定的转动速度和转动方向执行工作。利用电机驱动芯片INH使能信号端短接，并接入PWM调速信号，当IN输入端接收到L_PWM或者R_PWM信号到来时，驱动按相应转动方向驱动电机转动。推进器控制系统的软件设计可分为两大部分：水下机器人推进器控制命令的分析和推进器控制的程序设计。水下机器人推进器控制指令的分析主要体现在主程序和串口收发程序中。其中，主程序负责循环分析指令表，串口士发程序负责判断和接收上位机发送过来的有效数据并及时反馈收到的数据内容以供操作员在遇到特殊情况时，可以对收到的数据进行分析。主程序是检测串口是否传来有效数据，如果没有，则单片机等待，如果有效数据传进来，就要对指令的格式进行分析检测。如果格式正确，则通过程序根据指令要求调节相应的PWM占空比，并输出使能信号和PWM信号，实现对应电机的调速转动。LED是由输出端口的使能信号进行触发的，如果对应电机转动，则对应的使能输出为高电平，从而点亮LED；如果格式错误，则退出指令分析循环。同时无论输入的是何种数据，最后都通过串口将数据反馈给上位机，以便实时监控。另外推进器的操作是一个实时的过程，所以应该有“即开即停”的功能。当电机运行了1.2秒后如果还没有接收到下一个操作指令，那么程序将会自动判定为“空闲状态”，所有的输出将恢复至初始状态，直至指令再次到来。该功能是通过定时中断来实现的。

在图2中，所述的控制器通过脐带电缆与岸上的遥操作控制单元连接，用以太网实现通信交互。主控制器的核心是基于Linux系统的嵌入式ARM开发板，它通过串行口或CAN接口与其他前端模块相连接，传输指令给其他模块的MCU，并通过不同的MCU向各个前端装置采取控制。这些前端模块包括定位导航模块、传感器模块、多功能驱动器模块、作业控制模块、电源与能量管理模块、探测装置模块等组成。每个模块之间彼此独立，但都与同一个主控制器间进行数据交互，以达到“一对多”的远程控制方式。

本发明由于采用上述结构，提出了一种水下探测机器人的设计，设计简单，而且该系统的运用，能用于水下探测任务，并通过机器人准确的定位导航功能，有效的勘测河流湖泊的底部地理特征，在必要时候能够完成搜救探测任务，避免了海底资源的浪费。

Claims (3)

1.一种水下探测机器人，系统采用模块化设计，主要包括硬件模块、主控模块、多功能驱动器模块、定位导航模块、电源管理模块，其中水下机器人硬件结构主要由装置级，感知执行级，控制级，监视操作级组成，其特征在于所述的装置级由浮游舱体、机械手、取样器、水下环境监测仪器组成；所述的感知执行级主要是对外界环境进行感知和执行对机器人的控制，由姿态传感器、下潜深度传感器、温湿度传感器、前后推进器、上下推进器、侧向推进器、水下照明灯、前视摄像头、底视摄像头、侧视摄像头、水底深度传感器、机械手、海底成像声呐、水下水样采集器组成；所述的控制级主要是接收操作员控制器发送的命令和对传感控制模块进行控制，由传感控制模块、工控机以及水声收发器组成；监控操作级：主要负责下达控制命令、显示实时视频和各种实时参数，由操作员控制箱、水声收发器组成。

2.根据权利要求书1所述的一种水下探测机器人，其特征在于水下探测机器人由圆柱形密封耐压电子舱，6个推进器组成，这种结构设计，能够保证水下机器人六自由度自由运转，另外整个水下探测机器人在外形结构方面采用框架式结构，这种结构模式便于后期一些扩展功能的添加。

3.根据权利要求书1所述的一种水下探测机器人，其特征在于软件控制方面，进行了一定的创新，根据MOOS开源系统结构，设计出适合水下机器人使用的软件控制系统。

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